浅谈信息技术和低碳经济

1、1浅谈信息技术和低碳经济 王煦法 中国科学技术大学 计算机科学技术学院 一、前言言全球气候候变暖正在对人人类生存存和发展展提出了了严峻挑挑战。去去年年年底举行行的哥本本哈根联联合国气气候大会会，尽管管其间充充满着争争执和摩摩擦，透透露的信信号却毋毋庸置疑疑低碳经济济时代来来临已成成事实。2一、前言言3低碳经济济是以低能耗、低污染染、低排排放为基础的的经济模模式。低低碳经济济实质是是能源高高效利用用、清洁洁能源开开发、追追求绿色色GDP的的问题，核心是是能源技技术和减减排技术术创新。一、前言言信息通讯讯技术与与低碳经经济的关关系如何何？信息通讯讯技术将将促进还还是抑制制低碳经经济的发展?4就自身

2、的的碳排放放量来看看，信息息和通信信技术（ICT）所产生生的温室室气体排排放占全全球的大大约2%，包括产产品生产产和使用用。同时时，作为为一个产产业，IT产业在力力求减少少自己的的碳足迹迹，而更更大的机机会在于于利用IT技术解决决另外98%碳排放的的问题ICT的碳足迹迹贯穿在在ICT设备和系系统的生生产、使使用和报报废的整整个生命命周期。ICT自身的碳碳排放量量令人吃吃惊，不不可忽视视！5二、ICT的碳碳足迹及及对策电子垃圾圾联合国最最新发布布的一份份报告称称，在未未来10年，随着家家用数码码产品的的激增，世界将将面临被被电子垃垃圾淹没没的危险险。据估估计，全全世界排排放的电电子垃圾圾将达到到

3、每年4000万吨。美国是世世界上最最大的电电子垃圾圾生产国国，大约约每年生生产330万万吨的电电子垃圾圾。之后后是中国国，每年年的废弃弃量约为为260万吨。6二、ICT的碳足迹迹及对策策对策7二、ICT的碳碳足迹及及对策通信行业业是耗能大大户近年来，通信行行业能源源消耗呈呈不断上上升趋势势，其主主要原因因在于产业规模模不断扩扩大，不不断增加加的服务务器和基基站载频频消耗了了大量水电气能能源。通信在电电子信息息行业总总能耗中中所占比比例不断断上升，已近1/4；而固话和移移动电话话所占比比例也仅仅次于电电脑显示示器和服服务器耗耗能，分别占15%和和9%的的份额。我国通信信行业年年耗电已已经超过过2

4、00亿度，正逐渐渐向高耗耗能行业业靠近。其其中通信信设备和和机房设设备成为为了“耗耗能大户户”，仅仅基站空调用电电一项，每年消消耗用电电就已超超过70亿8二、ICT的碳碳足迹及及对策电脑的碳碳排放1/4来来自于生生产制造造过程，剩下的的3/4则来自自使用过过程。制制造一台台电脑需需要大约约吨化学学物质、化石燃燃料和水水(与生生产一辆辆汽车不不相上下下)，电电脑投入入使用后后，每年年会产生生吨二氧氧化碳。大多数数电脑平平均使用用年后后会作为为垃圾填填埋。填填埋处的的土壤可可能遭到到镉和汞汞的污染染。最新研究究显示，世界上上所有电电脑每年年会产生生约万万吨废气气，相当当于进出出英国的的万架普普通航

5、班班排放的的废气。从事信信息技术术调查的的美国加加特纳公公司估计计，全球球信息技技术设备备排放的的二氧化化碳占到到二氧化化碳总排排放量的的左左右(约10亿吨吨的碳排排放量)，与航航班产生生的二氧氧化碳量量基本相相同。这这一结果果出乎许许多人的的意料。9二、ICT的碳碳足迹及及对策当前，福福布斯全全球2000强企业业中约有有半数在在能源上上的开支将超过过在电脑脑硬件(如个人人电脑和和服务器器)上的的开支2009年年初，英国气气象局耗耗资3300万英镑(约3.7亿人民币币)购买了一一台超级级计算机机，用于于计算气气候的变变化对英英国将产产生何种影影响，以以及提升升天气预预报，尤尤其是短短期预报报的

6、准确确度使4天的预报报准确度度达到30年前1天预报准准确度的的水准。但令令气象局局尴尬的的是，这这台计算算机留下下巨大的的 “碳碳足迹”其一年的的二氧化化碳排放放量竟然然高达14400吨，相当当于2400个家庭的的年二氧氧化碳排排放量。10二、ICT的碳碳足迹及及对策11 上海超级级计算中中心的10万亿次曙曙光4000A平均每天天的电费费就超过过了1万多元。一年要要消耗400万人民币币的电费费，这相相当于一一个小县县城的耗耗电规模模了，远远远大于于超级计计算机自自身的价价值。中石油东东方地球球物理公公司数据据中心的的电耗成成本更是是惊人。现在拥拥有1万多颗CPU规模的数数据中心心的电费费总支出

7、出每天要要4.8万元，因因此每年年光电费费成本就就高达1700多万元。 二、ICT的碳足迹迹及对策策12在美国，全美发发电的2%都用于数数据中心心，是一一个非常常可观的的数字，而且还还在快速速增长。高额的的用电量量和用电电成本甚甚至让一一些拥有有大规模模数据中中心的企企业如Google、腾讯开开始或筹筹划自建建发电站站。二、ICT的碳碳足迹及及对策Dalles是美国俄俄勒冈州州北部哥哥伦比亚亚河（Columbiariver）岸上的的一个城城市，Google在Dalles的边上拥拥有的30英亩土地地，他们们在这里里建立了了几乎是是世界上上最大，性能最最好的数数据中心心。四个个装备有有巨大空调设施

8、的仓仓库内，放置着着数万台台Internet服务器，这些服服务器每每天处理理着数十十亿条Google网站传递递给世界界各个角角落的用用户的数数据。13这个数据据中心占占用了附附近一个个1.8GW水力发电电站（这这个数字字和科罗罗拉多州州的胡佛佛坝类似似，比SizewellB之类的英英国核电电站要多多上50%！）的大大部分电电力输出出二、ICT的碳碳足迹及及对策14对策制定相关关节能标标准如何有效效解决超超大数据据中心的的高密度度机架的的绿色供供电、散散热、高高功耗问问题，利利用风道道设计、智能冷冷却、能能量智控控等技术术，建设设新一代数数据处理理中心，已经成成为全球球主要高高性能计计算机制制造

9、商的的关注焦焦点之一一。提高高性性能计算算机每瓦瓦特性能能，需要要从芯片片级、系系统级和和基础架架构级等等多个层层面来研研究开发发节能技技术。目目前，基基于多核核、低功功耗技术术的刀片片式服务务器产品品就是一一例。研研发相关关节能芯芯片尤其其是可逆逆逻辑芯芯片也正正在探索索中。二、ICT的碳碳足迹及及对策15可逆逻辑辑芯片热力学第第二定律律声称，封封闭系统统(能量不会会传送出出去或进进来的系系统)中的熵值值即它的的混乱程程度不会会减少。所以如如果一个个寄存器器的内容容被清除除，它的的熵将减减少，那那么多余余的熵跑跑到哪儿儿去了呢呢？答案案是以一一种热的的形式散散发到计计算部件件的周围围环境中中

10、。热力学第第二定律律表明：如果人人们还继继续采用用传统的的非可逆逆的、清清除比特特的信息息处理技技术，如如此高度度密集的的电路不不但会因因为热量量而熔化化，甚至至会发生生爆炸。二、ICT的碳碳足迹及及对策16量子计算算机量子计算算机是一一类遵循循量子力力学规律律的新型型计算机机量子计算算机不仅仅运算速速度快、存储量量大，而而且功耗耗低（可可逆计算算）。量子计算算机的研研究将导导致计算算机科学学技术的的一场革革命！为为此，发发达国家家高度重重视量子子计算和和量子通通信的研研究，中中国在此此领域处处于领先先水平。二、ICT的碳碳足迹及及对策17DNA计算是利利用DNA双螺旋结结构和碱碱基互补补配对

11、规规律进行行信息编编码，将将要运算算的对象象映射成成DNA分子链，通过生生物酶的的作用，生成各各种数据据池，再再按照一一定的规规则将原原始问题题的数据据运算高高度并行行地映射射成DNA分子链的的可控的的生化反反应过程程。最后后，利用用分子生生物技术术（如聚聚合链反反应PCR、超声波波降解、亲和层层析、克克隆、诱诱变、分分子纯化化、电泳泳、磁珠珠分离等等），检检测所需需要的运运算结果果。二、ICT的碳碳足迹及及对策DNA计算机18美国Columbia大学研制制的DNA计算机二、ICT的碳碳足迹及及对策19优点：强大的并并行计算算能力：DNA计算每秒秒可并行行操作10的22次方DNA串。据测测算，

12、DNA计算机的的运算速速度可达达每秒100万亿次浮浮点运算算，而当当前最快快的巨型型机，即即NEC的“地球模拟拟器”仅为每秒秒36万亿次浮浮点运算算。极低的能能耗：能量消耗耗只有一一台普通通计算机机的十亿亿分之一一。极高的信信息存储储容量：DNA分子具备备极有效效的数据据结构，能在很很小的空空间存储储海量信信息。DNA分子存储储数据的的密度可可达到18Mbits/per inch。相当于于今天高高性能计计算机10万倍。二、ICT的碳碳足迹及及对策20CBM处理将近近一亿个个人工神神经元；它的计计算能力力相当于于10000台个人电电脑，价价值50万美元。神经网络络计算机机二、ICT的碳碳足迹及及

13、对策神经计算算机21演化计算算机遗传算法法（Genetic Algorithm,GA）是模拟遗遗传选择择，优胜胜劣汰，适者生生存的生生物进化化过程的的计算模模型。它它是由美美国Michigan大学的J.Holland教授于1975年首先提提出的。GA是一种新新的全局局优化搜搜索算法法,简单通用用、鲁棒棒性强，适合并并行分布布处理，应用范范围广，尤其适适用于解解决传统统方法难难以解决决的复杂杂和非线线性问题题。二、ICT的碳足迹迹及对策策搜索引擎擎的使用用会消耗耗大量能能源，造造成巨大大的碳排排放量。运行用用户计算算机需要要电力，运行遍遍布世界界各地的的服务器器和控制制庞大的的数据中中心的温温度

14、更要要消耗大大量的电电力。哈哈佛大学学的一项项研究成成果表明明，通过过谷歌进进行一次次搜索会会产生7克的二二氧化碳碳，搜索索两次等等于煮一一壶水产产生的二二氧化碳碳。不过过谷歌对对此纠正正说，进进行一次次搜索会会产生近近0.2克碳排排放，1000次谷歌歌搜索产产生的温温室气体体仅相当当于美国国一辆汽汽车平均均行驶一一公里所所产生的的排放量量。22二、ICT的碳碳足迹及及对策对策:提高数据据中心速速度,降低能耗耗.提高搜索索模型和和算法实实行的速速度,服务器在在等量工工作中消消耗的能能源就会会减少。英国格拉拉斯哥大大学8月底发发布消息息称，他他们的科科学家通通过使用用使用双双赛灵思思现场可可编程

15、逻逻辑门阵阵列（XilinxFPGAs），执行行信息检检索和数数据库文文档过滤滤算法。结果发发现，FPGA系统的的搜索速速度比英英特尔安安腾-2双核处处理器要要快20倍。不不仅如此此，FPGA芯芯片所耗耗电能也也很小，每个芯芯片只需需要消耗耗1.25瓦特特的电能能，而安安腾处理理器则需需消耗130瓦瓦特，从而大大幅降低低碳排放放量。FPGAs能够够降低能能耗，提提升运行行速度，极具潜潜力，如如果将几几个FPGAs连接到到一个处处理器上上，将会会极大提提升运算算速度，而只留留下很少少的碳足足迹。将将其最终终应用到到网络服服务器上上，以加加快网络络搜索速速度，从从而降低低搜索引引擎工作作所需的的能

16、源和和碳成本本。23二、ICT的碳碳足迹及及对策“云计算算”制定定目标就就是为了了满足IT支撑撑系统高高性能、低成本本、可扩扩展、高高可靠性性的IT计算和和存储的的需要。采用“云计算算”这种种密集型型的数据据存储架架构，对对于IDC机房房设备与与能源的的消耗可可以起到到关键作作用。24二、ICT的碳碳足迹及及对策25CloudComputing云计算(CloudComputing)是分布式式处理(DistributedComputing)、并行处处理(ParallelComputing)和网格计计算(GridComputing)的发展，或者说说是这些些计算机机科学概概念的商商业实现现。云云计算

17、的的基本原原理是，通过使使计算分分布在大大量的分分布式计计算机上上，而非非本地计计算机或或远程服服务器中中，企业业数据中中心的运运行将更更与互联联网相似似。这使使得企业业能够将将资源切切换到需需要的应应用上，根据需需求访问问计算机机和存储储系统。，“云”会替我们们做存储储和计算算的工作作。“云”就是计算算机群，每一群群包括了了几十万万台、甚甚至上百百万台计计算机。云计算算将以互互联网为为中心，提供安安全、快快速、便便捷的数数据存储储和网络络计算服服务，使使得互联联网这片片“云”成为每每一个网网民的数数据中心心和计算算中心二、ICT的碳碳足迹及及对策26二、ICT的碳碳足迹及及对策云计算技技术将

18、对对IT产业和网网民生活活产生重重要影响响。对IT硬件厂商商、软件件厂商和和服务商商都将产产生重要要影响。管理软软件的开开发、部部署和应应用以至至于商业业模式都都将步入入云计算算时代。目前，亚亚马逊、谷歌、IBM、微软、雅虎等等均提出出了不同同的云计计算解决决方案，并建立立了各自自的云计计算平台台。阿里里巴巴、中国移移动研究究院、中中国电信信等是云云计算的的领跑者者。瑞星星、趋势势、卡巴巴斯基、MCAFEE、赛门铁铁克、江江民科技技、PANDA、金山、360安全卫士士、卡卡卡上网安安全助手手等都推推出了云云安全解解决方案案。信息通讯讯技术可可望大力力推动节节能减排排，提高高世界经经济的能能源和

19、碳碳效率。到2020年，信信息和通通信技术术可削减减78亿亿吨温室室气体排排放，相相当于目目前全球球碳排放放的15%，并同时时节省超超过9000亿美元元。信息通信信技术对对于节能能减排的的重要意意义主要要体现在在两个方方面。一方面，信息通通信产业业自身的的发展有有助于减减少社会会经济活活动对部部分物资资的消耗耗，从而而减少生生产这些些物资的的能源消消耗。另另一方面面，将信信息通信信技术应应用于其其他产业业可以带带来更大大的节能能效果，尤其是在在以下几几个领域域:27三、ICT促进低碳碳经济实现工业业用电机和工工业自动动化设备备的节能能化。如如果从现现在开始始充分借借助信息息通信技技术进行行技术

20、改改造，提提高工业业设备的的能源使使用效率率，那么么全球到到年有有望减少少亿吨二二氧化碳碳排放，所节约约能源的的价值达达亿美美元。28三、ICT促进低碳碳经济借助信息息通信技技术提高高货物运运输和存存储过程程中的能能源使用用效率，实现物物流业的的节能化化。此举举到年年有望减减少亿亿吨二氧氧化碳排排放，所所节约能能源的价价值达亿美元元。包括复杂杂卡车物物流管理理技术在在内的智智能运输输系统，能将全全球每年年的碳排排放削减减15.2亿吨。在欧洲洲，60%的车车队属于于卡车数数量不超超过6辆辆的公司司。如果果使用智智能运输输技术来来管理欧欧洲的卡卡车流量量，卡车车司机就就能合作作优化装装载量。这在德德国的一一些高速速路上已已经得到到验证29三、ICT促进低碳碳经济30三、ICT促进低碳碳经济建筑业是是全球仅仅次于工工业的第第二大能能源消耗耗产业，实现建建筑技术术的节能能化有望望到年年减少亿吨二二氧化碳碳排放，所节约约能源的的价值达达亿美美元。例例如，如如果将信信息通信信技术用用于改善善北美洲洲的建筑筑设计、建造和和管理，有可能能减少的的温室气气体排放放。在建筑物物中，可可以采用用更为精精密的技技术来监监控照明明、供暖暖和通风风系统。仅就美美国而言言，这可可以将商商用建筑筑行业每每年的能能源费用用降低近近30%。而在全