绿色计算

生态友好型计算或IT的研究和实践被称为绿色计算、绿色信息技术或ICT弹性。

绿色计算的目标与化学合成的目标相似：在产品整个生命周期中减少危险化学品的使用，最大限度地提高能源效率。最大限度地提高废弃制造和生产垃圾的可回收性或生物降解性。绿色计算对所有系统都至关重要，从个人电脑到大型信息中心。

许多企业IT部门都有绿色计算策略，以减少其IT运营对环境的影响。

“绿色计算”的概念也定义了其在帮助保护生态系统方面的作用。绿色计算以环保和生态友好的方式使用机器及其资产。从广义上讲，它是研究如何以对环境影响最小的方式构建、开发、制造、使用和处置计算系统。绿色计算，也称为绿色技术或绿色IT，已迅速上升到技术接受度排名。

绿色计算的起源

能源之星是美国环境保护署于1992年创建的一项强制性标签计划，旨在鼓励和认可显示器、温度控制设备和其他技术的节能。作为回应，睡眠模式已在商业设备中广泛使用。瑞典组织TCO Advancement同时启动了TCO认证计划，以提高基于CRT的显示屏的低磁电辐射。该计划随后扩展到包括对能源使用、舒适度和有害建筑材料使用的要求。

此后，政府、企业和环保组织推出了一系列举措来鼓励绿色计算。绿色计算活动包括硬件重用、废物最小化、数字化、云计算、节能和绿色生产。IT行业正在努力在所有领域实现绿色计算。

英特尔的2030年计划就是其中一个常见例子。该公司决心在其全球生产过程中实现水资源消耗、100%绿色电力和零垃圾填埋。目标如下：

• 利用技术提高安全性和保障性。
• 提高数字准备水平，使创新完全普及。
• 为应对气候变化，建立碳中和计算机。

绿色计算对环境有哪些好处？

从最原始的意义上讲，绿色计算减少了技术对环境的影响。这包括节约能源、最小化损失和促进长期可持续性。绿色计算旨在降低信息系统和系统行业及其相关业务的碳排放。绿色计算包括两种主要技术：能源效率和电子废物。减少资源使用和能源效率（CPU）、服务器和外围设备都具有能源效率。电子垃圾的正确倾倒称为电子废物。

行业努力和限制

经济合作与发展组织（OECD）发布了一份关于90多项与“绿色ICT”（即通信技术、生态系统和气候科学）相关的政府和企业努力的报告。该报告指出，阻止全球变暖和环境破坏的措施侧重于“绿色ICT”，而不是其最初的部署。只有20%的努力具有可量化的目标，其中联邦计划比私人组织更常见地包含目标。

1. 政府

许多政府机构已计划实施绿色计算友好型规范和法律。2006年10月，能源之星计划进行了更新，包括更严格的办公设备排放法规和经授权设备的等级排行榜。

到2008年，美国26个州已为过时的台式机和商业设备实施了全国范围的回收计划。根据法规，生产商必须为销售给客户的每件产品支付“预先回收费”，或者回收垃圾中的设备。巴拉克·奥巴马总统于2010年批准了《美国复苏与再投资法案》（ARRA）。根据该立法，将承诺约900亿美元用于绿色计划（能源效率、可再生能源、智能电网等）。

美国能源部于2010年1月从ARRA基金中拨款4700万美元，用于改善信息中心电力性能的计划。这些计划调查了数据中心硬件和系统优化、电气系统改进和冷却解决方案。

2. 制造

CSCI（气候节约计算倡议）旨在减少PC在活动和非活动状态下的用电量。CSCI提供了其成员协会的绿色产品列表，以及有关如何节省计算机电量的提示。

• 它始于2007年6月12日。该名称源于世界自然基金会于1999年启动的环境节约计划。世界自然基金会也是计算倡议的参与者。
• EPEAT（电子产品环境评估工具）由绿色计算委员会创建，旨在获取“更环保”的计算机系统。该委员会使用51项标准（23项强制性、28项可选）评估计算设备，以确定其生产力和长期可行性。它根据产品满足的替代要求数量获得金、银或铜评级。乔治·W·布什总统于2007年1月24日签署了第13423号总统令，要求美国所有政府机构在采购信息系统时使用电子产品环境评估工具。
• Green Grid是一家国际公司，旨在提高信息中心和虚拟化服务器环境的能源效率。它于2007年2月由戴尔、AMD、IBM、Rackable Systems、APC、惠普、英特尔、微软、SprayCool（2010年被Parker收购）、Sun Microsystems和VMware等公司成立。从那时起，Green Grid已发展到多个成员，包括最终用户和政府机构，他们都致力于优化数据中心基础设施的有效性（DCIE）。
• Green500列表根据其效率（每瓦兆浮点运算次数）对高性能计算机进行排名，从而促进效率而非功率和性能。
• Green Comm Competition是一个非营利组织，致力于在ICT（信息和通信技术）中推进节能方法和软件。
• TPC（事务处理性能委员会）能源定义通过允许能源测量与性能指标一起发布，有助于提高TPC评估。
• SPECpower是第一个针对计算机系统的行业标准评估，它分析功耗与生产力之间的关系。SPECvirt、SPECweb和VMmark是一些更节能的评估。

绿色计算策略

一个绿色计算程序必须解决这些方面，因为一个先进的IT系统依赖于不同的竞争、连接和技术。在开发解决方案时，最终用户体验、领导层重组、法规要求和投资回报率（ROI）可能都是需要考虑的因素。企业也有巨大的经济激励来掌握自己的能源使用。在可用的几种电源控制技术中，最有效的一种可能仍然是简单、普通的愚蠢方法。

1. 材料耐用性

根据Gartner的说法，PC生产方法消耗了PC整个生命周期所需自然资源的70%。富士通最近发布了一份计算机的（生命周期评估）LCA，该评估显示生产和成品占台式机环境足迹的大部分。因此，绿色计算的主要影响通常是延长工具的使用寿命。“考虑产品寿命，强调可扩展性和适应性，”Gartner的另一项研究指出。例如，生产一台新PC对环境的影响远大于生产一个新的RAM组件来改进旧PC。

2. 数据中心设计

数据中心基础设施是耗电大户，2010年占全球总能耗的1.1%到1.5%。据美国能源部称，数据中心基础设施的功耗是普通商业物业的100到200倍。

从IT基础设施到供暖、通风和空调（HVAC）设备，再到精确的地点、布局和施工阶段，高效的信息中心设计应处理数据中心中包含的所有功耗问题。

美国能源部确定了五个主要领域，应重点关注节能信息中心架构的最佳实践：

• 信息技术（IT）网络
• 环境状况
• 空气质量控制
• 制冷系统
• 电力系统

美国能源部推荐的另外两个节能设计选项是现场发电和余热再利用。节能的数据中心架构应有助于有效利用数据中心的空间，同时提高生产力和效率。

2018年颁布的三项新美国专利利用了采用内部和外部余热同时进行制冷和发电的设施设计。这三种设计都采用筒仓结构，以鼓励利用内部余热，同时使用循环空气冷却筒仓的计算单元。

例如，美国专利9,510,486使用流动的空气发电。相比之下，美国专利9,907,213则诱导相同空气的再循环，美国专利10,020,436则利用热温度波动实现负电能使用性能。负电能利用性能利用高温波动来维持计算机设施，否则这些设施将由计算所用能源以外的外部因素供电。

3. 设备和分配优化

• 算法效率：任何特定计算功能所需的桌面资源数量受技术性能的影响，并且在创建程序时存在各种效率权衡。从较慢（例如，线性）搜索方法转换为快速（例如，散列或索引）搜索算法可以将特定活动的资源利用率从显着降低到接近零。根据哈佛物理学家2009年的一项研究，平均一次Google搜索会排放7克二氧化碳（CO2）。另一方面，Google驳斥了这一统计数据，声称平均一次搜索仅产生0.2克CO2。
• 资源分配：信息还可以通过算法发送到功耗较低的信息中心。麻省理工学院、卡内基梅隆大学和Akamai的专家已经彻底测试了一种电力算法，该算法以最低的能源成本计算站点流量。专家们计算出，如果实施他们提出的方法，能源成本将降低40%。然而，这种策略并没有真正减少所使用的能源量；相反，它降低了使用它的公司的价格。然而，可以使用类似的方法来管理流量，以使用更环保或更有效的电力。已采用类似策略，通过将流量从遭受高温的网络基础设施转移开来降低功耗，从而允许系统关闭并避免冷却系统。
  大型服务器中心有时建在电力和面积便宜且充足的地区。当地可再生能源可能会影响绿色选址。这种温度允许使用外部空气进行制冷，或者将它们放置在它们产生的热量可以用于其他目的的地方。
  研究了通过适当的系统管理方法大幅降低网络设备功耗的策略。该研究将这些技术分为以下四种主要策略：
  1. 自适应链路速率（ALR）
  2. 接口代理
  3. 节能基础设施
  4. 最大限度地节能应用程序
  5. 虚拟化
  CPU内核的分离，就像在同一物理设备上交叉两个或多个逻辑计算机网络一样，被称为计算机虚拟化。该概念始于1960年代大型机计算机Windows OS，但直到1990年代才在x86兼容设备中普及。网络管理员可以使用虚拟化将多个物理机转换为一台功能强大的机器上的虚拟计算机，通过消除对实际硬件的需求来节省资源，并降低效率和功耗。
  虚拟化有助于工作负载分配，因此服务器要么处于繁忙状态，要么处于降低睡眠模式。许多企业和可访问的计划现在都提供软件平台来帮助转向虚拟计算。英特尔公司和AMD已将x86处理器架构中的专有虚拟机管理程序修改嵌入到其CPU产品中，以促进虚拟计算。
  新的数字方法，如操作系统级虚拟化，也可以帮助节省电力。这些方法更好地利用资源，从而降低功耗。此外，由于虚拟化技术融合比虚拟机聚合更有效，因此可以在相同的计算机系统中实现更多功能，从而降低所需硬件的成本。
• 终端服务器：绿色计算也利用了终端服务器。客户在桌面连接到中央数据库以使用平台；所有必要的计算都在服务器上进行。普通消费者在界面上看到操作系统。这些可以与虚拟服务器结合使用，虚拟服务器的功耗是传统工作站的1/8，从而降低了能源费用和利用率。将终端服务器与虚拟服务器结合使用以建立虚拟实验室的情况有所增加。Windows的终端服务和Linux操作系统的Linux远程桌面项目（LTSP）是桌面云平台的两个实例。

电源管理

操作系统可以使用ACPI（高级配置和电源接口）远程处理其硬件资源的节能组件，ACPI是一个既定的行业术语。这使得系统能够在闲置一定时间后关闭显示器和存储设备等设备。

相比之下，当大多数部件（例如处理器和计算机RAM）断电时，计算机可以休眠。ACPI取代了高级电源管理，后者是英特尔-微软的一项协议，允许设备的BIOS调节电源控制服务。

1. 数据中心电源

绿色计算倡导者关注数据中心，数据中心因其极高的用电量而受到批评。根据绿色和平组织的一项分析，数据中心占IT行业总电力需求的21%，即每年3820亿千瓦时。

存储聚合和虚拟化是信息系统可以用来提高其电力和区域效率的两种方法。几家企业正在努力减少未充分利用的服务器，从而降低能耗。美国联邦政府已设定目标，到2011年将数据中心能耗降低10%。谷歌公司通过一种自称超高效的蒸发制冷技术，已成功将其用电量降低到行业标准的一半。

2. 操作系统支持

自Windows 95以来，微软一直提供基本的计算机电源管理功能。最初，这些功能允许保持（挂起到RAM）和减少的显示器阶段。休眠（挂起到磁盘）和ACPI功能在后来的Windows版本中实现。第一个具有能源管理的基于NT的操作系统是Windows 2000。这需要对系统架构和新的设备控制器方法进行重大修改。Windows 2000还具有组策略，这是一个允许管理员从集中点自定义大多数Windows功能的工具。另一方面，电源管理不是这些特性之一。这很可能是由于电源控制参数的结构，它依赖于一组链接的每个用户和每个机器的二进制数据库条目，从而允许每个客户建立自己的电源控制配置。

微软设计功能的动机尚不清楚，并引发了大量批评。在Windows Vista中，微软通过重新设计电源控制过程以允许通过组策略进行基本自定义，显着增强了这一点。提供的帮助减少到每个设备的特定订阅。此策略在Windows XP中被复制，尽管它与Windows权限不兼容。

3. 电源供应

个人电脑的电源会将剩余能量以热量的形式散发掉，效率通常为70-75%。80 Plus计划认证效率至少为80%的电源。这些技术可以很容易地替代早期效率较低的相同紧凑型设计的电源。截至2007年7月20日，所有经过可再生能源之星4.0认证的电脑电源效率应至少达到80%。

4. 存储空间

小尺寸（例如2.5英寸）存储设备每GB能耗低于物理尺寸较大的设备。固态硬盘（称为硬盘驱动器）将信息存储在闪存或DRAM中。由于没有机械部件，基于闪存的最小产品的能耗可以略微降低。

随着硬盘驱动器价值的下降，存储阵列已选择提高其在线提供更多信息的能力。这包括以前保存在磁带或其他离线媒体上的恢复和存档数据。在线备份的增加导致能源使用量的增加。大型存储设备需要大量电力。因此，降低其功耗，同时提供互联网存储的优势，正在进行中。

5. 显卡

功能强大的显卡可能是系统中功耗最大的组件。以下是一些节能的不同选项：

• 如果需要屏幕，请使用通用接口、共享专用线路或远程桌面软件（如果没有显卡）。
• 使用主板上的视觉质量——它具有适度的3D功能，功耗更低。
• 选择空闲功耗最低、平均功耗最低或每瓦效率更高的显卡。

6. 显示器

与其他屏幕技术不同，数字纸在显示图片时不会消耗任何电力。阴极射线管显示器的功耗高于液晶显示器。它们还含有大量的铅。通常，冷阴极荧光灯点亮LCD的屏幕。一些现代显示器用发光二极管（LED）阵列取代荧光灯泡，这减少了面板所需的电能。液晶显示器背光不含硫柳汞。然而，荧光背光确实含有。

在新兴的屏幕技术上，如OLED，一种光暗色调色板，通常称为暗模式。它是一种消耗更少电量来生产的色调色板。这对电池性能和功耗具有积极影响。尽管OLED在显示主要是黑色图像时将使用LCD约40%的电量。但在显示白色背景图形时（如纸张或网页），它可以使用三倍以上的电量。除非使用光暗色方案，否则这可能会导致电池性能和功耗缩短。

随着Android 10的到来，Google已透露将提供真实的深色主题。根据2018年《科学新闻》的一份报告，“深色模式对视力和电池更有利”，在带有OLED屏幕的Pixel xl上，以最大亮度显示白色所需的能量几乎是完全黑色的六倍。2019年，苹果透露，在iOS 13和iPadOS中，将在所有React Native应用中提供光暗主题。第三方开发人员也可以创建自己的深色模式。

绿色计算认证和教育

1. 绿色计算倡议

本科和研究生课程教授各种技术专业和生态方法，以教导学习者如何创建和管理网络，同时最大限度地减少其对环境的影响。作为其数据科学和工程硕士课程的一部分，澳大利亚国立大学（ANU）提供“ICT可持续性”。阿萨巴斯卡大学提供类似的课程“绿色ICT方法”，该课程改编自汤姆·沃辛顿的ANU课程材料。英国利兹贝克特大学提供全日制和非全日制MSc环境计算课程。

2. 绿色计算认证

以下是一些认证，表明一个人拥有专业的绿色计算专业知识：

• 绿色计算倡议提供CGCUS（认证绿色计算用户专家）、CGCA（认证绿色计算架构师）和CGCP（认证绿色计算专业人员）资格。
• CompTIA Strata Green IT考试面向IT高管，以证明他们了解绿色IT实践和方法以及它们对整合到业务中的重要性。
• ISEB（信息系统考试委员会）的绿色IT基础执照非常适合证明对绿色计算的全面了解和接受以及其应用可能有所帮助的领域。
• SiTF（新加坡信息通信技术联合会）的新加坡认可绿色IT专家认证是通过SiTF认可的讲师提供的行业认可的专业级认证。
• 认证需要一个为期四天的教学基础课程和一个由授权提供商提供的一日替代课程。
• 澳大利亚计算机协会（ACA）是一个致力于CPEP（计算机专业教育计划）“存在”方面的非营利组织。ACS提供“绿色技术方法”专业化。您必须完成一个由Tom Worthington编写的为期12周的带写作指导的电子学习课程才能获得许可证。

绿色计算常见问题解答

以下是一些关于绿色计算的常见问题（FAQs）：

1) 什么是绿色计算？

绿色计算，也称为绿色IT或可持续计算，是指以环保方式设计、生产、使用和处置计算机系统及其他信息技术（IT）附加组件的方法。

2) 为什么绿色计算至关重要？

绿色计算对于减少IT专业化对环境的影响至关重要。它旨在降低功耗、使用环保物质并促进回收以减少电子废物。

3) 绿色计算如何促进环境保护？

绿色计算通过降低功耗、促进回收、减少电子垃圾以及在IT设备的生产中使用环保物质来促进环境保护。

4) 绿色计算的关键组成部分有哪些？

绿色计算的关键组成部分包括增强型硬件、虚拟化、高效冷却功能、高效处置方法以及可再生能源的利用。

5) 组织如何开展绿色计算实践？

组织可以通过采用节能硬件、优化数据操作、处理虚拟化、促进远程办公以及执行适当的电子废物处置流程来实施绿色计算实践。

6) 能源效率在绿色计算中的作用是什么？

能源效率在绿色计算中至关重要，因为它有助于降低IT系统的总功耗。这可以通过使用节能硬件、电源管理工具以及优化软件程序和基础设施来实现。

7) 虚拟化如何促进绿色计算？

虚拟化允许在一台物理系统上运行多个虚拟机，从而优化资源利用率并减少对额外硬件的需求。这会降低功耗并减少碳足迹。

8) 什么是电子废物，绿色计算如何处理它？

电子废物是指报废的电子设备。绿色计算通过回收电子元件、负责任的处置方法以及使用对环境破坏较小的材料来解决电子废物问题。

9) 我们如何在家里实践绿色计算？

个人可以在家中通过使用节能设备、在不使用时关闭电子产品、回收旧电子设备以及了解其数字行为对环境的影响来实践绿色计算。

10) 绿色计算未来有哪些发展趋势？

绿色计算的未来趋势可能包括开发更节能的技术、增加在IT运营中使用可再生能源，以及在电子设备的设计和生产中整合可持续性考量。

这些常见问题提供了绿色计算及其在提升环境可持续IT实践方面重要性的基本概念。

结论

简而言之，绿色计算是减少IT对环境影响的关键方法。为了节约能源、提高可靠性、高效利用资源和减少浪费，它鼓励技术的可持续性。采纳绿色计算实践不仅有助于保护环境，还能节省开支和资金。