先进技术驱动下的ＩＣＴ绿色创新

【摘要】文章在简要描述国际社会对节能减排、绿色创新充分关注及ICT面临的新挑战基础上，详细论述各类先进技术驱动下的绿色创新问题，这些技术包括：绿色刀片系统与绿色存储及动态节能、云计算及XaaS（X=S，H，P，W，D，L）、绿色基站及绿色TD-SCDMA系统、高效率编码与信号设计/信号处理技术、绿色手机融合平台与绿色手机、信息通信基础设施共建共享技术绿色创新及信息化与工业化融合推进节能减排与绿色创新。

【关键词】节能减排 绿色创新 ICT 绿色刀片系统 绿色存储 云计算 共建共享

1 引言

全球气候环境反常变化引发各类灾难性事件及生态环境的恶劣变迁，1970年以来全球室温气体（GHG）排放量上升了70%，如不加控制，至2030年GHG排放量将再增加25%～90%左右，会逐步带来灾难性影响。各国政府及诸多企业与组织高度重视，1997年175个以上国家签字的“京都议定书”提出了减少与限制GHG排放约束性承诺，其第一承诺期为2008～2012年。ICT对环境的负面影响长期为人们忽视与低估，实际上一些估算表明，现今ICT业的CO2排放量已超越航空业，并正以更高速度在攀升。2007年的ITU WRC-2007会上聚集了240位代表设六个分会研究讨论ICT如何帮助减缓与应对气候变化与环境污染。因此，2008年7月ITU成立了一个涉及ICT节能减排、绿色创新方面的新的热点研究组（Focus Group），加速研究其解决途径，一方面ICT自身减少温室气体排放，另一方面则是利用ICT技术有效减少能源、交通、建筑等其它行业的节能减排。2009年的20国领袖伦敦峰会G20上，除一些领导人的“低碳”出行及对国际货币基金组织IMF新增高达5000亿美元的货币储备引人注目外，亦很重视全球环境与绿色创新；20国集团占全球经济的85%，人口占全球的64%，其行动对全球经济与环境发展走向有重要影响力。

在上述背景下，本文以一些与节能减排和绿色创新方面与ICT产业发展密切相关的具潜在战略重要性的新一代先进技术为重点进行讨论，供分析参考。

2 绿色刀片系统与绿色存储及动态节能[1]

2.1 绿色刀片

刀片服务器（Blade Server）最大特色为计算密度高，结构紧凑、节约空间，薄片模块式接插、易于扩展，便于集中管理及可提供不间断服务，因此受到企业的广泛欢迎。目前正从大企业高性能计算向中小企业（SMB）普及应用方向拓展。在ICT绿色进程中，刀片服务器注定将扮演一个重要角色，担当起更多绿色重任。

目前，已有三大新一代绿色刀片系统创新技术，即洞察管理技术（HP Insight Control），热量智能控制技术（HP Thermal Logic）及虚拟连接技术（HP Virtual Connect）。洞察管理技术使用户可通过单一控制台实现物理和虚拟服务器、存储、网络、电源及冷却系统的统一自动化管理，使管理效率提升达10倍，管理人员配备比可达1:200的高效率。热量智能控制提供了嵌入式温度测量与控制能力，可根据工作负荷需求及环境变化进行温控，此时将刀片服务机箱分割成网格状，根据不同网格温度设定供电与冷却标准以平衡热量，可使耗电量减少70%，并可节约出宝贵的机架空间。虚拟连接技术通过I/O虚拟化将电缆数量减少94%，并可一次性完成所有连接，原先数小时、数天才能完成的工作，现仅需几分钟即可快速进行服务器添加、替换或恢复，大大提升效率。这些创新技术还充分体现在一些关键节能组件上，如主动散热（Active Cool）风扇高风量、高风压、低噪声，自身功耗降低达50%，可为数据中心减少能耗50%；又如动态功率节能装置根据需求自动调节电源供应，每年20个功率为0.075kW的机箱约可节省5545美元的能耗成本，殊为可观。

2.2 绿色存储与动态存储

数据的爆炸性增长是数据中心存储系统能耗持续增长的关键，截至2006年，全球创建、存储和复制的数字信息总量已达1610亿GB，预计2010年将达9880亿GB，相当人类有史以来全部书籍信息的1500万倍，按此速度，存储设备应用亦将按Moore定律速度18个月翻一番，而且多数应用还要求24小时连续运行，从而绿色存储亦成严峻挑战。

有传统的磁盘存储，包含磁头、电机、盘片等机械技术，具有体积大、沉重、运转时受振荡易损坏、庞大存储空间充斥震耳欲聋的机器噪声等诸多缺点，存储技术的进一步升级换代还在进行中。固态硬盘（SSD，Solid State Disk）便是其中的一种，它由固态电子存储芯片阵列组成，没有普通硬盘的旋转介质，存取速度更快、防震抗摔、轻便、易携、静音、发热量小、耗能低等优点。近二年多来，SSD已在便携设备中站稳脚跟，手机、MP3、数码相机中的内置闪存即属SSD，已进入笔记本电脑领域，其触角已伸向企业级存储系统。

另一种更有吸引力的是借助电子自旋进行存储、读取的新技术，如IBM开发的代号为“Racetrack”的新存储设备。它以磁气物质为存储介质，利用电子自旋进行数据存储、读取等操作，位置变换通过控制电子脉冲的移动时间实现。内部无可动部件，不存在机械磨损问题及记录寿命问题，单盘存储容量可达100TB左右，从而更好地克服了传统硬盘与SSD的缺陷，未来10年内可望实用。

此外，与下述云计算相对应，应解决相应超大容量集群式快速、分布、动态的云存储问题，因为从现行网络存储架构看，很难设想SAN（Storage Area Network）及NAS（Network-Attached Storage）能有效支撑此无处不在的云计算环境，事实上Google在现有云计算搜索环境中即未采用SAN架构，而是使用了Google可扩展的分布式文件系统GFS（Google File System），这是一种高效率的集群存储系统。

3云计算及XaaS（X=S，H，P，W，D，L）[1]

所谓云计算，就是“随需应变服务”的延伸，即服务提供商按照用户不断变化的需求，通过分布式资源共享，及时提供相应的硬件、软件和服务。云计算模式使计算不仅仅局限在以往的本地机器或远程服务器场（Remote Server Farms），而是通过架构一个分布式、可全球访问的资源结构，使数据中心在类似互联网的环境下进行计算运行。云计算的体系架构可作如下简要描述：其主体部分为由多台服务器（服务器池）构成的计算云团，直接与监控测量及配置工具模块（或子系统）紧密相连接，配置工具又与系统管理器及服务分类设备相连接，系统管理器与监控测量设备紧密交互，用户经过用户交互界面与服务分类设备及系统管理器传送需求信息，从而相互有机协同运作，进行云计算“随需应变服务”。

云计算的有效资源共享及普及服务对绿色数据中心建设无疑有重要战略价值，但亦应看到，这依然处在热炒、起步阶段，还需在应用中检验、探索与完善，它仍将面临一系列挑战，如多种产品的标准化与协同、互操作，可能后向兼容资产的最大限度利用，用户身份信息大量存储后的有效隐私保护，借助互联网环境下的网络带宽能力与安全性保证，不同企业用户类别的云计算市场适应能力等， 均为现实挑战，需认真应对。但不管怎样，以云计算及服务为中心的XaaS（X=S，H，P，W， D，L）在未来信息通信产业与全球信息化发展中将发挥无可限量的战略作用。

4 绿色基站及绿色TD-SCDMA系统[2]

基站是通信能耗的重要环节，因此绿色基站建设非常重要。但基站主设备通常仅占站点一次性投资的30%左右，其余成本主要集中在站点配套设备、机房获取、传输设备、天馈系统、电源系统等方面，这涉及节能、节材、节地、节成本、循环回收、环境影响及社会信息化等因素，因此这实质是一个全方位绿色创新的绿化产业链问题。

对基站能耗主要部件高功放HPA通常采用收信反馈证实型数字预失真CFR+DPD等措施，扩展线性放大运行区，降低能耗，可使功放效率高达20%以上，可降低RRU整体功耗达30%～40%左右；对基带处理板可采用业界最先进高速、高密度、低功耗芯片，可降低BBU整体功耗每载波达37%左右；借助RNC话务量统计采取智能单板自适应开闭方式降低整机功耗达18%～36%左右；时隙智能节电可将话务低流量时段自动关闭无信号时隙可进一步降低RRU非忙时功耗；对设备、空调、电源等取智能下电技术约可节约电量达41%左右，以10000个基站大约一年能节省1亿度电计，若按1kg标准煤发3度电标准估计，约可节省3.8万吨煤，减少9.7万吨二氧化碳排放量，相当于2.5辆典型轿车的年行驶排放量，极为可观。此外，对利用太阳能及风能有效的地方可利用太阳能、风能发电，其能量生成成本相对很低、几乎为零，并可大大减少二氧化碳排放量。

对有效节省机房空间、灵活系统配置及有利未来网络的经济而快速有效平滑升级等绿色创新而言，以分布式基站及SDR概念支持的分布式软基站进展亦十分重要。分布式基站是相对传统的射频与基带部分组合在一起的集中式基站而言的，它将基带、射频部分分别被独立成全新功能模块BBU（Base Band Unit）和RRU（Remote RF Unit），其间用标准基带射频接口CPRI/OBSAI及光纤传输进行连接。RRU集成了传统基站的TRX/PA/RFE三个射频单元，外部用满足IP55标准的防护外壳，通常RRU置于室外，有抱杆、挂墙、上塔、集中柜等多种安装方式，毋需室内机房空间；BBU为高集成设计，体积大大降低，一般置室内，可挂墙或机架式安装。在室内覆盖场合，可把RRU挂墙安装于所需楼房，BBU安装在地下室与楼道等相应位置，RRU与BBU可按不同场景需要，拉开距离、分布式灵活配置。为满足系统未来灵活快速地进行平滑前向演进，此分布式基站采用软件定义的无线电SDR技术升级，例如由3G只需通过软件升级及更换少量基带单板即可支持未来4G网络，其主要特点有如：真正的SDR，支持各种无线制式（CDMA/WCDMA/GMS/GPRS/EDGE/TD-SCDMA/WiMAX/UMB/LTE等）；系列化RRU/BBU产品，可实现全方位、不同场景立体式覆盖，满足运营商各种不同建网需求；RRU/BBU集成度高、容量大、体积小、重量轻、安装维护方便，节能环保，降低运营商的CAPEX及OPEX投资成本，广为市场欢迎。

5 高效率编码与信号设计、信号处理技术[2]

这方面有枚不胜举的不断创新的一系列新技术出现，使系统容重/吞吐能力与频谱有效利用能力成倍、甚至量级性提升，对此毋需细节论述，只需给出一些定量概念即容易理解这对系统更新换代与系统绿色化有多大作用。

视频压缩编码由MPEG-2至H.264/AVC MPEG-4-Part 10/AVS可使带宽压缩为1/2左右，再演进成H.264+/H.265还可再压缩一倍左右，加上信道调制技术与信号设计技术改进即可使数字化载波视频传迸取得量级性视频压缩改进；由单入单出SISO信道向多入多出MIMO信道迈进，采用MIMO-STFC技术后即可能使信道传输效率随天线数而线性递增，原来只能具备2～2.5bit/s/Hz左右传输频谱利用效率的系统用可能实现的收发8天线技术，即可望使频谱利用效率提升至18～20bit/s/Hz，何等可观；进而更高频谱效率的信号设计技术亦在探索研究中，以一些研究报导的超高频谱效率的所谓超窄带UNB为例，频谱利用效率有可能提升至30～50bit/s/Hz、甚至100bit/s/Hz或更高，殊为惊人！比特层域与分组层域信道FEC技术，诸如Turbo码（TBC/TPC）、LDPC码及PEPC码的FEC技术可使SISO信道功率利用效率达数dB改善而逼近Shannon极限；再一个例子即为网络编码技术，在解决同等带宽吞吐能力前提下, 此整体网络将展现其成倍节能减排能力，从而达到绿色创新的效益。

网络编码从广义上来讲，是网络中的节点将接收到的信息进行编码后再转发出去的一种多点组播（Multicast）传送技术。网络编码技术自9年前诞生以来，可以说基本上藏身于各大学和实验室中而鲜为人知，这是一种编码算法，支持者们声称它可以将现有的网络吞吐量提高一倍，同时还能改善网络的可靠性和防范攻击的能力；最热心的支持者们甚至说，该技术将会引发网络的下一代革命；其他人则普遍认为，网络编码技术更有可能会潜移默化地改变目前基于路由的网络架构。

6绿色手机融合平台与绿色手机[3]

手机终端始终为任何制式移动通信发展的瓶颈，亦为移动通信快速演进发展的亮点与风向标。全球移动通信及手机数量的飞速发展，必然导致绿色手机及多业务绿色手机融合平台的研制开发有巨大潜在战略价值。绿色手机创新，可首先使手机绿色低功率运作；同时可进一步改进电池技术及节电算法；此外，在显示器及多业务融合平台方面亦大有绿色创新空间存在。

目前，中国移动G3品牌以2G/2G+网为依托、以TD-SCDMA/TD-3G+为增强，积极推进TDD/FDD双网融合，并进尔提议全方位、各层面的全球LTE-TDD/FDD融合目标。首先包括双模终端；同时，为有效推进移动互联业务发展，在核心层面，在C-IMS/SIP基础上， 扩展引入借助P2P技术的分布式业务网络DSN；并提出支持Mobile Widget的应用平台BAE（Browser based Application Engine），以真正能逐步形成有效的所谓移动商店与市场（Mobile Store and Market）。此外，构建以开源、开放为基础的上述Android平台构通的移动终端平台OMS，以此定制旗舰2G/3G融合型手机OPhone，以高、低两头为重点，以解决TD-SCDMA 3G终端与应用这一薄弱环节。

未来发展趋势方面，多频、多模、多制式、弃构系统协同工作的融合平台是手机技术高端发展方向。借助芯片制程工艺、人工磁导体、 射频微机电系统、隔离磁偶极子（IMD，Isolated Magnetic Dipole）天线技术、多带天线、可重构天线，加上优良的高速大容量芯片技术与包括有业务、环境感知的认知无线电CR的扩展软件无线电在内的现代自适应信号处理技术等，彼此有机协同工作，构建一种未来泛在便携型融合平台是可以期望的。可望以精小的尺寸与重量及可操作的耗电，集成各种业务功能于其中，包括3G/3G演进、Wi-Fi/WiMAX/UWB/Bluetooth、NFC/ZigBee/RFID、Mobile-TV、GPS/GIS、认知无线电型动态频谱管理、数十GB硬盘存储与数百MB与数GB闪存盘等各类个性/个体化泛在实用的东西, 均集成融合于此统一的平台之中，可获得大规模量产及细分市场进一步剪裁，以取得吸引用户的信价比及市场可持续扩展与发展的实力。

7 信息通信基础设施共建共享技术绿色创新[3]

面对新一轮电信重组及三大运营商快马加鞭积极规划筹备各自3G网络建设之际，为减少电信重复建设及各运营商网络建设TCO，提高电信基础设施利用率，经广泛调研与紧急磋商，工业和信息化部与国资委于2008年10月6日联合发布了“关于推进电信基础设施共建共享的紧急通知”（即工信部联通[2008]235号文，“紧急通知”），这将成为今后电信行业改革和发展的一项重要工作，也是深入贯彻落实科学发展观及建设资源节约型、环境友好型社会的重要举措，一时引起了运营商、制造商、各类相关企业与中界机构、第三方及专家学者十分关注，举国上下积极评价与探索其可行的执行途径与实施策略。

从技术层面观察，共建共享电信基础设施不仅需要技术创新支持，更可能催生技术创新。例如，ZTE基于射频单元可编程的SDR型V+软基站家族，可实现2G/3G（GSM/WCDMA，CDMA/WiMAX/TD-SCDMA等）融合平台多标准共站建设；诺西的Flex多模基站，模块化设计、安装简单，不需机柜和机房安装及空调，软件配置射频单元实现多制式平台共享与快速建网；爱立信管塔式站址共享，可节省占地，容纳多套基站设备，无需空调及馈电与冷却系统，比传统基站功耗低40%；普天多芯光缆基站节点分布式系统，接续方便，降低成本，易于后续网络优化与扩展，这些均为明显示例。

8 信息化与工业化融合推进节能减排及绿色创新

党的十七大提出的信息化与工业化融合的方针无疑将对我国工业化进程与信息社会建设产生巨大战略影响，这亦是对“信息化带动工业化，工业化促进信息化”更深化的认识与落实，使我国不再沿袭先进工业化国家工业化进程老路，促使我国快速缩小与国际上先进工业国家的差距，真正走出一条两化融合、环境和谐发展的现代工业化之新路。

我国工业产值约占GDP的45%，为大头，而其中制造业又占80%左右，由此两化融合首先要体现于制造业融合。我国制造业规模与总量不小，但效率与效益不够高，以其物流为例即较落后，我国物流费占GDP总量的18%左右，相当大，而制造业物流费又占社会物流费总额的75%左右，极为可观，因此，充分利用信息技术使制造业与物流业对接联动，形成现代化供应链管理，提升制造业效益，同时亦可在宏观上有利降低物流的巨大能耗。进而, 可借助信息技术实现制造业转型，将企业由目前“大而全”、“小亦全”的落后模式，转变为“专注核心业务，辅助业务外包”的先进模式；借助网络技术使制造企业结构扁平化，实现网络制造模式，由技术集成转为企业集成，减少重复建设与资源浪费，有效利用社会资源，提高企业效率及效益。为满足用户对装备大容量、高性能、自动化等要求，必须在其产品与装备融入信息技术，使之数字化、智能化，使用户运行能节能、节水、节材及减排，提高产品与装备水平与竞争力。同时，使信息化、数字化技术装备整个企业制造、管理，使之自动化、数字化、智能化，进行平行设计、协同设计、数控制造，提高制造效率、确保产品质量，并实施节能减排、循环制造。此外，借助信息技术可实施制造业由生产制造型向定制服务型转变，借助服务与生产制造融合进行有效增值，此时向用户提供的不光是产品，还包括依托于产品的一揽子整体解决方案，使我国制造业尽快跟紧世界潮流，使制造业由价值链低端逐渐走向高端。最后， 应充分利用信息技术实施全面绿色制造，节能减排、绿色创新；应在设计环节即考虑到产品可拆卸、可维护、可回收，在制造过程中充分贯彻节能减排、循环利用及循环制造。对用能大户如锅炉、电动机、发电设备、内燃机等尤要贯彻此绿色制造理念，例如，借助信息技术开发生产供热与热电型联产用工业锅炉、高效燃煤锅炉、清洁燃烧锅炉、余热余压循环利用、超临界与超超临界火电机组、新型高效热电材料、节能型风机水泵与压缩机、超高效率三相异步电动机、电控增压车用汽油机、节能环保内燃机等新产品已，成为装备制造业的一个重要紧迫任务。

总之，ICT及信息化与工业化融合推进节能减排及绿色创新将大有可为！

参考文献

[1]陈如明. 先进技术驱动下的节能减排与绿色创新——绿色刀片系统、绿色存储与云计算[J]. 移动通信, 2008(16).

[2]陈如明. 先进技术驱动下的节能减排与绿色创新——网络编码、绿色基站及绿色TD-SCDMA系统[J]. 移动通信, 2008(17).

[3]陈如明. 先进技术驱动下的节能减排与绿色创新——绿色手机融合平台、信息化与工业化融合推进[J]. 移动通信,2008(23).

[4]陈如明. 共建共享电信基础设施发展策略思考[J]. 移动通信,2009(3-4). ★

【作者简介】

陈如明：教授，主任高级工程师。工业和信息化部通信科技委副主任及国家无线电管理机构原副局长兼总工程师，中国国家无线电频率规划专家咨询委员会主任。曾主持和参加多种科研项目，获多项国家级、部级奖励及国家科学研究突出贡献特殊津贴。发表中英文论文250多篇，出版专著4本。