先進技術驅動下的ＩＣＴ綠色創新

【摘要】文章在簡要描述國際社會對節能減排、綠色創新充分關注及ICT面臨的新挑戰基礎上，詳細論述各類先進技術驅動下的綠色創新問題，這些技術包括：綠色刀片系統與綠色存儲及動態節能、云計算及XaaS（X=S，H，P，W，D，L）、綠色基站及綠色TD-SCDMA系統、高效率編碼與信號設計/信號處理技術、綠色手機融合平臺與綠色手機、信息通信基礎設施共建共享技術綠色創新及信息化與工業化融合推進節能減排與綠色創新。

【關鍵詞】節能減排 綠色創新 ICT 綠色刀片系統 綠色存儲 云計算 共建共享

1 引言

全球氣候環境反常變化引發各類災難性事件及生態環境的惡劣變遷，1970年以來全球室溫氣體（GHG）排放量上升了70%，如不加控制，至2030年GHG排放量將再增加25%～90%左右，會逐步帶來災難性影響。各國政府及諸多企業與組織高度重視，1997年175個以上國家簽字的“京都議定書”提出了減少與限制GHG排放約束性承諾，其第一承諾期為2008～2012年。ICT對環境的負面影響長期為人們忽視與低估，實際上一些估算表明，現今ICT業的CO2排放量已超越航空業，并正以更高速度在攀升。2007年的ITU WRC-2007會上聚集了240位代表設六個分會研究討論ICT如何幫助減緩與應對氣候變化與環境污染。因此，2008年7月ITU成立了一個涉及ICT節能減排、綠色創新方面的新的熱點研究組（Focus Group），加速研究其解決途徑，一方面ICT自身減少溫室氣體排放，另一方面則是利用ICT技術有效減少能源、交通、建筑等其它行業的節能減排。2009年的20國領袖倫敦峰會G20上，除一些領導人的“低碳”出行及對國際貨幣基金組織IMF新增高達5000億美元的貨幣儲備引人注目外，亦很重視全球環境與綠色創新；20國集團占全球經濟的85%，人口占全球的64%，其行動對全球經濟與環境發展走向有重要影響力。

在上述背景下，本文以一些與節能減排和綠色創新方面與ICT產業發展密切相關的具潛在戰略重要性的新一代先進技術為重點進行討論，供分析參考。

2 綠色刀片系統與綠色存儲及動態節能[1]

2.1 綠色刀片

刀片服務器（Blade Server）最大特色為計算密度高，結構緊湊、節約空間，薄片模塊式接插、易于擴展，便于集中管理及可提供不間斷服務，因此受到企業的廣泛歡迎。目前正從大企業高性能計算向中小企業（SMB）普及應用方向拓展。在ICT綠色進程中，刀片服務器注定將扮演一個重要角色，擔當起更多綠色重任。

目前，已有三大新一代綠色刀片系統創新技術，即洞察管理技術（HP Insight Control），熱量智能控制技術（HP Thermal Logic）及虛擬連接技術（HP Virtual Connect）。洞察管理技術使用戶可通過單一控制臺實現物理和虛擬服務器、存儲、網絡、電源及冷卻系統的統一自動化管理，使管理效率提升達10倍，管理人員配備比可達1:200的高效率。熱量智能控制提供了嵌入式溫度測量與控制能力，可根據工作負荷需求及環境變化進行溫控，此時將刀片服務機箱分割成網格狀，根據不同網格溫度設定供電與冷卻標準以平衡熱量，可使耗電量減少70%，并可節約出寶貴的機架空間。虛擬連接技術通過I/O虛擬化將電纜數量減少94%，并可一次性完成所有連接，原先數小時、數天才能完成的工作，現僅需幾分鐘即可快速進行服務器添加、替換或恢復，大大提升效率。這些創新技術還充分體現在一些關鍵節能組件上，如主動散熱（Active Cool）風扇高風量、高風壓、低噪聲，自身功耗降低達50%，可為數據中心減少能耗50%；又如動態功率節能裝置根據需求自動調節電源供應，每年20個功率為0.075kW的機箱約可節省5545美元的能耗成本，殊為可觀。

2.2 綠色存儲與動態存儲

數據的爆炸性增長是數據中心存儲系統能耗持續增長的關鍵，截至2006年，全球創建、存儲和復制的數字信息總量已達1610億GB，預計2010年將達9880億GB，相當人類有史以來全部書籍信息的1500萬倍，按此速度，存儲設備應用亦將按Moore定律速度18個月翻一番，而且多數應用還要求24小時連續運行，從而綠色存儲亦成嚴峻挑戰。

有傳統的磁盤存儲，包含磁頭、電機、盤片等機械技術，具有體積大、沉重、運轉時受振蕩易損壞、龐大存儲空間充斥震耳欲聾的機器噪聲等諸多缺點，存儲技術的進一步升級換代還在進行中。固態硬盤（SSD，Solid State Disk）便是其中的一種，它由固態電子存儲芯片陣列組成，沒有普通硬盤的旋轉介質，存取速度更快、防震抗摔、輕便、易攜、靜音、發熱量小、耗能低等優點。近二年多來，SSD已在便攜設備中站穩腳跟，手機、MP3、數碼相機中的內置閃存即屬SSD，已進入筆記本電腦領域，其觸角已伸向企業級存儲系統。

另一種更有吸引力的是借助電子自旋進行存儲、讀取的新技術，如IBM開發的代號為“Racetrack”的新存儲設備。它以磁氣物質為存儲介質，利用電子自旋進行數據存儲、讀取等操作，位置變換通過控制電子脈沖的移動時間實現。內部無可動部件，不存在機械磨損問題及記錄壽命問題，單盤存儲容量可達100TB左右，從而更好地克服了傳統硬盤與SSD的缺陷，未來10年內可望實用。

此外，與下述云計算相對應，應解決相應超大容量集群式快速、分布、動態的云存儲問題，因為從現行網絡存儲架構看，很難設想SAN（Storage Area Network）及NAS（Network-Attached Storage）能有效支撐此無處不在的云計算環境，事實上Google在現有云計算搜索環境中即未采用SAN架構，而是使用了Google可擴展的分布式文件系統GFS（Google File System），這是一種高效率的集群存儲系統。

3云計算及XaaS（X=S，H，P，W，D，L）[1]

所謂云計算，就是“隨需應變服務”的延伸，即服務提供商按照用戶不斷變化的需求，通過分布式資源共享，及時提供相應的硬件、軟件和服務。云計算模式使計算不僅僅局限在以往的本地機器或遠程服務器場（Remote Server Farms），而是通過架構一個分布式、可全球訪問的資源結構，使數據中心在類似互聯網的環境下進行計算運行。云計算的體系架構可作如下簡要描述：其主體部分為由多臺服務器（服務器池）構成的計算云團，直接與監控測量及配置工具模塊（或子系統）緊密相連接，配置工具又與系統管理器及服務分類設備相連接，系統管理器與監控測量設備緊密交互，用戶經過用戶交互界面與服務分類設備及系統管理器傳送需求信息，從而相互有機協同運作，進行云計算“隨需應變服務”。

云計算的有效資源共享及普及服務對綠色數據中心建設無疑有重要戰略價值，但亦應看到，這依然處在熱炒、起步階段，還需在應用中檢驗、探索與完善，它仍將面臨一系列挑戰，如多種產品的標準化與協同、互操作，可能后向兼容資產的最大限度利用，用戶身份信息大量存儲后的有效隱私保護，借助互聯網環境下的網絡帶寬能力與安全性保證，不同企業用戶類別的云計算市場適應能力等， 均為現實挑戰，需認真應對。但不管怎樣，以云計算及服務為中心的XaaS（X=S，H，P，W， D，L）在未來信息通信產業與全球信息化發展中將發揮無可限量的戰略作用。

4 綠色基站及綠色TD-SCDMA系統[2]

基站是通信能耗的重要環節，因此綠色基站建設非常重要。但基站主設備通常僅占站點一次性投資的30%左右，其余成本主要集中在站點配套設備、機房獲取、傳輸設備、天饋系統、電源系統等方面，這涉及節能、節材、節地、節成本、循環回收、環境影響及社會信息化等因素，因此這實質是一個全方位綠色創新的綠化產業鏈問題。

對基站能耗主要部件高功放HPA通常采用收信反饋證實型數字預失真CFR+DPD等措施，擴展線性放大運行區，降低能耗，可使功放效率高達20%以上，可降低RRU整體功耗達30%～40%左右；對基帶處理板可采用業界最先進高速、高密度、低功耗芯片，可降低BBU整體功耗每載波達37%左右；借助RNC話務量統計采取智能單板自適應開閉方式降低整機功耗達18%～36%左右；時隙智能節電可將話務低流量時段自動關閉無信號時隙可進一步降低RRU非忙時功耗；對設備、空調、電源等取智能下電技術約可節約電量達41%左右，以10000個基站大約一年能節省1億度電計，若按1kg標準煤發3度電標準估計，約可節省3.8萬噸煤，減少9.7萬噸二氧化碳排放量，相當于2.5輛典型轎車的年行駛排放量，極為可觀。此外，對利用太陽能及風能有效的地方可利用太陽能、風能發電，其能量生成成本相對很低、幾乎為零，并可大大減少二氧化碳排放量。

對有效節省機房空間、靈活系統配置及有利未來網絡的經濟而快速有效平滑升級等綠色創新而言，以分布式基站及SDR概念支持的分布式軟基站進展亦十分重要。分布式基站是相對傳統的射頻與基帶部分組合在一起的集中式基站而言的，它將基帶、射頻部分分別被獨立成全新功能模塊BBU（Base Band Unit）和RRU（Remote RF Unit），其間用標準基帶射頻接口CPRI/OBSAI及光纖傳輸進行連接。RRU集成了傳統基站的TRX/PA/RFE三個射頻單元，外部用滿足IP55標準的防護外殼，通常RRU置于室外，有抱桿、掛墻、上塔、集中柜等多種安裝方式，毋需室內機房空間；BBU為高集成設計，體積大大降低，一般置室內，可掛墻或機架式安裝。在室內覆蓋場合，可把RRU掛墻安裝于所需樓房，BBU安裝在地下室與樓道等相應位置，RRU與BBU可按不同場景需要，拉開距離、分布式靈活配置。為滿足系統未來靈活快速地進行平滑前向演進，此分布式基站采用軟件定義的無線電SDR技術升級，例如由3G只需通過軟件升級及更換少量基帶單板即可支持未來4G網絡，其主要特點有如：真正的SDR，支持各種無線制式（CDMA/WCDMA/GMS/GPRS/EDGE/TD-SCDMA/WiMAX/UMB/LTE等）；系列化RRU/BBU產品，可實現全方位、不同場景立體式覆蓋，滿足運營商各種不同建網需求；RRU/BBU集成度高、容量大、體積小、重量輕、安裝維護方便，節能環保，降低運營商的CAPEX及OPEX投資成本，廣為市場歡迎。

5 高效率編碼與信號設計、信號處理技術[2]

這方面有枚不勝舉的不斷創新的一系列新技術出現，使系統容重/吞吐能力與頻譜有效利用能力成倍、甚至量級性提升，對此毋需細節論述，只需給出一些定量概念即容易理解這對系統更新換代與系統綠色化有多大作用。

視頻壓縮編碼由MPEG-2至H.264/AVC MPEG-4-Part 10/AVS可使帶寬壓縮為1/2左右，再演進成H.264+/H.265還可再壓縮一倍左右，加上信道調制技術與信號設計技術改進即可使數字化載波視頻傳迸取得量級性視頻壓縮改進；由單入單出SISO信道向多入多出MIMO信道邁進，采用MIMO-STFC技術后即可能使信道傳輸效率隨天線數而線性遞增，原來只能具備2～2.5bit/s/Hz左右傳輸頻譜利用效率的系統用可能實現的收發8天線技術，即可望使頻譜利用效率提升至18～20bit/s/Hz，何等可觀；進而更高頻譜效率的信號設計技術亦在探索研究中，以一些研究報導的超高頻譜效率的所謂超窄帶UNB為例，頻譜利用效率有可能提升至30～50bit/s/Hz、甚至100bit/s/Hz或更高，殊為驚人！比特層域與分組層域信道FEC技術，諸如Turbo碼（TBC/TPC）、LDPC碼及PEPC碼的FEC技術可使SISO信道功率利用效率達數dB改善而逼近Shannon極限；再一個例子即為網絡編碼技術，在解決同等帶寬吞吐能力前提下, 此整體網絡將展現其成倍節能減排能力，從而達到綠色創新的效益。

網絡編碼從廣義上來講，是網絡中的節點將接收到的信息進行編碼后再轉發出去的一種多點組播（Multicast）傳送技術。網絡編碼技術自9年前誕生以來，可以說基本上藏身于各大學和實驗室中而鮮為人知，這是一種編碼算法，支持者們聲稱它可以將現有的網絡吞吐量提高一倍，同時還能改善網絡的可靠性和防范攻擊的能力；最熱心的支持者們甚至說，該技術將會引發網絡的下一代革命；其他人則普遍認為，網絡編碼技術更有可能會潛移默化地改變目前基于路由的網絡架構。

6綠色手機融合平臺與綠色手機[3]

手機終端始終為任何制式移動通信發展的瓶頸，亦為移動通信快速演進發展的亮點與風向標。全球移動通信及手機數量的飛速發展，必然導致綠色手機及多業務綠色手機融合平臺的研制開發有巨大潛在戰略價值。綠色手機創新，可首先使手機綠色低功率運作；同時可進一步改進電池技術及節電算法；此外，在顯示器及多業務融合平臺方面亦大有綠色創新空間存在。

目前，中國移動G3品牌以2G/2G+網為依托、以TD-SCDMA/TD-3G+為增強，積極推進TDD/FDD雙網融合，并進爾提議全方位、各層面的全球LTE-TDD/FDD融合目標。首先包括雙模終端；同時，為有效推進移動互聯業務發展，在核心層面，在C-IMS/SIP基礎上， 擴展引入借助P2P技術的分布式業務網絡DSN；并提出支持Mobile Widget的應用平臺BAE（Browser based Application Engine），以真正能逐步形成有效的所謂移動商店與市場（Mobile Store and Market）。此外，構建以開源、開放為基礎的上述Android平臺構通的移動終端平臺OMS，以此定制旗艦2G/3G融合型手機OPhone，以高、低兩頭為重點，以解決TD-SCDMA 3G終端與應用這一薄弱環節。

未來發展趨勢方面，多頻、多模、多制式、棄構系統協同工作的融合平臺是手機技術高端發展方向。借助芯片制程工藝、人工磁導體、 射頻微機電系統、隔離磁偶極子（IMD，Isolated Magnetic Dipole）天線技術、多帶天線、可重構天線，加上優良的高速大容量芯片技術與包括有業務、環境感知的認知無線電CR的擴展軟件無線電在內的現代自適應信號處理技術等，彼此有機協同工作，構建一種未來泛在便攜型融合平臺是可以期望的。可望以精小的尺寸與重量及可操作的耗電，集成各種業務功能于其中，包括3G/3G演進、Wi-Fi/WiMAX/UWB/Bluetooth、NFC/ZigBee/RFID、Mobile-TV、GPS/GIS、認知無線電型動態頻譜管理、數十GB硬盤存儲與數百MB與數GB閃存盤等各類個性/個體化泛在實用的東西, 均集成融合于此統一的平臺之中，可獲得大規模量產及細分市場進一步剪裁，以取得吸引用戶的信價比及市場可持續擴展與發展的實力。

7 信息通信基礎設施共建共享技術綠色創新[3]

面對新一輪電信重組及三大運營商快馬加鞭積極規劃籌備各自3G網絡建設之際，為減少電信重復建設及各運營商網絡建設TCO，提高電信基礎設施利用率，經廣泛調研與緊急磋商，工業和信息化部與國資委于2008年10月6日聯合發布了“關于推進電信基礎設施共建共享的緊急通知”（即工信部聯通[2008]235號文，“緊急通知”），這將成為今后電信行業改革和發展的一項重要工作，也是深入貫徹落實科學發展觀及建設資源節約型、環境友好型社會的重要舉措，一時引起了運營商、制造商、各類相關企業與中界機構、第三方及專家學者十分關注，舉國上下積極評價與探索其可行的執行途徑與實施策略。

從技術層面觀察，共建共享電信基礎設施不僅需要技術創新支持，更可能催生技術創新。例如，ZTE基于射頻單元可編程的SDR型V+軟基站家族，可實現2G/3G（GSM/WCDMA，CDMA/WiMAX/TD-SCDMA等）融合平臺多標準共站建設；諾西的Flex多模基站，模塊化設計、安裝簡單，不需機柜和機房安裝及空調，軟件配置射頻單元實現多制式平臺共享與快速建網；愛立信管塔式站址共享，可節省占地，容納多套基站設備，無需空調及饋電與冷卻系統，比傳統基站功耗低40%；普天多芯光纜基站節點分布式系統，接續方便，降低成本，易于后續網絡優化與擴展，這些均為明顯示例。

8 信息化與工業化融合推進節能減排及綠色創新

黨的十七大提出的信息化與工業化融合的方針無疑將對我國工業化進程與信息社會建設產生巨大戰略影響，這亦是對“信息化帶動工業化，工業化促進信息化”更深化的認識與落實，使我國不再沿襲先進工業化國家工業化進程老路，促使我國快速縮小與國際上先進工業國家的差距，真正走出一條兩化融合、環境和諧發展的現代工業化之新路。

我國工業產值約占GDP的45%，為大頭，而其中制造業又占80%左右，由此兩化融合首先要體現于制造業融合。我國制造業規模與總量不小，但效率與效益不夠高，以其物流為例即較落后，我國物流費占GDP總量的18%左右，相當大，而制造業物流費又占社會物流費總額的75%左右，極為可觀，因此，充分利用信息技術使制造業與物流業對接聯動，形成現代化供應鏈管理，提升制造業效益，同時亦可在宏觀上有利降低物流的巨大能耗。進而, 可借助信息技術實現制造業轉型，將企業由目前“大而全”、“小亦全”的落后模式，轉變為“專注核心業務，輔助業務外包”的先進模式；借助網絡技術使制造企業結構扁平化，實現網絡制造模式，由技術集成轉為企業集成，減少重復建設與資源浪費，有效利用社會資源，提高企業效率及效益。為滿足用戶對裝備大容量、高性能、自動化等要求，必須在其產品與裝備融入信息技術，使之數字化、智能化，使用戶運行能節能、節水、節材及減排，提高產品與裝備水平與競爭力。同時，使信息化、數字化技術裝備整個企業制造、管理，使之自動化、數字化、智能化，進行平行設計、協同設計、數控制造，提高制造效率、確保產品質量，并實施節能減排、循環制造。此外，借助信息技術可實施制造業由生產制造型向定制服務型轉變，借助服務與生產制造融合進行有效增值，此時向用戶提供的不光是產品，還包括依托于產品的一攬子整體解決方案，使我國制造業盡快跟緊世界潮流，使制造業由價值鏈低端逐漸走向高端。最后， 應充分利用信息技術實施全面綠色制造，節能減排、綠色創新；應在設計環節即考慮到產品可拆卸、可維護、可回收，在制造過程中充分貫徹節能減排、循環利用及循環制造。對用能大戶如鍋爐、電動機、發電設備、內燃機等尤要貫徹此綠色制造理念，例如，借助信息技術開發生產供熱與熱電型聯產用工業鍋爐、高效燃煤鍋爐、清潔燃燒鍋爐、余熱余壓循環利用、超臨界與超超臨界火電機組、新型高效熱電材料、節能型風機水泵與壓縮機、超高效率三相異步電動機、電控增壓車用汽油機、節能環保內燃機等新產品已，成為裝備制造業的一個重要緊迫任務。

總之，ICT及信息化與工業化融合推進節能減排及綠色創新將大有可為！

參考文獻

[1]陳如明. 先進技術驅動下的節能減排與綠色創新——綠色刀片系統、綠色存儲與云計算[J]. 移動通信, 2008(16).

[2]陳如明. 先進技術驅動下的節能減排與綠色創新——網絡編碼、綠色基站及綠色TD-SCDMA系統[J]. 移動通信, 2008(17).

[3]陳如明. 先進技術驅動下的節能減排與綠色創新——綠色手機融合平臺、信息化與工業化融合推進[J]. 移動通信,2008(23).

[4]陳如明. 共建共享電信基礎設施發展策略思考[J]. 移動通信,2009(3-4). ★

【作者簡介】

陳如明：教授，主任高級工程師。工業和信息化部通信科技委副主任及國家無線電管理機構原副局長兼總工程師，中國國家無線電頻率規劃專家咨詢委員會主任。曾主持和參加多種科研項目，獲多項國家級、部級獎勵及國家科學研究突出貢獻特殊津貼。發表中英文論文250多篇，出版專著4本。