Umweltfreundliche Software ist ein wichtiger Faktor für Green IT

Beim Thema Energiesparen und Software ist auf den ersten Blick kein Zusammenhang zu erkennen. Doch der besteht sehr wohl! Lesen Sie, wie intelligente Software-Architektur Ressourcen spart und warum das immer wichtiger wird.

Der Energiebedarf des IT-Sektors steigt markant. Der Treiber heißt Digitalisierung und unser gesamtes (Wirtschafts-)Leben hängt davon ab, aufgrund der Klimakrise sollte das Bewusstsein für Green IT ebenso steigen. Dazu schreibt die Harvard Business Review über einen bis jetzt wenig beachteten Faktor unter dem Titel How green is your Software: „Unternehmen können Software zu einem integralen Bestandteil ihrer Nachhaltigkeitsbemühungen machen, indem sie ihren CO2-Fußabdruck bei der Gestaltung, Entwicklung und Bereitstellung berücksichtigen“. Bis jetzt legte man bei Green IT die Aufmerksamkeit auf die Hardware: weniger Stromverbrauch von Servern, mehr Energieeffizienz bei Kühlsystemen und nachhaltige Energieversorgung von Rechenzentren. Doch auch bei Software kann und muss Energie gespart werden.

Was Software mit Ressourcensparen zu tun hat

Software besteht nicht aus Rohstoffen, sondern ist ein immaterielles Gut, daher ist der Zusammenhang zwischen Software und Ressourcensparen auf den ersten Blick nicht sichtbar; dennoch brauchen Programme Energie, indem sie Hardware nutzen und Strom verbrauchen, beschreibt Mittelstand 4.0, das Kompetenzzentrum IT-Wirtschaft, warum viele Unternehmen bei Green IT nicht gleich an Software denken.

In einem internationalen Forschungsprojekt mit Prof. Naumann von der Hochschule Trier wurden Anforderungen für eine grüne und nachhaltige Software definiert, das sind unter anderem:

Kernfunktionen bleiben dauerhaft auf älterer Hardware ausführbar

Benutzergerechte Konfigurationsmöglichkeit für energiesparende Modi

Unterstützung sparsamer Datenformate im Hinblick auf Bandbreite und Speicherplatz

Was das konkret für die Software-Entwicklung bedeutet, zeigen wir mit folgenden Beispielen.

Schlanke Struktur

Gleich vorab: Die Wahl der Programmiersprache ist kein Kriterium für Effizienz, jedenfalls gibt es noch keine Studien dazu. Entscheidend sind dafür Programmierung und Design und das ist im Grunde leicht nachvollziehbar: Wenn Funktionen chaotisch codiert und schlecht strukturiert sind, verbrauchen sie bei jedem Aufruf mehr Energie. Umgekehrt sind schlanke und wartungsfreundlich strukturierte Codes ein Beitrag zu Green Software.

Intelligentes Zusammenspiel von Software und Hardware

Software muss auf Hardware-Ressourcen zurückgreifen, um eine Funktion ausführen zu können. Wenn zum Beispiel die Adresse eines Mitarbeiters in der Personalakte geändert werden soll, so müssen die Adressdaten von der Datenbank auf dem Speichermedium herausgelesen, in den Arbeitsspeicher kopiert, bearbeitet und dann zurückgespeichert werden.

Wie sind bei solchen Funktionen die Wechselwirkungen zwischen Hardware und Software zu bewerten? Diese sehr komplexe Frage hat erstmals das Deutsche Umweltbundesamt in einer Studie mit Fallbeispielen ermittelt und verglichen. Ein Katalog mit insgesamt 25 Kriterien und 76 Indikatoren zur Überprüfung der Umweltauswirkung von Softwareprodukten wurde entwickelt; so können bei der Beschaffung Unterschiede von Softwarelösungen bei gleicher Funktionalität gemessen bzw. verglichen werden.

So hilft Software Energie zu sparen

Datenzugriff: Bei der oben beschriebenen Funktion für die Adressänderung optimieren intelligente Programme den Zugriff auf die Daten: Dabei werden beim Kundenstamm nur die für die Adressänderung relevanten fünf bis zehn Felder von der Adressänderungsabfrage herausgelesen, übertragen und zurückgeschrieben, nicht aber der gesamte Kundenstammsatz mit bis zu 100 Feldern.

Bei der oben beschriebenen Funktion für die Adressänderung optimieren intelligente Programme den Zugriff auf die Daten: Dabei werden beim Kundenstamm nur die für die Adressänderung relevanten fünf bis zehn Felder von der Adressänderungsabfrage herausgelesen, übertragen und zurückgeschrieben, nicht aber der gesamte Kundenstammsatz mit bis zu 100 Feldern. Energiesparmodus: Ein anschauliches Beispiel für die Wechselwirkung zwischen Software und Hardware bietet der automatische Energiesparmodus: Es kommt vor, dass Software unbeabsichtigt verhindert, dass Notebook oder PC in den Energiesparmodus wechseln können. Intelligente Software-Architektur stellt sicher, dass das möglich ist.

Ein anschauliches Beispiel für die Wechselwirkung zwischen Software und Hardware bietet der automatische Energiesparmodus: Es kommt vor, dass Software unbeabsichtigt verhindert, dass Notebook oder PC in den Energiesparmodus wechseln können. Intelligente Software-Architektur stellt sicher, dass das möglich ist. Vorabeinstellungen bringen Einsparungspotenzial: Wenn eine Drucker-Software als Werkseinstellung standardmäßig monochrom (statt Farbe) und doppelseitig druckt, werden automatisch Ressourcen und damit Energie gespart.

Wenn eine Drucker-Software als Werkseinstellung standardmäßig monochrom (statt Farbe) und doppelseitig druckt, werden automatisch Ressourcen und damit Energie gespart. Container-Technologie ist ein großer Trend in der IT und diese Architektur bringt mehr Effizienz. Container kennen wir von der Logistik: Waren aller Art können in einer Standard-Verpackung (dem Container) mit vielen Verkehrsmitteln wie Schiff, Bahn, Flugzeug oder LKW flexibel und einfach transportiert werden. Umgelegt auf die IT werden ein Programm und alle zu seiner Ausführung erforderlichen Dateien sozusagen in ein handliches Paket verpackt. Mehrere Container teilen sich ein Betriebssystem, sie verbrauchen weniger Ressourcen wie Rechenleistung, Hauptspeicher und Speicherplatz.

ist ein großer Trend in der IT und diese Architektur bringt mehr Effizienz. Container kennen wir von der Logistik: Waren aller Art können in einer Standard-Verpackung (dem Container) mit vielen Verkehrsmitteln wie Schiff, Bahn, Flugzeug oder LKW flexibel und einfach transportiert werden. Umgelegt auf die IT werden ein Programm und alle zu seiner Ausführung erforderlichen Dateien sozusagen in ein handliches Paket verpackt. Mehrere Container teilen sich ein Betriebssystem, sie verbrauchen weniger Ressourcen wie Rechenleistung, Hauptspeicher und Speicherplatz. Obsoleszenz: Nachhaltige SW-Architektur sollte eine lange Nutzungsdauer von Hardware ermöglichen. Wir alle haben schon erlebt, dass Smartphones, Tablets oder Notebooks mit neuen Updates des Betriebssystems langsamer werden. Irgendwann muss dann ein neues Gerät her. Wenn die Obsoleszenz (also die Haltbarkeit technischer Geräte) bei der Entwicklung von Updates, sowie auch von neuen Apps, berücksichtig wird, verlängert sich die Nutzungsdauer und das verbessert den ökologischen Fußabdruck des Geräts. Als zweiter erfreulicher Effekt senkt das auch die IT-Kosten.

Energiebedarf von Software steigt

Software, obwohl ein immaterielles Gut, spielt eine wesentliche Rolle, wenn es um Energieverbrauch in der IT geht. Künftig ist noch mehr auf Effizienz zu achten, denn rechenintensive Anwendungen nehmen stark zu; denken Sie etwa an Modell- und Simulationsrechnungen, den Einsatz von Künstlicher Intelligenz und an Machine Learning, um Systeme zu trainieren. Die meiste Energie verbraucht die Blockchain-Technologie, auf der u.a. Kryptowährungen wie Bitcoin aufbauen, denn jede einzelne Transaktion braucht in dieser Architektur enorm viel Rechenleistung. Bei der Einführung neuer digitaler Geschäftsmodelle sollte daher der ressourcenschonende Einsatz von Software mitbedacht werden, als wichtiger Beitrag im Angesicht der Klimakrise.

Umweltfreundliche Programmierung: Strom sparen beim Rechnen

Umweltfreundliche Programmierung : Strom sparen beim Rechnen

Nach der Hardware schraubt die Szene jetzt an der Software. Grüne Programmcodes sollen Strom und damit viel Geld sparen.

MÜNCHEN taz | Gut 150 Schränke, 150 Kilo schwer, darin an die 150.000 Prozessorkerne – das ist super, und weil diese Anlage in München steht, ist es der „SuperMUC“: eine Hochleistungsmaschine, eine der schnellsten und größten ihrer Art auf der Welt. Hier draußen in Garching vor München entstehen Simulationen für die Wissenschaft: Die Maschine tastet zum Beispiel den menschlichen Körper ab und berechnet die Strömungsverhältnisse in Lungen und Adern in all ihren Verästelungen. Geologen sagen mithilfe des Computers Klimakatastrophen voraus, und auch die Zukunft des Automobils wird hier entworfen.

Der „SuperMUC“ ist das Herzstück des Leibniz-Rechenzentrums, des IT-Dienstleisters der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. Auf fünf Stockwerken surren viele weitere Geräte, die nicht zuletzt auch ganz banal die Internetseiten der Universitäten betreiben, elektronische Post transportieren und den Bücherbestand verwalten. Das alles verschlingt viel Geld – in der Anschaffung, aber nicht zuletzt auch im Betrieb.

„Abhängig von der Last, die wir haben, benötigen wir drei bis sechs Megawatt. Das entspricht dem Stromverbrauch einer mittleren Kleinstadt“, sagt Arnd Bode. Der Informatiker leitet das Rechenzentrum. Flattert die jährliche Stromrechnung auf seinen Schreibtisch, dann steht da eine Summe zwischen fünf und zehn Millionen Euro. Bode spart deshalb, wo es geht – und setzt dafür auch auf grünen Programmcode.

Technik hat sich längst in alle Bereiche des Lebens hineingeschlichen. Mehrere Studien zeigen, dass der Bereich „Information und Kommunikation“ heute gut zehn Prozent der gesamten Stromerzeugung in Deutschland verschlingt. Nun schrauben freilich Gerätehersteller seit Jahren an ihrer Hardware, damit die Geräte sparsamer werden. Zugleich kommen aber immer neue Geräte auf den Markt: erst Smartphones, dann Tabletcomputer, nun smarte Uhren. Und das Cloud Computing, das Speichern und Verarbeiten der Daten in abgelegenen Rechenzentren, befindet sich erst in seinen Anfängen.

Heizung mit Computerchips

Auch das Rechenzentrum im Münchener Norden ist nichts anderes als so eine Datenwolke – die immer weiter wächst. Und auch hier haben sie jahrelang an den greifbaren Komponenten getüftelt. Statt Klimaanlagen, bei denen noch der Großteil der Energie für die Kühlung statt für die eigentliche Rechenleistung draufging, setzt Bode nun auf Wasser. Es läuft direkt über die Chips. Die Hitze, die das Wasser dabei aufnimmt, wärmt letztlich die Heizungsanlagen des Geländes und so im Winter die Büros und Hörsäle. So funktioniert Effizienz.

Das alles spart irre viel Energie, allein: Auch dieses Potenzial gilt nun als weitgehend erschöpft. Deshalb knöpfen sich die Tüftler neuerdings die Software vor und verpassen ihr so etwas wie künstliche Intelligenz.

Füttern Geologen, Mediziner oder Physiker den Großrechner mit neuen Formeln und Datensätzen, damit der „SuperMUC“ ihre Modelle berechnet, arbeitet das System nicht wie üblich brav den Programmcode ab. Es analysiert ihn vorher und erkennt, wie sehr es sich überhaupt anstrengen muss.

Früher sei Energieeffizienz „kein Entwurfskriterium“ gewesen, erzählt Bode. „Man war als Rechnerarchitekt froh, wenn man eine Hardware und eine Software bauen konnte, die die Wünsche des Nutzers zur rechten Zeit befriedigen konnte.“

Heutzutage komme aber eben als zweiter, mindestens ebenso wichtiger Wunsch dazu, dass das alles auch noch so betrieben wird, dass es bezahlbar bleibt. Der Strompreis habe eben den Druck erhöht.

Eine Kampfansage

Die Betreiber von Großrechnern messen sich deshalb nicht mehr nur mit Blick auf die Leistungsfähigkeit ihrer Systeme, sondern auch was Energieeffizienz angeht. Deutlich wird das in Darmstadt. Dort baut das Helmholtz-Zentrum derzeit in einem 30 Meter breiten, 27 Meter tiefen und 25 Meter hohen Würfel eine neue Anlage, die helfen soll, den Aufbau von Materie besser zu verstehen. Der werbeträchtige Name der Anlage, die letztlich mit etwa 300.000 Prozessorkernen die Wissenschaft unterstützen soll: „Green Cube“, ein „umweltfreundliches Höchstleistungsrechenzentrum“. Das ist auch eine Kampfansage.

Der Trend zum grünen Programmcode erreicht mittlerweile auch den Endverbraucher. Die großen Softwarehäuser trimmen ihre Betriebssysteme für Allerweltscomputer zunehmend auf Energieeffizienz. Microsoft, Google und Apple haben sich bereits in den vergangenen drei Jahren ein Wettrüsten mit ihren Browsern geliefert, auf dem Weg zu sauberem Surfen: Ruft der Nutzer eine Animation auf, dann soll das Programm bei der Aufbereitung nur genau die Leistung anzapfen, die dafür gebraucht wird, und nicht mehr wie in den vielen Jahren zuvor erst mal auf Verdacht den Prozessor hochpeitschen.

Umweltschutz als Nebeneffekt

Apple wiederum bewirbt sein jüngstes Betriebssystem mit „bahnbrechender Energieeffizienz“: Zieht der Nutzer seine Musiksammlung oder eine Textverarbeitung über den Browser oder ein Video, dann stoppt das System von sich aus die Animation – zumindest solange sie ohnehin verdeckt ist. Auf der Stromrechnung des Nutzers macht sich das natürlich nicht ernsthaft bemerkbar. Bei Endverbrauchern geht es deshalb auch weniger um Umweltschutz als vor allem um längere Akkulaufzeiten. Apple und Co. bedienen in erster Linie die Bequemlichkeit der Nutzer. Umweltschutz ist für sie ein Nebeneffekt.

„Natürlich sind die Geräte heutzutage schon derart optimiert, dass sie über die Jahre nur Strom für vielleicht 50 und 150 Euro benötigen“, sagt Ralph Hintemann, der beim Berliner Borderstep Institut unter anderem für die Bundesregierung in Sachen Green-IT forscht. Energieeffizienz spüre da niemand ernsthaft. „Aber wenn ich mir überlege, wie viele Millionen Computer in den Haushalten stehen – allein in Deutschland etwa 40 Millionen –, dann kommt da in der Summe schon eine riesige Menge zusammen.“

Der Nachhaltigkeitsforscher teilt allerdings auch die Einschätzung des Münchner Informatikers Bode: Energieeffizienz ist für viele Programmierer auch im Jahr 2014 noch ein Stück Neuland. „Man muss letztendlich schon in den Hochschulen anfangen und den Informatikstudenten beibringen, wie man möglichst effizient programmiert“, sagt Hintemann. Und genau das passiert nun allmählich – nicht zuletzt am „SuperMUC“.

Korrekturhinweis: In einer ersten Version dieses Artikels war im dritten Absatz von „drei bis sechs Megawatt am Tag“ die Rede. Das war falsch und wir haben den Fehler korrigiert.

Rechenzentren: UBA gibt Tipps für umweltfreundliche Beschaffung

In den letzten Jahren ist der Stromverbrauch von Rechenzentren aufgrund größerer Nachfrage deutlich gestiegen. Vor dem Hintergrund der fortschreitenden Digitalisierung ist ein weiterer Anstieg zu erwarten.

Allerdings sind bei Rechenzentren erhebliche Energie- und Kosteneinsparungen möglich. Besonders große Energie- und Kosteneinsparpotenziale liegen bei der Klimatisierung, beim Einsatz energieeffizienter Server und Speichersysteme, durch die Virtualisierung von Servern sowie durch den Erkenntnisgewinn aus dem Energie- und Leistungsmonitoring. Neben einem geringen Energieverbrauch ist eine klimafreundliche Kühlung des Rechenzentrums besonders wichtig.

Der neue Leitfaden des Umweltbundesamtes (UBA) zur umweltfreundlichen öffentlichen Beschaffung: „Produkte und Dienstleistungen für Rechenzentren und Serverräume“ unterstützt öffentliche Beschaffungsstellen dabei, umweltverträgliche Rechenzentrums-Hardware, Rechenzentrums-Infrastruktur sowie Rechenzentrums-Dienstleistungen auszuschreiben und zu beschaffen. Zur Erleichterung des Ausschreibungsprozesses werden separate Anbieterfragebögen für Rechenzentrums-Hardware, Installation von Messtechnik, Energie-Monitoring und Rechenzentrumsbetrieb zur Verfügung gestellt. Der Leitfaden kann darüber hinaus auch bei der Ausschreibung eines neuen oder des Umbaus eines bestehenden Rechenzentrums herangezogen werden. Der Leitfaden basiert auf den Kriterien des Umweltzeichens Blauer Engel für Energieeffizienten Rechenzentrumsbetrieb (RAL-UZ 161).

Den Leitfaden des UBA und weitere Arbeitshilfen finden Sie hier.

Quelle: Umweltbundesamt