Sauberer surfen

Wie ein riesiger würfel sieht der geplante Supercomputer aus. Einschließlich des Gebäudes, in dem er stehen wird, ist er 30 Meter breit, 27 Meter tief und 20 Meter hoch. Auf sechs Stockwerken türmen sich Hunderte von Rechnerschränken mit insgesamt 300 000 Prozessoren. Die Anlage, die das GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt bauen will, hat schon rein äußerlich beeindruckende Dimensionen.

Der Superrechner soll aber auch beim Klimaschutz neue Maßstäbe setzen. „Der Stromverbrauch wird nur etwa halb so hoch sein wie bei konventionellen Höchstleistungsrechnern. Dadurch werden die Kohlendioxid-Emissionen pro Jahr um mindestens 10 000 Tonnen gesenkt”, sagt Volker Lindenstruth, Professor für Informatik an der Universität Frankfurt am Main und Leiter Informationstechnologie (IT) am GSI in Darmstadt.

„Green Cube” heißt der umweltfreundliche Supercomputer, dessen Bau im Sommer beginnen soll. Finanziert wird die Anlage vom Bundesforschungsministerium und der Helmholtz-Gemeinschaft. Der „ Grüne Würfel” wird voraussichtlich 35 Millionen Euro verschlingen, bis 2018 die letzte Ausbaustufe abgeschlossen ist.

Die Geldgeber, die angesichts der großen Investitionen ins Grübeln kamen, beruhigte Lindenstruth mit einem Trostpflaster: Beim Green Cube sind die Stromkosten pro Jahr um 5,5 Millionen Euro niedriger als bei herkömmlichen Supercomputern mit ähnlicher Rechenleistung.

Ausgeklügelte Kühlung

Erreicht werden die Einsparungen bei Energiebedarf und CO2-Emissionen vor allem durch eine ausgeklügelte Kühlung. In der Regel entfällt bei einer großen IT-Anlage rund die Hälfte des Stromverbrauchs auf die Ableitung der Wärme, die die Rechner im Betrieb fortlaufend erzeugen. „Beim Green Cube verbraucht das Kühlsystem hingegen nur etwa acht Prozent des Stroms”, sagt Volker Lindenstruth, der die Architektur des Rechners gemeinsam mit Hörst Stöcker, dem Wissenschaftlichen Leiter des GSI, entwickelt hat.

Das Beispiel des Green Cube zeigt eindrücklich, wie hoch der Energiebedarf der Computer- und Telekommunikationstechnik mittlerweile ist – und wie groß das Einsparpotenzial. Rechenzentren und Datennetze, PCs und Laptops, Tablet-Computer und Smartphones gehören inzwischen zu den ärgsten Stromschluckern.

Entsprechend fatal sind die Auswirkungen auf das Klima. Computer verursachen weltweit genauso hohe Kohlendioxid-Emissionen wie Verkehrsflugzeuge, hat die amerikanische IT- Beratungsfirma Gartner ermittelt. Das vermeintlich saubere Internet ist in Wahrheit einer der schlimmsten Klimasünder. Amazon, Google und Facebook heizen die Atmosphäre genauso kräftig auf wie der Chemiekonzern BASF, der Stahlkocher ThyssenKrupp oder der Autohersteller Volkswagen.

Das Ende der Miniaturisierung

Doch in Wissenschaft und Industrie wächst das Bewusstsein, dass die unheilvolle Entwicklung gebremst werden muss. Bisher konnte der Stromverbrauch durch die fortlaufende Verkleinerung der Elektronik-Bausteine halbwegs in Schach gehalten werden. Doch die Miniaturisierung wird bald an physikalische Grenzen stoßen. Daher müssen die Entwickler nun die gesamten Systeme im Blick haben – etwa die Architektur eines Supercomputers oder die Struktur eines Mo- bilfunknetzes. Dort bieten sich künftig die aussichtsreichsten Möglichkeiten, die Vergeudung von Strom zu unterbinden. Der Handlungsbedarf ist groß. Das ergab eine Studie, die Forscher des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe und des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin 2009 für das Bundeswirtschaftsministerium erstellt haben. Bereits 2007 betrug der Stromverbrauch der Informations- und Kommunikationstechnologien (IuK) in Deutschland 55,4 Milliarden Kilowattstunden. Das entsprach einem Anteil von immerhin 10,5 Prozent an der gesamten Stromerzeugung.

Stromschlucker im Haushalt

Den größten Energiehunger haben die privaten Haushalte, wo Computer, Drucker, Router und andere Endgeräte zwei Drittel des gesamten Stromverbrauchs der IuK schlucken. Die Forscher aus Karlsruhe und Berlin haben bei den Berechnungen auch die Unterhaltungselektronik einbezogen, die zunehmend mit dem Internet zusammenwächst.

Die Fraunhofer-Studie sagte seinerzeit voraus, dass der Strombedarf der IuK bis 2020 um 20 Prozent wachsen werde. Diese Prognose wird sich zum Glück nicht ganz erfüllen. „Dank der steigenden Energieeffizienz von Computer-, Telekommunikations- und TV-Technik wird der Stromverbrauch weniger stark steigen, als wir ursprünglich vorhergesagt haben”, sagt Lutz Stobbe, Projektleiter am IZM und Co-Autor der Studie. Er rechnet jetzt damit, dass Computer & Co 2020 in Deutschland rund 60 Milliarden Kilowattstunden verbrauchen werden – das sind etwa neun Prozent mehr als 2007.

„Wir können zwei gegenläufige Trends feststellen. Auf der einen Seite lässt sich die Energieeffizienz der IuK wohl noch erheblich steigern”, meint Stobbe. So werden die Endgeräte immer kleiner. Ein Notebook benötigt im Durchschnitt nur ein Viertel des Stroms von einem ausgewachsenen PC. Der Verbrauch wird auch aufgrund von strengeren Vorschriften weiter kräftig sinken.

Andererseits nimmt die Zahl der Geräte in den Haushalten stetig zu – und damit auch der Stromverbrauch. Nicht selten hat jedes Familienmitglied ein eigenes Notebook und Smartphone. Zu allem Überfluss sind die Geräte dank der Flatrates oft den ganzen Tag über angeschaltet. „Es gibt keinen großen Anreiz, die Computer herunterzufahren, wenn sie nicht benutzt werden”, beklagt Claus Barthel, Projektleiter am Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie.

Ein Wettlauf hat angefangen zwischen den Ingenieuren, die immer kleinere und sparsamere Elektronik-Komponenten entwickeln, und den Verbrauchern, die immer mehr Geräte kaufen und diese auch intensiver und länger nutzen. Wer wird das Rennen gewinnen? Vieles deutet darauf hin, dass sich die Energieeffizienz mit konventionellen Methoden nicht unbegrenzt steigern lässt.

Sparen bei den Datenzentren

Bisher verließen sich die Forscher und Entwickler auf „Moore’s Law”. Das Gesetz, formuliert von einem Mitgründer des Chipherstellers Intel, besagt, dass sich die Dichte von Schaltkreisen etwa alle 18 bis 24 Monate verdoppelt. Je kleiner die Bauteile sind, desto geringer ist ihr Strombedarf. Die kontinuierliche Miniaturisierung war deshalb lange ein probater Weg, um die Energieeffizienz von Halbleiter-Bauteilen zu steigern.

„Es ist jedoch fraglich, ob künftig das Moore’sche Gesetz noch gelten wird”, sagt Fraunhofer-Forscher Stobbe. Nach Ansicht vieler Experten wird die Verkleinerung der Schaltungen Ende dieses Jahrzehnts bei herkömmlichen Chiptechnologien mit Strukturen von fünf Nanometern an physikalische Limits stoßen. „ Die Innovationszyklen könnten sich damit in den kommenden Jahren deutlich verlängern”, warnt Stobbe.

Wenn die Miniaturisierung künftig kaum noch große Effizienzsprünge erlaubt, müssen andere Wege beschritten werden. Große Einsparpotenziale zeichnen sich ab, wenn kleinere Datenzentren zu einem größeren, effizienteren Verbund zusammengeführt werden. Beim Mobilfunk lässt sich der Stromverbrauch drastisch reduzieren, indem die Netze skalierbar gemacht werden, sodass die Sendeleistung sich dem aktuellen Bedarf anpasst.

Besonders erfolgversprechend ist es, die gesamte Architektur eines Computers inklusive Kühlung von Grund auf zu überdenken, wie es die geistigen Väter des Green Cube in Darmstadt getan haben. Auch der „SuperMUC” – ein Supercomputer, den das Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching bei München im Juni 2012 in Betrieb genommen hat – erreicht mit einer innovativen Kühlung erstaunliche Erfolge.

Blutkreislauf als Vorbild

Statt wie üblich mit Luft wird die Anlage, die der IT-Konzern IBM geliefert hat, mit Wasser gekühlt, das Wärme 4000 Mal so gut leitet wie Luft. Die Ingenieure im IBM-Forschungszentrum Rüschlikon bei Zürich, die das Kühlsystem ersonnen haben, nahmen sich den energetisch hocheffizienten Blutkreislauf des Menschen zum Vorbild. Ein Netzwerk aus Mikrokanalkühlern leitet die Wärme dort ab, wo sie entsteht – direkt an den 155 000 Prozessoren des Superrechners.

Das Ergebnis: Der SuperMUC, der mit drei Petaflops (drei Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde) zu den schnellsten Computern der Welt gehört, verbraucht 40 Prozent weniger Energie als Rechner mit ähnlicher Leistung. Im gleichen Ausmaß sinkt, bei gleicher Art der Stromerzeugung, die CO2-Emission der Anlage. Dank der ausgeklügelten Kühlung fällt die jährliche Stromrechnung um rund eine Million Euro niedriger aus. Obendrein wird die abgeleitete Abwärme des SuperMUC im Winter zur Heizung des Gebäudes genutzt.

Die IBM-Forscher sehen noch gewaltige Potenziale, den Energiebedarf erheblich weiter zu senken. „Unser Plan ist es, mittelfristig die Kühlstrukturen direkt auf die Rückseite der Prozessoren zu integrieren, um aufeinander gestapelte 3D-Chips zu kühlen”, sagt Bruno Michel, einer der Konstrukteure des Superrechners. Damit wären massive Verkleinerungen und Leistungssteigerungen möglich. „Der SuperMUC von heute könnte langfristig auf die Größe eines PCs schrumpfen”, wagt Michel eine Prophezeiung.

Trickreiche Technik in Garching

Ähnlich wie bei dem Garchinger Supercomputer setzt das Kühlsystem des Green Cube unmittelbar an der Quelle der Hitze-Emissionen an. An der Rückwand der 800 Computerschränke des Rechenzentrums befinden sich Wärmetauscher, in denen die warme Abluft mit Wasser gekühlt wird. Die Rückkühlung des erhitzten Wassers geschieht durch einfaches Verdunsten. Das System kann auch nachträglich in Datenzentren eingebaut werden. Obendrein ist die neue Technologie keineswegs teuer. „Die Investitionen machen sich durch die niedrigeren Stromkosten in weniger als zwei Jahren bezahlt”, verspricht der Informatiker Volker Lindenstruth.

Die stromsparende und klimaschonende Technologie der neuen Supercomputer interessiert auch die Wirtschaft. Die Großrechner, die bei Banken, Autoherstellern und anderen Unternehmen eingesetzt werden, sind ihnen technisch recht ähnlich. „Wir haben unseren Prototyp bereits mehreren Dutzend Delegationen aus der Industrie vorgeführt”, berichtet Green-Cube-Chefentwickler Lindenstruth.

Spektakuläre Einsparungen wie beim Green Cube oder SuperMUC sind nur möglich, wenn alle beteiligten Forscher und Entwickler eng zusammenarbeiten. Daher hat das Bundeswirtschaftsministerium 2011 die Initiative „IT2Green” ins Leben gerufen, die aus zehn einzelnen Verbundprojekten besteht. Dabei arbeiten jeweils mehrere Partner aus Industrie und Forschung an übergreifenden Lösungen, um das stromfressende Internet auf Diät zu setzen. Das Programm hat ein Budget von 60 Millionen Euro, das zur Hälfte der Bund trägt. Die übrigen 30 Millionen steuern die beteiligten Unternehmen und Forschungsinstitute bei.

Beispielhaft für die geförderten Projekte ist „AC4DC”, an dem unter anderem die Universität Paderborn und das Elektronikunternehmen Rittal aus Herborn beteiligt sind. Die Partner wollen den Energiebedarf eines IT-Systems, das aus Servern, Datennetzen und diversen Endgeräten besteht, ganzheitlich optimieren. Dazu nehmen sie auch Stromversorgung und Kühlung der Anlage unter die Lupe.

Die Rechenarbeit wird verteilt

Überdies wird in dem Projekt erforscht, wie sich rechenintensive Programme zwischen mehreren Datenzentren aufteilen lassen, um die Auslastung der Server und damit auch den Stromverbrauch zu optimieren. „Ingenieurbüros nutzen für aufwendige Simulationsrechnungen bereits die Höchstleistungsrechner von Universitäten”, berichtet Fraunhofer-Experte Stobbe. Die Programme laufen dazu oft über Nacht, wenn in den IT-Anlagen Kapazitäten frei sind.

Im Rahmen des IT2Green-Projekts „GreenPad” wird erforscht, wie erneuerbare Energien für den Betrieb von Rechenzentren eingesetzt werden können. Leider scheint die Sonne bei uns recht selten mit voller Kraft vom Himmel. Und der Wind bläst, wann er will. Für zeitkritische Programme ist grüner Strom daher nicht sonderlich gut geeignet. Wer bei Google eine Suchanfrage startet, möchte die Antwort sofort – und nicht erst, wenn die Sonne wieder scheint. Doch ein Autohersteller könnte mit der rechenaufwendigen Simulation eines Crash-Tests möglicherweise warten, bis genügend Solarstrom verfügbar ist.

Mobilfunk auf Diät

Zu den ehrgeizigsten IT2Green-Projekten gehört „ IntelliSpektrum”, an dem neben Chiphersteller Intel und dem Telekomausrüster Alcatel-Lucent das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg und das Heinrich-Hertz-Institut (HHI) in Berlin beteiligt sind. Die vier Partner wollen neue Technologien für den Mobilfunk entwickeln, mit denen sich der Stromverbrauch kräftig reduzieren lässt. Die heute üblichen Mobilfunknetze bestehen aus recht großen Basisstationen mit einer Leistungsaufnahme von meist über 1000 Watt. Diese Makrozellen reagieren kaum auf die unterschiedlich hohe Belastung der Netze im Tages- und Wochenverlauf.

In den Zentren der Großstädte nimmt der Datenverkehr gegen Abend drastisch ab, wenn die Angestellten die Büros verlassen und die Geschäfte schließen. Umgekehrt telefonieren am Wochenende Tausende von Fußballfans im Stadion per Handy, um Freunde und Kollegen über das Spiel auf dem Laufenden zu halten. „Die Mobilfunknetze müssen lastskalierbar werden”, sagt Andreas Wich, Forschungsingenieur bei Alcatel-Lucent in Stuttgart. Gemeinsam mit seinen Kollegen arbeitet er an neuen Architekturen für Mobilfunknetze, die sich stromsparend auf unterschiedliche Belastungen an den „Hot Spots” einstellen können, wo der Datenverkehr zu Spitzenzeiten sehr hoch ist.

Die Grundidee besteht darin, die herkömmlichen großen Basisstationen durch kleine Zellen und Relais zu ergänzen, die den Makrozellen hierarchisch untergeordnet sind. Die kleinen Zellen werden, je nach Bedarf, flexibel zu- und abgeschaltet. Sie verbrauchen viel weniger Strom als die Makro-Basisstationen, die weiterhin das Rückgrat der Mobilfunknetze bilden.

Freilich gibt es bei den kleinen Zellen ein Problem: Der Radius beträgt nur rund 50 Meter, gegenüber etwa 750 Metern bei Makrostationen. Ein Smartphone, das während eines Einkaufsbummels, Spaziergangs oder einer Autofahrt benutzt wird, muss mithin in kürzesten Zeitabständen eine neue Zelle ansteuern. Das ist mit einem hohen Rechenaufwand verbunden, der die Energieeinsparung in den Basisstationen wieder zunichte machen könnte.

Mit vereinter Kraft zum Ziel

Damit das nicht geschieht, kooperiert Alcatel-Lucent mit dem deutschen Entwicklungslabor von Intel. „Sonst bestünde die Gefahr, dass die Lieferanten der Basisstationen und die Produzenten der Endgeräte nur lokal optimieren und dabei neue Probleme bei anderen erzeugen”, sagt Intel-Manager Ingolf Karls. „ Wir verfolgen insgesamt das Ziel, dass der Stromverbrauch in den Endgeräten nicht steigen darf. Bei IntelliSpektrum ist es erstmals gelungen, beide Parteien an einen Tisch zu bringen.”

Die Fraunhofer-Forscher aus Freiburg haben eine Hardware für Smartphones entwickelt, die energieeffizient mit kleinen Zellen kommunizieren kann. Entwickler von Intel arbeiten in Neubiberg bei München an den entsprechenden Algorithmen. Im Frühjahr 2014 sollen die ersten Prototypen fertig sein. ■

GÜNTER HEISMANN ist freier Journalist in Frankfurt/Main. Er befasst sich mit Ökonomie und den Folgen der Wirtschaft für Klima und Umwelt.

von Günter Heismann