Green IT: Energieeffizienz in der IKT

Beteiligte Personen: Martin Fränzle, Jorge Marx Gómez, Wolfgang Nebel, Achim Rettberg, Oliver Theel, Andreas Winter

Mission

Im Rahmen des Forschungsschwerpunkts „IKT zur Energieeffizienz“ des Departments für Informatik der Universität Oldenburg erforschen und entwickeln wir in Abstimmung mit entsprechenden Projekten am Institut OFFIS neuartige Verfahren und Werkzeuge zur Bewertung, Analyse und Steigerung der Energieeffizienz von IKT-Systemen von den mikroelektronischen Komponenten über System- und Anwendungs-Software bis hin zu verteilten Rechenumgebungen.

Motivation

Bereits jetzt verursachen IKT-Systeme mit jährlich über 55 TWh ca. 10% des Bedarfs an elektrischer Energie der Bundesrepublik mit stark steigender Tendenz. Dieser Bedarf könnte nicht durch sämtliche Windkraftanlagen in Deutschland gedeckt werden. Neben diesen ökologischen Gründen gewinnen zunehmend auch technische und ökonomische Herausforderungen an Bedeutung, die eine intensive wissenschaftliche Auseinandersetzung mit der Problematik des Energiebedarfs der Informationstechnik erfordern.

So entwickeln sich beispielsweise die Kosten für Energieversorgung der IKT-Systeme und ihrer Infrastruktur (Klima, USV) in Rechenzentren zu signifikanten Beiträgen der Betriebskosten. Auch begrenzen zunehmend die durch Klimatisierung abführbaren Wärmelasten oder die von Energieversorgern lieferbaren Leistungen den weiteren Ausbau von Rechenzentren. Selbst auf der Ebene der Prozessoren sind die Grenzen der abführbaren Wärme erreicht, was sich am Markt durch neue Mehrkern-Architekturen und ein Ende der Taktfrequenzerhöhungen wiederspiegelt.

Zusätzlich wird ein steigender Bedarf für leistungsfähige energieeffiziente IKT-Systeme erwartet, die im Anwendungskontext heraus über nur ein begrenztes (chargenweises) Energiebudget verfügen (wie etwa Mobiltelefone, Elektromobile, Notebooks, etc.) und/oder nicht oder schwer zugänglich sind (z.B. Herzschrittmacher). Zur Steigerung der Energienetz-unabhängigen Nutzungsdauer dieser Geräte ist deren Energiebedarf zu analysieren und zu optimieren.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Der Schwerpunkt „Green IT: Energieeffizienz in der IKT“ betrachtet den Entwurf von IKT- Systemen einschließlich ihrer Hard- und Software-Komponenten, mit dem Ziel den Energiebedarf der Informationstechnik nachweisbar und in Abstimmung mit konkurrierenden Qualitätsanforderungen (Zuverlässigkeit, Performanz, etc.) zu optimieren.

Diese Betrachtungen zur Optimierung des Energieverbrauchs beziehen sich auf verschiedene IKT-Systeme wie z.B. Rechenzentren, Cloud-Computing, verteilte Sensornetzwerke, (verteilte) Hard- und Softwaresysteme, Hardware-Komponenten, Software-Komponenten und Anwendungssoftware. Aus¬gehend vom aktuellen Stand der Energiebetrachtungen für diese einzelnen IKT-Systeme, gilt es Modelle, die auch systemübergreifend angelegt sein können, zur Abbildung des jeweiligen Energieverbrauchs bereitzustellen. Basierend auf diesen Modellen sind Verfahren zur Analyse und Messung des jeweiligen Energieverbrauchs zu entwickeln bzw. anzuwenden um mögliche Optimierungen auch nachweisbar zu dokumentieren. Ebenso sind für diese IKT-Systems Verfahren und Techniken zur Optimierung des Energiebedarfs zu entwickeln.

Hieraus ergeben sich wissenschaftliche Herausforderungen für die folgenden Aspekte, die für die verschiedenen IKT-Systeme untersucht werden sollen:

  • Modellierung des Energieverbrauchs von IKT-Systemen sowie ihrer Komponenten: Die Analyse und Optimierung des Energieverbrauchs aller IKT-Systeme unter Berücksichtigung der Last- und Umgebungsparameter setzt geeignete Abstraktionen des Energieverbrauchs durch geeignete Modelle voraus. Während solche Modelle für einzelne mikroelektronische Hardware-Komponenten bereits existieren, sind sie für kooperierende Hardwarekomponenten in Rechenzentren, Clouds, Sensornetzwerken und für Software-Systeme zu entwickeln und zu erproben. Aufgrund der architekturellen Zusammenhänge dieser Systeme ist hierbei insbesondere auf existierende Hardware-Modelle aufzusetzen.
  • Analyse des Energieverbrauchs von IKT-Systemen sowie ihrer Komponenten: Die zielgerichtete Optimierung des Energieverbrauchs setzt umfassende Kenntnis der Arbeitsweisen und der jeweils aufgabenbezogen unterschiedlichen Energieverbräuche voraus. Beispielsweise erfordert die Untersuchung des Energieverbrauches von Anwendungssoftware neben der Berücksichtigung des grundsätzlichen Energieverbrauchs der jeweils verwendeten Hardware auch eine Abbildung des individuellen Nutzerverhaltens auf den tatsächlichen Energieverbrauch des kombinierten Hard-/Software-Systems. Für die Analyse des Energieverbrauchs sind hier z.B. entsprechende dynamische Software-Analyseverfahren zu entwickeln.
  • Messung des Energieverbrauchs von IKT-Systemen sowie ihrer Komponenten: Sowohl als Grundlage der Analyse des Energieverbrauchs als auch zum Nachweis des Optimierungserfolges sind verlässliche Messungen des möglichst individuellen Energiebedarfs der betrachteten IKT-Systeme erforderlich. Neben einfacher Messung des Stromverbrauchs „an der Steckdose“ sind hier Verfahren nötig, die möglichst den Energiebedarf einzelner Hard- und Software-Komponenten messen. Diese Verfahren bauen einerseits auf bereits existierenden lokalen Messverfahren auf, müssen aber insbesondere für verteilte IKT-Systeme auch um verteilte Messverfahren, z.B. in Smart Grids (vgl. SmartGrid: IKT-Integration dezentraler Anlagen) ergänzt werden.
  • Optimierung des Energieverbrauchs von IKT-Systemen sowie ihrer Komponenten: Die Erhöhung der Energieeffizienz von IKT-Systemen zielt schließlich auf die nachweisbare Optimierung des Energiebedarfs der hier betrachteten Systeme. Hier gilt es Methoden und Verfahren bereitzustellen, die den aktuellen Energiebedarf der jeweiligen Systeme signifikant verringern. Ebenso sind aber auch Entwurfsprinzipien und Techniken zu deren Unterstützung zu entwickeln, die direkt auf die (initiale) Entwicklung energieeffizienter Systeme abzielt.


Forschungsaktivitäten zur Energieeffizienz für die einzelnen IKT-Systeme können hierbei auf unterschiedlich weit entwickelte Vorarbeiten aufbauen. Je nach Stand dieser Vorarbeiten sind Modellierung, Analyse, Messung und Optimierung von IKT-Systemen in unterschiedlicher Granularität vertieft zu betrachten und zu erforschen. Durch eine enge Zusammenarbeit im Cluster „Green IT: Energieeffizienz in der IKT“ sollen die Synergien aus der Betrachtung der Energieeffizienz unterschiedlicher IKT-Systeme in verschiedenen Entwicklungsständen genutzt werden, und insbesondere die Effizienz integrierter IKT-Systeme verbessert werden.