Energie-Effizienz und Nachhaltigkeit von Programmen Umweltbundesamt: Schluss mit ineffizienter Software und Datenverarbeitung!

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Umweltbundesamt (UBA)

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Wie kann digitale Infrastruktur nachhaltiger und ökologischer werden? Dieser Frage – mit besonderem Fokus auf die Software-Entwicklung und auf Rechenzentren – geht das Umweltbundesamt Berlin (UBA) zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie nach. Vor Kurzem wurden erste Zwischenergebnisse des Forschungsprojekts „Softaware“ auf einem „Hackathon“ in Berlin der Fachöffentlichkeit vorgestellt.

Der Hackathon wurde vom UBA zusammen mit der internationalen Organisation Sustainable Digital Infrastructure Alliance (SDIA) mit Hauptsitz in Amsterdam und dem Ökoinstitut durchgeführt. Harald Lutz hakte bei dem wissenschaftlichen UBA-Mitarbeiter Mathias Bornschein nach.

Vor welchem Hintergrund wendet sich das UBA überhaupt dem Thema Softwareprogrammierung zu? Können Sie die Problematik dazu kurz vorstellen?

Mathias Bornschein: Als UBA haben wir das Thema Energie-effiziente Software und Hardware schon etwas länger auf dem Schirm. Beides sollte stets zusammen gedacht werden. Meistens ist heute noch die Software für den Energiehunger der Hardware verantwortlich. Damit eng verknüpft ist die Tatsache, dass Software-Updates und Release-Wechsel der marktführenden Hersteller häufig auch dafür verantwortlich sind, dass die Hardware vorzeitig ersetzt werden muss, obwohl sie grundsätzlich noch funktionstüchtig ist. Diese Zusammenhänge waren ein Hauptgrund dafür, dass wir dieses Thema jetzt intensiver betrachten möchten beziehungsweise das Projekt „Softaware“ aus der Taufe gehoben haben.

Inwieweit steht das eher softwarelastige Thema überhaupt mit Rechenzentren in Zusammenhang?

Bornschein: Eine effizient programmierte Software wird natürlich weniger Speicherplatz beanspruchen als eine ineffiziente. Das hat wiederum einen direkten Einfluss auf die Datacenter-Branche. Wenn weniger Speicherplatz für Rechenoperationen benötigt wird, kommt man auch mit weniger Servern aus, die ja irgendwo ‚gehostet‘ werden müssen. Dadurch können die Datacenter – heute vielerorts noch die bekannten großen grauen Betonkästen –, zukünftig auch kleiner ausfallen und werden weniger Energie für die Kühlung der IT benötigen. Darüber hinaus stellen wir auch einen Einfluss auf die Menge der hin- und her versendeten Daten fest: Eine energieeffizienter programmierte Software geht auch sparsamer mit dem Empfangen und Versenden von Daten um. Das wiederum hat einen konkreten Einfluss auf die kritische Infrastruktur insgesamt und damit auch auf die Rechenzentren. Außerdem gilt es, sich am System Datacenter selbst noch ganz viele andere Dinge anzuschauen. An dieser Schnittstelle setzt meine UBA-Kollegin Marina Köhn mit ihren Themen an.

Zurück zu Ihrem aktuellen Projekt Softaware: In Berlin wurden der Fachöffentlichkeit vor kurzem erste aktuelle Zwischenergebnisse vorgestellt...

Bornschein: Gestartet sind wir als Gemeinschaftsprojekt der internationalen Organisation SDIA, die vom Berliner IT-Spezialisten Max Schulze mit Hauptsitz in Amsterdam gegründet wurde, und des Ökoinstituts im Mai 2021. Wir wollen vor allem den Softwareentwicklern ein Werkzeug an die Hand geben, mit dem sie die Energieeffizienz ihrer Produkte messen können. Das gilt für sämtliche gängige am Markt verfügbare Software, sofern sie containerbasiert aufgebaut ist – neben Open-Source-Projekten selbstverständlich auch für kommerzielle servergestützte On-Premises-Software und auch für reine Cloud-Lösungen. Wer eine kommerzielle Software entwickelt, möchte natürlich nicht seinen Code irgendwohin hochladen. Daher können Firmen das komplette Testfeld bei sich in ihrer eigenen IT-Infrastruktur installieren. Die Open-Source-Gemeinde dagegen hat die komfortable Möglichkeit, ihren Code direkt in der SDIA-Laborumgebung zu testen. In den Niederlanden und in der Schweiz wurden dafür gleich zwei physische Messlabore aufgebaut. Wenn die Software erst einmal hochgeladen wurde, zeigt ein Dashboard in Windeseile alle relevanten Energie-Effizienzwerte der verschiedenen Hardwarekomponenten an.

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Haben Sie sich für das Projekt noch weitere Ziele gesteckt?

Bornschein: Jetzt, nachdem das Tool da ist, gilt es, vor allem weitere Erfahrungen auch von anderen Entwicklern zu sammeln und zu schauen, wo die Technik eventuell noch etwas hakt und was wir noch optimieren können. Schlussendlich werden wir noch eine Machbarkeitsstudie dazu erstellen, wie Software, die mit unserem Tool getestet wurde, auch mit einem neuen Gütesiegel oder Label gekennzeichnet werden kann. Das Tool selbst wird nach Projektabschluss der kompletten Community zur Verfügung stehen. Jedermann kann dann die Dokumentation und alle Komponenten dazu kostenfrei von den Servern der SDIA herunterladen und bei sich installieren.

Wie müsste denn eine effizientere Software aussehen beziehungsweise die Programmierung im Vergleich zu heute neu gestaltet werden?

Bornschein: Die Programmierer bekommen über unser Tool die Möglichkeit geboten, ihren Code nochmals zu überarbeiten und effizienter zu gestalten. Zum Beispiel lässt sich bereits bei der Wahl der Softwaresprache in puncto Energieeffizienz sehr viel erreichen. Studien belegen eindeutig, dass mit systemnahen Sprachen wie C oder C++ im Gegensatz beispielsweise zu der Modesprache Python Energie mit dem Faktor 79 eingespart werden kann (siehe: Abbildung 2): Python ist als kompilierte Sprache zwar leicht zu lernen, spielt beim Thema Energieverbrauch aber leider in einer unterklassigen Liga. Darüber hinaus gibt es softwareseitig heute nur noch wenige Probleme, die nicht schon einmal von jemandem gelöst worden sind. Diese Bausteine stehen dann auf verschiedenen Repositorien zur Verfügung und Programmierer können auf diesen Code zugreifen. Problematisch wird es aus unserer Sicht immer dann, wenn diese Standardbibliotheken ineffizient programmiert sind. In diesen Fällen vollzieht jeder Nutzer diese Ineffizienz in seinem eigenen Programm nach. Als Faustformel gilt: Wenn eine dieser ineffizienten Standardbibliotheken nur um 0,1 Prozent energieeffizienter gestaltet wird, spiegelt sich dieses Resultat um den Faktor tausend in ganz vielen anderen Programmen wieder.

Wie hoch schätzen Sie mögliche Einsparpotenziale durch effizientere Software insgesamt ein?

Bornschein: Konkrete Zahlen können wir keine nennen. In einem Vorläuferprojekt haben wir bei einem Vergleich zweier Textverarbeitungsprogramme mit ähnlichem Funktionsumfang beispielsweise festgestellt, dass das eine viermal so viel Energie benötigte wie das andere. Bei der wissenschaftlichen Begleitung der Digitalisierung muss aber nicht nur der absolute Energieverbrauch, sondern auch der Energie- und Ressourcenverbrauch für die Herstellung der Hardware betrachtet werden. Je länger ein Gerät produktiv genutzt werden kann und nicht durch einen softwareseitig erzwungenen Neukauf ersetzt werden muss, desto besser ist auch sein ökologischer Fußabdruck. Wir gehen daher davon aus, dass es noch ein riesiges Potenzial gibt, das man heben könnte. Dafür aber benötigen wir aber auch funktionierende Netzwerke, die jetzt aktuell im Projekt „Softaware“ entstehen.

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