Wege zur nachhaltigen Digitalisierung HPI-Konferenz: „Clean-IT” und Green IT - Wie geht das?

Von Robert Brunner*

Kürzlich hat das Hasso-Plattner-Institut der Universität Potsdam zur ersten „Clean-IT Konferenz“ eingeladen. Fazit: Green-IT is back; denn Digitalisierung und Nachhaltigkeit müssen zusammen gedacht und gebracht werden. Das fängt beim Code, beim Applikationsdesign an und geht weiter bei Energiesparprojekten und geht weiter ....

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Jede digitale Operation verbraucht Energie und trägt somit zum globalen CO2-Fußabdruck bei. Werden keine Gegenmaßnahmen ergriffen, würde die Digitalisierung zum Klimaproblem Nummer eins werden.
Jede digitale Operation verbraucht Energie und trägt somit zum globalen CO2-Fußabdruck bei. Werden keine Gegenmaßnahmen ergriffen, würde die Digitalisierung zum Klimaproblem Nummer eins werden.
(Bild: peach_fotolia - stock.adobe.com)

KI, Blockchain, die Vernetzung über das Web und der allgegenwärtiger Datenaustausch. Die digitale Transformation durchdringt unser tägliches Leben auf der ganzen Welt und ist wohl der Schlüssel bei der Lösung globaler menschlicher Herausforderungen wie Klimawandel, Armut und wirtschaftlichem Wohlstand für alle. Doch ist die Digitalisierung ökologisch nachhaltig? Noch ist sie es nicht. Aber das muss sich jetzt ändern, so der Tenor des Hasso-Plattner-Instituts (HPI) in Potsdam.

Die Ausbildung eines modernen KI-Modells könne so viel Kohlenstoff verbrauchen wie 300 Hin- und Rückflüge vom SFO-NYC oder der Lebenszyklus von 5 Autos inkl. Treibstoff In kürzester Zeit, wenn nicht gegengelenkt werde, so das HPI, werde die Digitalisierung zum Klimaproblem Nummer eins werden.
Die Ausbildung eines modernen KI-Modells könne so viel Kohlenstoff verbrauchen wie 300 Hin- und Rückflüge vom SFO-NYC oder der Lebenszyklus von 5 Autos inkl. Treibstoff In kürzester Zeit, wenn nicht gegengelenkt werde, so das HPI, werde die Digitalisierung zum Klimaproblem Nummer eins werden.
(Bild: HPI)

„Ohne innovative digitale Technologien werden wir die Klimaziele nicht erreichen können“, erläutert Professor Christoph Meinel, CEO des HPI und Projektleiter „openHPI“. Doch immer mehr vernetzte Geräte, IT-Anwendungen und Internet-User benötigen auch zunehmend Energie und Ressourcen. Damit die Digitalisierung nicht zum Bumerang und selbst zur Gefahr für die Klimaziele wird, ist es wichtig, Digitalisierung und Nachhaltigkeit zusammen zu denken und international Leitlinien zu etablieren.

Damit stellt Meinel die „Clean-IT“-Initiative des HPI vor.

Jede digitale Operation verbraucht Energie und trägt somit zum globalen CO2-Fußabdruck bei.
Jede digitale Operation verbraucht Energie und trägt somit zum globalen CO2-Fußabdruck bei.
(Bild: HPI)

Einzelne Produkte und Dienstleistungen können zum Preis von Massengütern angeboten werden und so den globalen Wohlstand erhöhen. Dabei wird jedoch oft übersehen, dass digitale Technologien auch zunehmend die Ursache für die globale Umweltverschmutzung sind. Jede digitale Operation verbraucht Energie und trägt somit zum globalen CO2-Fußabdruck bei. In kürzester Zeit würde die Digitalisierung zum Klimaproblem Nummer eins werden.

Wie clean-IT funktioniert

Um das Paradox von mehr aus weniger zu lösen, müssen neue algorithmische Paradigmen in der Praxis umgesetzt werden. Das Prinzip „Sustainability by Design“ kann zur Grundlage der IT-System-Entwicklung werden; denn oftmals verursachen unnötig komplizierte Programmierung oder schlechtes IT-Systemdesign einen höheren Energieverbrauch im Vergleich zu effizienteren Algorithmen. Innovative IT-System-Architekturen können die gleiche/leicht geringere Präzision oder den gleichen/leicht geringeren Datendurchsatz erreichen und dadurch enorme Energiemengen einsparen.

Algorithmische Effizienz muss daher zum führenden Paradigma der IT-System-Entwicklung werden. Wir nennen diesen Ansatz Clean-IT.

Professor Dr. Christoph Meinel, CEO des HPI und Projektleiter der „Clean-IT Intiative“

Denn, so Meinel: „Digitale Technologien sind der Schlüssel zur Verringerung von Armut, Unterernährung oder Hunger, Konflikten und Ungleichheit. Dennoch müssen Anstrengungen unternommen werden, um die Energieeffizienz von IT-Systemen deutlich zu verbessern.“ Dazu gehörten Maßnahmen zur Entwicklung von Methoden, um IT-Systeme energieeffizienter zu machen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssten Akteure aller Sektoren zusammenarbeiten, um "Sustainability by Design" zum führenden Paradigma des Digital Engineering zu machen.

Anlass der Projektvorstellung ist die erste Clean-IT- Konferenz gewesen, die am 30. März 2022 in Potsdam stattgefunden hat und zu der hochrangige Vertreterinnen und Vertreter aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik zusammen gekommen sind. Ziel der Veranstaltung ist es aufzeigen, wie digitale Technologien den Kampf gegen den Klimawandel unterstützen können und was getan werden muss, um den CO2-Fußabdruck der Digitalisierung selbst zu reduzieren.

Einige Sprecher der Konferenz:

  • Franziska Brantner, Parlamentarische Staatsekretärin im Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
  • Stefan Schnorr, Staatssekretär im Bundesministerium für Digitales und Verkehr
  • Dirk Messner, Präsident des Umweltbundesamts
  • Oliver Süme, Vorstandsvorsitzender des eco-Verbands
  • Philipp Herzig, Senior Vizepräsident von SAP
  • Jan Peter Schemmel, Geschäftsführer des Öko-Institut e. V.
  • Konstantinos Karachalios, Managing Director der IEEE Standards Association
  • Mei Lin Fung, Co-Founder des People Centered Internet
  • Ralf Herbrich, KI-Forscher

Digitalisierung ist die Voraussetzung

„Intelligente Software und künstliche Intelligenz können erheblich dazu beitragen, die Klimaziele zu erreichen. Allerdings müssen wir dafür auch die IT und Anwendungen selbst nachhaltiger gestalten“, sagt Gastgeber und HPI-Direktor Meinel. Er fasst zusammen: „Wir brauchen nicht weniger, sondern mehr Digitalisierung. doch sie muss unseren Ansprüchen nach Energie-Effizienz und Nachhaltigkeit entsprechen. IT muss Teil der Lösung sein, nicht des Problems.“

Béla Waldhauser, Sprecher der unter dem Dach von Eco – Verband der Internetwirtschaft e.V. gegründeten Allianz zur Stärkung digitaler Infrastrukturen in Deutschland erklärt die Rolle Energie-effizienter Rechenzentren für eine nachhaltige Digitalisierung und zeigt Lösungsansätze für noch mehr Energie-Effizienz und Nachhaltigkeit im Bereich digitaler Infrastrukturen auf: „Digitale Infrastrukturen bilden das Rückgrat für eine nachhaltige Digitalisierung. Bereits jetzt tragen sie erheblich dazu bei, den CO2-Fußabdruck digitaler Technologien und Services zu reduzieren“, so Waldhauser. „Um die Ziele des EU Green Deals umzusetzen, muss der positive Einfluss von Rechenzentren und ihre Motorfunktion auf die digitale Wirtschaft anerkannt werden, anstatt diese zu benachteiligen. Zudem werden Konsumenten wie Produzenten gemeinsam daran arbeiten müssen, um diese Ziele auch Realität werden zu lassen.“

Bewusstsein schaffen

Mit seiner „Clean-IT Initiative“, die bereits vor zwei Jahren als offene Dialogplattform für das Thema eingerichtet wurde, möchte das HPI Lösungsansätze sammeln, die eine nachhaltigere Digitalisierung internationalen Austausch schaffen sollen: offen für alle interessierten Bezugsgruppen, die sich mit der Verminderung des Energiebedarfs digitaler Technologien beschäftigen, dafür Richtlinien, Algorithmen und Verfahren entwickeln und diese zur Diskussion stellen. Das Institut lädt jeden auf diese Plattform ein, neue Erkenntnisse, Vorschläge und Techniken per Video oder Weblink vorzustellen und zu teilen.

Die „Clean-IT“-Konferenz 2022 des HPI hat gezeigt, dass digitale Technologien unverzichtbar sind, um die Ziele für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen (SDGs) zu erreichen und die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Dazu gehörten Maßnahmen zur Entwicklung von Methoden, um IT-Systeme Energie-effizienter zu machen.
Die „Clean-IT“-Konferenz 2022 des HPI hat gezeigt, dass digitale Technologien unverzichtbar sind, um die Ziele für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen (SDGs) zu erreichen und die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Dazu gehörten Maßnahmen zur Entwicklung von Methoden, um IT-Systeme Energie-effizienter zu machen.
(Bild: Veranstaltungsbild HPI)

Bereits jetzt werde es für Forschungseinrichtungen, IT-Industrie, Politik und Interessenverbände genutzt, um Fragen nachhaltiger Digitalisierung zu besprechen. Ziel sei es, das Bewusstsein für den globalen Energie-Fußabdruck von IT-Systemen zu schärfen.

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Das HPI Clean-IT-Forum

Das vom Hasso-Plattner-Institut eingerichtete „Clean-IT-Forum“ fungiert seit April 2021 als internationale Austauschplattform für Forschungseinrichtungen, IT-Industrie, Politik und Interessenverbände, um Fragen nachhaltiger Digitalisierung zu diskutieren. Das HPI ruft internationale Expertinnen und Experten dazu auf, Lösungsvorschläge einzubringen und sich auszutauschen, wie der ständig wachsende Energiebedarf etwa von Rechenzentren und Anwendungen wie Cloud Computing, Media Streaming, Künstlicher Intelligenz oder Blockchain-Technologie bewältigt werden kann. Dabei ist das Forum offen für alle interessierten Bezugsgruppen, die sich mit der Verminderung des Energiebedarfs digitaler Technologien beschäftigen, dafür Richtlinien, Algorithmen und Verfahren entwickeln und diese zur Diskussion stellen.

Bereits jetzt präsentieren HPI-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Clean-IT Forum eigene Lösungs-Ansätze und Ideen. Auch Forscherinnen und Forscher aus anderen Universitäten und Experten aus Verbänden und Unternehmen, wie beispielsweise dem Eco-Verband der Internetwirtschaft e.V., der SAP SE und Otto Group Solution Provider (OPS) sind mit Beiträgen vertreten.

Neben dem Forum würden Ideen und Lösungsansätze der Initiative auch in der Livetalk-Reihe „Clean-IT openXchange“ präsentiert. Einmal im Monat könnten Zuschauerinnen und Zuschauer hier ihre Fragen direkt an die Expertinnen und Experten stellen, Anregungen geben und gemeinsam über nachhaltige Digitalisierung diskutieren. Die Aufzeichnungen der Talks können im Nachhinein im Forum oder auf www.tele-task.de angesehen werden.

Größere Anstrengung

Das HPI verstärkt im Rahmen der Clean-IT-Initiative seine Anstrengungen, in der Forschung, Lehre und Entwicklung, digitale Technologien Energie-effizienter und klimafreundlicher zu machen. Denn mit innovativen IT-System-Architekturen, effizienteren Algorithmen oder einem Sustainability-by-Design-Ansatz bei der Entwicklung von Software lassen sich große Energiemengen einsparen.

Zu den Forschungsprojekten des HPI gehören: 'Binary Neural Networks', 'Energy Aware Computing' und 'Measuring Energy Consumption of IT Networks' (siehe: Kasten). Unmittelbar vor der Konferenz hat zudem ein Hackathon zu Clean-IT-Themen am HPI stattgefunden.

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Beispiele von 'Clean-IT'

In Experimenten des HPI an der Universität Potsdam erreicht 'BinaryDenseNet' eine relative Verbesserung von 18,6 Prozent beziehungsweise 7,6 Prozent gegenüber dem bekannten 'XNOR'-Netz und dem aktuellen State-of-the-Art Bi-Real-Netz in Bezug auf die Top-1-Genauigkeit im 'ImageNet'.
In Experimenten des HPI an der Universität Potsdam erreicht 'BinaryDenseNet' eine relative Verbesserung von 18,6 Prozent beziehungsweise 7,6 Prozent gegenüber dem bekannten 'XNOR'-Netz und dem aktuellen State-of-the-Art Bi-Real-Netz in Bezug auf die Top-1-Genauigkeit im 'ImageNet'.
( Bild: HPI )

Binäre Neuronale Netzwerke

Während die besten KI-Systeme neuronale Netze auf der Basis von 32-Bit-Algorithmen trainieren, kann das Verfahren auch mit 'binären neuronalen Netzen' (1-Bit-Algorithmus) ausgeführt werden. Dies reduziert den Aufwand in den einzelnen Rechenschritten drastisch und führt sofort zu einer Energie-Einsparung um den Faktor 20.

Obwohl binäre neuronale Netze derzeit rund 5 Prozent weniger genau sind als die KI-Systeme einschlägiger globaler Konzerne, können durch die Reduktion 95 Prozent des Stromverbrauchs eingespart werden. Bei millionenfachem Einsatz von KI-Anwendungen pro Tag erreicht die Einsparung so immense Werte.

Optimierung submodularer Funktionen

Experimente am HPI haben gezeigt, dass die Anwendung von heuristischen Algorithmen zur Optimierung submodularer Funktionen, die zur Optimierung des Verkehrs, zur Nutzung von Rohstoffen in der Produktion oder zur Allokation von Gütern auf Märkten eingesetzt werden können, die Laufzeit im Vergleich zu traditionellen Algorithmen um den Faktor 288 reduzieren. Während herkömmliche Software zwei Tage benötigt, um die Lösung für dieses Problem zu berechnen, benötigte der heuristische Algorithmus nur zehn Minuten und reduzierte damit den Energieverbrauch der Rechner auf nur 0,35 Prozent des ursprünglichen Werts.

Rechenzentren der nächsten Generation umfassen eine immer vielfältigere Landschaft von Beschleunigern und Hardware-Architekturen, die die Energie-Effizienz erheblich verbessern können; zum Beispiel um den Faktor 10 für Wettersimulationsmodelle.
Rechenzentren der nächsten Generation umfassen eine immer vielfältigere Landschaft von Beschleunigern und Hardware-Architekturen, die die Energie-Effizienz erheblich verbessern können; zum Beispiel um den Faktor 10 für Wettersimulationsmodelle.
( Bild: HPI )

Energy Aware Computing

Rechenzentren der nächsten Generation umfassen eine immer vielfältigere Landschaft von Beschleunigern und Hardware-Architekturen, die jeweils Vorteile für bestimmte Algorithmenklassen oder Anwendungsbereiche bieten. Leider ignoriert die heutige Software diesen Grad der Heterogenität weitestgehend. Durch die Ausführung von Arbeitslasten auf der Hardware, die am besten geeignet ist, kann die Energieeffizienz erheblich verbessert werden; zum Beispiel um den Faktor 10 für Wettersimulationsmodelle, die FPGA-Beschleuniger anstelle von Allzweckprozessoren nutzen.

* Robert Brunner ist freier Autor und lebt in Augsburg.

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