Von der Software-Entwicklung bis zum Datacenter-Rückbau Nachhaltigkeitshebel für Betreiber, Entwickler und Fördergeber: das Whitepaper ETP4HPC

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VON ZUR MÜHLEN'SCHE GmbH

Data Center Group – Büro Köln

Der Energiebedarf von KI- und HPC-Anwendungen wächst rasant. Doch Effizienzkennzahlen wie Power Usage Effectiveness (PUE) greifen zu kurz, wenn sie singulär und ausschließlich betrachtet werden. Nachhaltigkeit steckt in dem gesamten Lebenszyklus von Infrastruktur, Hardware und Software.

Der Ausbau von KI-Infrastrukturen und High-Performance-Computing-Systemen (HPC) verändert derzeit die Energieprofile von Rechenzentren spürbar. Trainingsläufe großer KI-Modelle, datenintensive Simulationen und hybride HPC-Cloud-Architekturen treiben Leistungsdichten und Lastspitzen in neue Dimensionen. Während sich die Branche lange auf die Optimierung einzelner Effizienzkennzahlen konzentriert hat, wird zunehmend deutlich: Die Herausforderungen sind systemischer Natur.

Wer und was?

Vor diesem Hintergrund hat die European Technology Platform for High-Performance Computing (ETP4HPC) im Rahmen ihrer „Strategic Research Agenda 6“ ein Whitepaper zum Thema „Energy Efficiency and Sustainability“ veröffentlicht. ETP4HPC ist ein europäischer Zusammenschluss aus Industrie, Forschung und Technologie-Anbietern, der strategische Leitlinien für die Entwicklung von HPC-Ökosystemen formuliert. Das aktuelle Whitepaper behandelt nicht nur technische Detailfragen, sondern stellt auch die zentrale These auf: Energie-Effizienz allein genügt nicht – Nachhaltigkeit muss ganzheitlich gedacht werden.

Ein Kernpunkt des Whitepaper liegt in der Erweiterung der Perspektive. Nachhaltigkeit umfasst nicht nur die ökologische Dimension (wie oft angenommen), sondern ebenso ökonomische und gesellschaftliche Aspekte. Neben dem operativen Energieverbrauch rücken damit auch Planung, Beschaffung, Betrieb, Modernisierung und schließlich Stilllegung von Systemen in den Fokus.

Von besonderer Bedeutung ist dabei die Notwendigkeit einer vollständigen Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment, LCA). Faktoren wie die Herstellung von Hardware, der Bau und die Anpassung von Rechenzentrumsflächen, die Kühltechnik, aber auch Wartung und Recycling tragen gleichermaßen zur Gesamtbilanz bei. Wer Nachhaltigkeit ernsthaft bewerten will, muss diese Phasen systematisch berücksichtigen.

Energie- und Carbon-aware Scheduling

Auf operativer Ebene identifiziert das Whitepaper konkrete Handlungsfelder. Dazu zählt insbesondere das Energie- und Carbon-aware Scheduling. Während klassische Scheduler primär auf Performance und Auslastung optimieren, ermöglichen moderne Ansätze die Berücksichtigung zusätzlicher Parameter wie Strompreis, aktuelle CO₂-Intensität des Strommixes oder thermische Rahmenbedingungen.

Gerade in Zeiten zunehmender Einspeisung erneuerbarer Energien und volatiler Strompreise eröffnet dies neue Steuerungsoptionen. So können Jobs zeitlich oder räumlich so verteilt werden, dass sie in Phasen geringerer CO₂-Intensität laufen oder auf Standorte mit günstigerer Energiebilanz verschoben werden. Voraussetzung dafür sind transparente Monitoring-Systeme und geeignete Schnittstellen zwischen Ressourcen-Management und Energiedaten.

Damit verschiebt sich der Fokus von der reinen Auslastungsoptimierung hin zu einer mehrdimensionalen Steuerung von Rechenzentrumsressourcen. Energie, Kosten, CO₂-Intensität und Performance stehen dann nicht mehr länger isoliert nebeneinander, sondern müssen gemeinsam bewertet werden. Für Betreiber bedeutet das auch organisatorische Anpassungen: Energiedaten müssen verfügbar, interpretierbar und in operative Entscheidungsprozesse integrierbar sein.

Hardware-Software-Co-Design als Effizienzhebel

Ein weiteres zentrales Thema ist das Hardware-Software-Co-Design. Moderne HPC-Architekturen sind zunehmend heterogen – mit CPUs, GPUs und spezialisierten Beschleunigern. Theoretisch ermöglichen diese Komponenten erhebliche Effizienzgewinne pro Watt. In der Praxis bleiben diese Potenziale jedoch oft ungenutzt, wenn Anwendungen nicht gezielt angepasst werden.

Der Rückschluss: Hardware-Entwicklung, Systemsoftware und Applikationsdesign sollten stärker miteinander verzahnt werden. Energie-effiziente Algorithmen, optimierte Datenbewegung und angepasste Workflows können signifikant zur Reduktion des Gesamtverbrauchs beitragen. Nachhaltigkeit wird damit auch zur Softwarefrage.

Digitale Zwillinge für Planung und Betrieb

Ein besonders praxisnaher Ansatz ist der Einsatz von Digital Twins für HPC- und Rechenzentrumsinfrastrukturen. Digitale Zwillinge ermöglichen es, Energieflüsse, thermische Entwicklungen, Auslastungsszenarien und Wartungszyklen zu simulieren. Bereits in der Planungsphase neuer Systeme lassen sich so Auswirkungen auf Strombedarf, Kühlkonzepte oder Leistungsdichten realitätsnah abschätzen.

Im laufenden Betrieb unterstützen sie dabei, Ineffizienzen zu identifizieren, „What-if“-Szenarien zu bewerten und Wartungs- und Modernisierungsstrategien zu optimieren. Nachhaltigkeit wird so zu einer mess- und steuerbaren Größe – nicht nur reaktiv, sondern proaktiv.

Konkrete Handlungsempfehlungen

Aus der Analyse ergeben sich mehrere Handlungsempfehlungen:

• Aufbau harmonisierter Monitoring- und Reporting-Strukturen für Energie, Wasser und CO₂

• Integration von Energie- und Nachhaltigkeitskriterien in Beschaffungsprozesse

• Förderung Energie-effizienter Software-Entwicklung und entsprechender Schulungsangebote

• Nutzung von KI-Methoden zur dynamischen Optimierung von Scheduling und Ressourcenzuteilung

• Systematische Anwendung von Lebenszyklusanalysen bei Planung und Modernisierung

Für Betreiber bedeutet das: Nachhaltigkeit darf kein isoliertes Nebenprojekt sein, sondern muss integraler Bestandteil der Infrastrukturstrategie werden. Sie sollte in Governance-Strukturen, KPI-Systeme und Investitionsentscheidungen eingebettet sein. Nachhaltigkeitskennzahlen sind damit nicht nur Reporting-Instrumente, sondern Steuerungsgrößen, vergleichbar mit Verfügbarkeit, Sicherheit oder Wirtschaftlichkeit.

Nachhaltigkeit als Systemaufgabe

Mit dem Übergang in das Post-Exascale-Zeitalter wird deutlich, dass die lineare Skalierung von Rechenleistung bei steigendem Energie-Einsatz kein tragfähiges Modell mehr ist. Nachhaltigkeit im Rechenzentrum ist eine Systemaufgabe, die technische, organisatorische und strategische Aspekte umfasst.

Der europäische Orientierungsrahmen aus Industrie und Forschung zeigt, dass Energie-Effizienz notwendig bleibt, jedoch nur ein Baustein einer umfassenden Nachhaltigkeitsstrategie ist. Gerade im Kontext zunehmender Regulierung, steigender Energiepreise und wachsender gesellschaftlicher Erwartungen wird Nachhaltigkeit zu einem entscheidenden Wettbewerbs- und Standortfaktor. Rechenzentren, die ökologische und ökonomische Aspekte systematisch verknüpfen, sichern nicht nur ihre Betriebseffizienz, sondern auch ihre langfristige Akzeptanz und Investitionsfähigkeit.

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