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Das EcoCloud-Center der EPFL ist das einzige akademische Zentrum seiner Art, das eine führende Rolle auf dem Gebiet der nachhaltigen Cloud-Computing-Technologien einnimmt und Innovationen vorantreibt. Foto: EPFL

Klima & Energie Partner Inhalt: EPFL

Wie Clouds dem Klima zusetzen

Rechenzentren sind wahre Energiefresser. Forschungsteams der EPFL arbeiten daran, die digitale Welt nachhaltiger zu gestalten. Eine neuentwickelte Lösung kann helfen, Leerläufe der Server in Datenzentren zu verhindern.

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Dank der Cloud ist die Freiheit fast grenzenlos: Jederzeit und nahezu überall können wir Filme und Serien streamen, Musik hören, das nächste Reiseziel recherchieren – oder noch ein Katzenvideo posten. Doch die digitalen Dienste konsumieren sehr viel Energie, haben also einen enormen ökologischen Fussabdruck, der künftig noch steigen könnte. Am EcoCloud-Center der EPFL werden Methoden für mehr Nachhaltigkeit in der digitalen Welt entwickelt. EcoProphet gehört dazu. Diese Anwendung soll Rechenzentren bei der effizienten Verteilung ihrer Ressourcen helfen – per digitaler Signatur der Kunden.

Wir leben in einer Ära der Ungeduld. Wer online einen Film sehen oder einen Song hören möchte, hat keine Zeit zu verlieren. Jede noch so kleine Verzögerung ist ärgerlich. Und das ist ein grosses Problem der digitalen Anbieter. Genervte Kunden kommen vielleicht nicht wieder. Das lässt sich nur verhindern, wenn jedes Angebot auf Knopfdruck verfügbar ist. Das Verhalten einzelner Kunden ist aber eine Black Box und die Unternehmen dürfen nicht nachschauen. So wie persönliche Küchenchefs im Handumdrehen jedes Gericht zubereiten können, müssen sich die Anbieter stattdessen auf jede Eventualität vorbereiten.

Maximale Nutzung

Auch auf das schlimmste Szenario, erklärt Professor David Atienza, der das Embedded Systems Lab an der School of Engineering sowie EcoCloud leitet. Er meint die maximale Nutzung der Angebote durch die Kunden. «Es macht beispielsweise einen grossen Unterschied, ob wir einen Film auf dem Laptop oder – wie mittlerweile immer häufiger – auf dem Smartphone ansehen», sagt er. «Je grösser der Bildschirm, desto mehr Pixel müssen generiert werden. Die Anbieter müssen die Rechnerressourcen bereitstellen, damit alle Kunden auf den grössten Bildschirmen diesen Film sehen können. Auch wenn sie dann nicht benötigt werden.» Einfach gesagt: Wo im Endeffekt vielleicht fünf Server für ein Angebot ausreichen würden, stehen möglicherweise zehn parat – und können nicht anderweitig genutzt werden. Das ist nicht effizient und trägt zum hohen Energiekonsum digitaler Angebote und von deren Rechenzentren bei. In diesen meist gigantisch grossen Hallen sind Server neben- und übereinandergestapelt. Grosse Unternehmen wie Google und Netflix haben eigene Rechenzentren, kleinere Anbieter können hier Speicherkapazität mieten.

KI als Gamechanger

Egal, welcher Onlineservice von Kunden verlangt wird, ob Google-Suche, Social-Media-Post oder das Streamen eines Films: Die Daten kommen von hier. Momentan verteilt sich der Energieverbrauch der digitalen Welt zu gleichen Teilen auf drei Bereiche: Endgeräte wie Smartphones und Laptops, die Infrastruktur des Internets und die Rechenzentren. Diese sind also schon jetzt enorme Energiefresser. In der Schweiz beispielsweise beläuft sich ihr gesammelter Verbrauch laut einer Studie im Auftrag des Bundesamtes für Energie auf 3,6 Prozent des nationalen Stromverbrauchs. Und in Zukunft müssen Rechenzentren noch mehr leisten, ihr ökologischer Fussabdruck wird also weiter steigen.

Dafür gibt es drei Gründe: Zum einen wächst das Internet um rund ein Drittel pro Jahr. Dann speichern immer mehr Menschen und Unternehmen ihre Dateien, Dokumente, Bilder und Videos statt auf den eigenen Geräten in der Cloud, also auf externen Servern der Rechenzentren. Zudem droht künstliche Intelligenz zum Gamechanger in Sachen Energieverbrauch zu werden. Generative KI wie das bekannte Chat-GPT kann etwa Texte und Bilder erstellen. Dabei greifen die Modelle auf unfassbar grosse Datenmengen zurück, mit denen sie gefüttert wurden.

Dieses Training verbraucht schon jetzt extrem viel Energie. Neue Modelle sollen noch leistungsstärker werden und viele Anbieter sind in dieses Rennen eingestiegen. So etwa auch Google mit «Gemini», das die Kunden fast wie ein persönlicher Assistent unterstützen und rundum versorgen soll. «Es wird eine gigantische Datenbasis haben», sagt Atienza. «Das bedeutet, dass viel Geld und viel Energie ins Training fliessen. Bisher war das kaum ein Thema, weil Strom so billig war. Das ändert sich jetzt aber.» So bauen grosse Anbieter ihre Rechenzentren beispielsweise in Norwegen, wo sie geothermale Energie nutzen können. Keine Option, die für alle und überall funktioniert. «Deshalb machen wir die Arbeit in EcoCloud», sagt Atienza. «Wir suchen nach Wegen, die allgemein helfen, die Effizienz von Cloudsystemen und Rechenzentren zu verbessern.»

«Wasser aus dem Genfersee kühlt die Rechner und nimmt deren Abwärme auf.»

Insgesamt 37 Labore mit rund 200 Mitarbeitenden gehören der Einrichtung an. Sie forschen unter anderem zum reibungslosen Einsatz erneuerbarer Energien in Rechenzentren oder aber zur Vermeidung von Leerläufen bei den Servern. Atienzas Team hat dafür EcoProphet als Manager der Cloud entwickelt. Das Programm analysiert Anwendungen, die in einzelnen Servern genutzt werden, sowie die dafür nötigen Ressourcen. Diese Daten ergeben eine Art Signatur, die rückschliessen lässt, ob etwa ein Film in einem bestimmten Format gestreamt wird oder ob jemand einfach nur Antworten auf Google sucht.

Verbindet sich ein Kunde erneut mit einem Programm, lässt sich nach ein paar Sekunden über die dazu passende Signatur rückschliessen, was er plant: Ein Movie auf dem Mobiltelefon? Eine Serie auf dem Laptop? Ein Hinweis darauf, welche Ressourcen benötigt werden. Das ist keine exakte Wissenschaft, aber EcoProphet hat eine einzigartig hohe Trefferquote: Nur in fünf Prozent der Fälle liegt das Programm nach bisherigen Tests daneben.

Wenn die Server heisslaufen

Das erklärt, warum die Industrie so interessiert an Atienzas Arbeit und der Forschung an EcoCloud ist. Sie finanziert einige Stellen im Labor und ist am Bau des neuen und bemerkenswerten EPFLRechenzentrums beteiligt. Solche Einrichtungen sind auch Energiefresser, weil die Server buchstäblich heisslaufen. Sie müssen beständig auf erträgliche 20 bis maximal 30 Grad Celsius gekühlt werden. An der EPFL läuft das über einen nachhaltigen Kreislauf: Wasser aus dem Genfersee kühlt die Rechner und nimmt dabei deren Abwärme auf, die dann über Wärmepumpen zur Heizung der Campusgebäude genutzt wird.

Am neuen EPFL-Rechenzentrum werden all die neuen Ansätze zu mehr Effizienz getestet und optimiert. Die dafür nötigen Daten liefern einige Branchengrössen wie IBM, Meta und Google. Es ist eine Dopplung echter Aktivitäten, die anderswo und damit geschützt vor Fehlern ablaufen. Trotzdem können Forschende ihre Ideen hier wie in der Praxis testen. Eine Chance, die Atienza nicht für EcoCloud allein beansprucht: «Jeder kann sich mit einem Projektvorschlag melden», sagt er. «Es trägt zur Nachhaltigkeit der Anlage bei, dass wir sie mit der gesamten Forschergemeinschaft teilen.»

EPFL-Professor David Atienza. Foto: PD

PD

David Atienza, EPFL-Professor

Energie sparen: Was kann jeder von uns dazu beitragen?

Der einzelne Kunde kann nicht beeinflussen, wie effizient und ressourcenschonend Rechenzentren laufen. Trotzdem können wir alle mit ein paar Kniffs zu mehr Nachhaltigkeit beitragen, wie Professor David Atienza betont. «Jeder Laptop hat eine Low-Energy-Option», sagt er. «Ich benutze sie fast immer, weil ich die maximale Rechnerleistung nur in seltenen Fällen benötige. Und nachts schalte ich meine Geräte natürlich immer komplett aus.»

Ausserdem sollte die Cloud nur mit guten Gründen genutzt werden: «Ein Beispiel sind Anfragen auf Google», sagt Atienza. «Viele Leute suchen nochmal, anstatt die Antwort beim ersten Mal auf ihrem Gerät zu speichern – und dann bei Bedarf abzurufen.» Ein letzter Tipp: Warum nicht mal nach alter Schule vorgehen? Es mag bequem sein, Medieninhalte und Musik nach Lust und Laune zu streamen. Wer stattdessen analog guckt und lauscht, spart aber viel Energie.

Deklaration: Dieser Inhalt wurde vom Sustainable Switzerland Editorial Team im Auftrag der EPFL erstellt.

Dieser Artikel behandelt folgende SDGs

Die Sustainable Development Goals (SDGs) sind 17 globale Ziele für nachhaltige Entwicklung, vereinbart von den UN-Mitgliedsstaaten in der Agenda 2030. Sie decken Themen wie Armutsbekämpfung, Ernährungssicherheit, Gesundheit, Bildung, Geschlechtergleichheit, sauberes Wasser, erneuerbare Energie, nachhaltiges Wirtschaftswachstum, Infrastruktur, Klimaschutz und den Schutz der Ozeane und der Biodiversität ab.

7 - Bezahlbare und saubere Energie
9 - Industrie, Innovation und Infrastruktur
12 - Verantwortungvoller Konsum und Produktion

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