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Nachdrücklich nachhaltig
Neben den üblichen Verdächtigen Konsum, Mobilität, Heizen und Ernährung ist auch der IT-Sektor längst in den Fokus des Klimaschutzes geraten. 1,4 Prozent der weltweit emittierten Treibhausgase lassen sich auf Informations- und Kommunikationstechnologie zurückführen, allen voran die großen Datenzentren von Google, Meta und Co. Doch auch wissenschaftlich genutzte Höchstleistungsrechner benötigen große Mengen an elektrischem Strom und ringen deshalb um gesellschaftliche Akzeptanz.
Die Forscher am HLRS drehen an allen zur Verfügung stehenden Schrauben, um die Nachhaltigkeit ihrer Systeme zu verbessern. Sie wollen den investierten Strom möglichst effizient in wissenschaftlichen Fortschritt ummünzen, erschließen ökologische Ressourcen für die Versorgung ihrer Rechner und versuchen auch die unvermeidliche Abwärme noch sinnvoll zu nutzen.
Deshalb hat man am HLRS schon vor über zehn Jahren damit begonnen, sich mit Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und der optimalen Nutzung der Rechner zu beschäftigen. „Wir haben eine Verantwortung, uns auch mit den Fragen der Energiewende zu beschäftigen“, sagt Michael Resch, der Direktor des HLRS. Zum einen habe man versucht, die Rechenkapazität des Zentrums dafür einzusetzen, die Produktion von Energie zu optimieren. So können mithilfe der komplexen Simulationen, die auf den Höchstleistungsrechnern laufen, zum Beispiel Verbrennungskraftwerke effizienter und schadstoffärmer gemacht werden. „Aber wir haben auch gesehen, dass wir im Wind- und Wasserkraftbereich mit Simulationen sehr viel tun können, um die Energieeffizienz zu steigern“, sagt Resch.
Zudem gibt es eine Reihe von Kooperationen mit der Luft- und Raumfahrtindustrie, um etwa an optimalen Tragflächenprofilen zu arbeiten, die den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen senken. Und bei der E-Mobilität beschäftigt man sich seit 15 Jahren mit der Simulation von Akkus für Elektrofahrzeuge, um deren Haltbarkeit und Reichweite zu erhöhen.
Doch neben der Wahl der Forschungsthemen steht auch der ökologische Fußabdruck des Rechenzentrums selbst im Fokus. „Wir wollen so schnell wie möglich klimaneutral werden“, sagt Resch. „Da geht es neben der Reduktion der CO2-Emissionen auch darum, Energiekosten zu sparen und damit das Budget unserer Geldgeber zu entlasten.“ So habe das HLRS in den letzten zwei Jahren bereits eine drastische Einsparung von Energie erreicht. „Von ursprünglich veranschlagten 6,4 Megawatt elektrischer Leistung konnten wir durch unsere bisherigen Einsparmaßnahmen den Bedarf auf etwa 3,7 Megawatt senken“, stellt Resch fest. „Unsere Stromrechnung beträgt dadurch statt 7 bis 8 Millionen Euro pro Jahr nur etwa 5 Millionen.“ Für diese Bemühungen erhielt das HLRS 2020 das europäische EMAS-Zertifikat und wurde 2023 erfolgreich revalidiert.
Rechenzentren auf dem Prüfstand
In dem vom HLRS koordinierten Forschungsprojekt ENRICH, an dem unter anderem die Universität Ulm und das Institut für Energiewirtschaft und Rationale Energieanwendung der Universität Stuttgart beteiligt waren, wurden aktuelle Entwicklungen bei Rechenzentren auf ihre Ressourceneffizienz und ihr Nachhaltigkeitspotenzial hin analysiert. Ein zentraler Aspekt dabei war das optimale Zusammenspiel zwischen Programmen und Hardware, das Martin Rose, wissenschaftlicher Mitarbeiter am HLRS, im Arbeitspaket „Betrieb digitaler Infrastruktur“ untersucht hat. So lässt sich über das „Power Capping“ regulieren, wie viel elektrische Leistung die zentrale Prozessoreinheit (CPU) beim Ausführen eines Programms aufnehmen darf. „Manche Programme werden sofort langsamer, wenn man ihre Leistung reduziert“, sagt Rose. „Andere hingegen stört das kaum und man sieht am Stromzähler, wie der Computer für die gleiche Rechenleistung weniger elektrische Leistung braucht.“
In einem Rechenzentrum wie dem HLRS gibt es üblicherweise viele Nutzer aus verschiedenen wissenschaftlichen Institutionen, die ihre Programme ausführen lassen wollen. Und so wie Universitäten ihre Leistung gern in Veröffentlichungen pro Jahr messen, lassen sich wissenschaftliche Rechenzentren danach beurteilen, wie viele Kilowattstunden Strom pro Veröffentlichung aufgewendet werden müssen. In der Regel wird jedem Nutzer eine bestimmte Rechenzeit bereitgestellt. Ist sie abgelaufen, folgt die Ablösung durch das nächste Forschungsprojekt. „Wir haben es also ständig mit neuen Bedingungen zu tun“, berichtet Rose. „Jeden Monat ändert sich die Zusammensetzung der Programme, die auf unseren Rechnern laufen.“
Um die Energieeffizienz eines Programms zu beurteilen, orientieren sich die Betreiber eines Rechenzentrums an Messgrößen wie der Lastverteilung, also der Verteilung der Rechenleistung auf die einzelnen Prozessorkerne eines Großrechners. Der Hauptrechner des HLRS, der Hawk, verfügt über mehr als 10.000 Prozessoren mit insgesamt über 640.000 Prozessorkernen, von denen stets mehrere gemeinsam an einer Aufgabe arbeiten. Dazu wird das Problem zunächst parallelisiert und die gesamte Rechenarbeit auf einzelne, kleine Unterprogramme aufgeteilt, die dann jeweils auf einem der Kerne laufen. „Wenn diese Verteilung ungleichmäßig ist, kann das dazu führen, dass viele Programme darauf warten müssen, bis ein einziges anderes Programm fertig ist“, erklärt Rose. „Und da das System auch in dieser Wartezeit Strom verbraucht, verschwendet es dabei sowohl Energie als auch Zeit.“
Gigantische Gleichungssysteme
Auf den Rechnern des HLRS laufen vor allem komplexe Simulationen physikalischer Vorgänge wie Strömungen von Flüssigkeiten oder Klimasimulationen. Für solche Modelle unterteilen die Wissenschaftler den Raum in kleine, dreidimensionale Segmente und stellen für jedes davon physikalische Formeln auf. Dabei sind alle Segmente miteinander gekoppelt, wodurch ein gigantisches Gleichungssystem entsteht. Um das für die parallele Berechnung auf einem Supercomputer anzupassen, zerlegen die Programmierer das Berechnungsgebiet – etwa den Raum, durch den die Flüssigkeit fließt, oder die Atmosphäre der Erde – in Substrukturen, die sich jeweils auf einem Rechenkern lösen lassen. Dabei kommuniziert jeder Prozessor über das Netzwerk mit seinen Nachbarn und tauscht die berechneten Werte aus, um zu einer Gesamtlösung zu kommen.
„Programme, die schon seit vielen Jahren in der Entwicklung sind, zeigen in der Regel eine sehr gute Lastverteilung“, stellt der HLRS-Experte fest. „Aber es gibt auch Nutzer, die sehr neue Programme laufen lassen, die noch nicht so gut optimiert sind.“ Dann könne es sich lohnen, noch einmal etwas Arbeitszeit zu investieren, um das Programm anzupassen. Statistische Schätzungen prognostizieren ein Potenzial für Effizienzsteigerungen von ungefähr zehn Prozent. „Die meisten Nutzer reagieren positiv, wenn wir sie auf solche Mängel in ihren Simulationen aufmerksam machen“, berichtet Rose. „Schließlich haben sie ja auch selbst Interesse daran, in der ihnen zur Verfügung stehenden Zeit so viel wie möglich zu rechnen.“
Neben der Optimierung von Programmen und Hardware kann auch der Einsatz ökologischer Ressourcen zu mehr Nachhaltigkeit führen. Zu diesem Zweck verbindet das Projekt „WindHPC“ des HLRS erstmals Computer, die sich in einem Windpark befinden, mit einem Höchstleistungsrechenzentrum. „Wenn viel Wind weht, produzieren diese Anlagen oft mehr Strom, als sie abgeben können“, erklärt Christoph Niethammer, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter das Projekt umsetzt. Um solche Schwankungen auszugleichen, könnten dann etwa Teile einer Simulationsaufgabe vom Großrechner in Stuttgart in den Windpark verschoben werden. „Ein weiterer Vorteil von Rechnern direkt in der Windkraftanlage ist der Wegfall von Leitungsverlusten bei der Stromübertragung“, sagt Niethammer. „Würde man den Windstrom aus dem Norden hierher ans HLRS transportieren, müsste man mit fünf bis zehn Prozent Verlust rechnen.“ Zum Kühlen der Rechner würde sich der Kamineffekt in den Türmen der Windkraftanlagen anbieten. Doch dazu müssten diese erst noch umgebaut oder die Kühlung bei einem Neubau gleich berücksichtigt werden.
„Auf jeden Fall ist in den Türmen Platz vorhanden“, sagt Niethammer. „Die Grundflächen sind rund zehn Quadratmeter groß und normalerweise völlig leer“. Allerdings kann ein externer Rechner nicht die gleichen Maße haben wie sein großer Bruder im HLRS, dem etwa die Fläche einer Sporthalle zur Verfügung steht. Ein Rechner, der im Turm einer Windkraftanlage Platz findet, benötigt eine elektrische Leistung für die Stromversorgung in der Größenordnung von 100 Kilowatt – also einen Bruchteil der bis zu 6 Megawatt, die eine große Windenergieanlage erzeugt. Das Kraftwerk betreibt damit bei Bedarf nicht nur den Rechner, sondern liefert auch weiterhin Strom für die Haushalte in der Umgebung, die immer Vorrang haben.
Herausforderung Kommunikation
Das Hauptproblem bei dem Projekt ist die Kommunikation zwischen HLRS und Windpark. „Bei uns in Stuttgart stehen die Rechner alle dicht gepackt“, schildert Niethammer. „Das heißt, sie können sehr schnell miteinander kommunizieren, weil die Kabel, die die Informationen übermitteln, kurz sind.“ Bei einer mehrere Hundert Kilometer langen Leitung zum Windpark dagegen kommt es zu Verzögerungen in der Größenordnung weniger Millisekunden. „Das klingt zwar nicht nach viel, aber wenn Tausende Unterprogramme auch nur eine Millisekunde auf ein Ergebnis aus dem Windpark warten müssen, summiert sich das bereits zu mehreren Sekunden verlorener Rechenzeit“, sagt der Forscher.
Um solche Probleme zu vermeiden, sollen nur solche Berechnungen an die externen Computer ausgelagert werden, die nicht zeitkritisch sind. „Wird etwa für die Datenauswertung eine Visualisierung der Ergebnisse gebraucht, ist es nicht schlimm, wenn der Nutzer darauf eine halbe Sekunde warten muss“, sagt Niethammer. „Und die eigentlichen, komplexen Berechnungen können im Hintergrund ungestört weiterlaufen.“ Außerdem lassen sich, wenn die Struktur des Problems es erlaubt, kleinere Datensätze komplett vom Rest loslösen, um sie unabhängig auf den Windparkrechnern zu verarbeiten. „Allerdings müssen wir immer warten, bis dort gerade ein Stromüberschuss produziert wird“, sagt Niethammer. Entscheidungsgrundlage für die Planung einer Auslagerung wird der Wetterbericht sein. „Da kommt es dann vor allem darauf an, den Workflow im Voraus gut zu planen.“ Die ersten 20 Rechner stehen schon bereit, um das Konzept zu testen, und sollen bald im Windenergiepark installiert werden.
Mit Biss und Schiss
Um Energie ganz anderer Art – bezogen auf zehn massige Wasserbüffel und die ideenreichen Initiatoren eines Weideprojekts im Bottwartal bei Großbottwar – geht es in einem Projekt zum ökologischen Weidemanagement. Bei dem Projekt im Landkreis Ludwigsburg werden durch „Biss und Schiss“ Strukturen zur biologischen Vielfalt geschaffen. Denn man hat erkannt, dass es neuer – aber eigentlich alter, wenn auch vielerorts verschwundener – Methoden des Landschaftsmanagements bedarf, um die für die biologische Vielfalt wichtige Nahrungskette wieder aufzubauen. Wie verändern die Tiere durch ihr Weiden und das sogenannte Suhlen die Landschaft? Welche Kleinstrukturen entstehen und geben dem großen Ganzen ein vielfältiges, ökologisches Mosaik? Solche Fragen beantwortet ein Team des HLRS unter Leitung von Uwe Wössner. Daneben betreiben die Wissenschaftler Artenschutzmonitoring sowie eine Dokumentation und Simulation der Landschaft.
Dieser Einsatz für den Naturschutz zeigt die Breite der Palette an Aufgaben, denen sich die Forscher am HLRS stellen. Die Rechner, die sie dafür nutzen, benötigen enorm viel Energie: Sie entspricht etwa der Energie des elektrischen Stroms, den eine Stadt mit 18.000 Einwohnern verbraucht. Und die Computer verwandeln sie letztlich komplett in Wärme, die abgeführt werden muss. Dennoch bleibt die Frage, wie viel die Energie für die Wärmeabfuhr – die Kühlung der Rechner – zusätzlich kostet. Und ob man diese Wärme nicht sinnvoll nutzen kann.
Ohne zusätzlichen Energieaufwand fließt Wärme immer von warm nach kalt. „Um die Wärme also aus dem Rechenzentrum herauszubekommen, sollte die Temperatur des Kühlwassers höher sein als die Außentemperatur“, erklärt Norbert Conrad, stellvertretender Direktor des HLRS. Er ist zuständig für das Projekt „DEGREE“, in dem ein digitaler Zwilling des gesamten Kühlsystems des Rechenzentrums entwickelt wird, um auch hier die Energieeffizienz zu verbessern. „Früher wurde das fast ausschließlich mit Kältemaschinen erreicht – im Grunde riesigen Kühlschränken, die die Wärme nach außen pumpen“, berichtet Conrad.
Allerdings: So eine Kältemaschine benötigt für jede Kilowattstunde an Energie, die sie abtransportiert, etwa eine viertel bis eine drittel Kilowattstunde Strom. Freie Kühlung dagegen, bei der die Temperatur des Kühlwassers von vornherein hoch genug ist, um die Wärme direkt an die Umgebung abzugeben, benötigt fast gar keinen Strom. „Unser Ziel ist deshalb, möglichst warmes Kühlwasser zu haben und möglichst viel an freier Kühlung zu machen“, sagt Conrad.
Für eine effiziente freie Kühlung sollten die Rechner also bei möglichst hoher Temperatur arbeiten. Andererseits können sie umso schneller sein, je besser sie gekühlt sind, weil sich die Abwärme mit kaltem Wasser rascher aus dem System ziehen lässt und die Prozessoren nicht so schnell überhitzen. „Die Kühlung ist effizient, wenn die Kühlwassertemperatur hoch ist. Der Rechner dagegen ist effizient, wenn sie niedrig ist“, fasst Conrad das Dilemma zusammen. „Deshalb haben wir einen digitalen Zwilling entwickelt, der unser gesamtes Kühlsystem simuliert.“ Die wichtigsten Einflussfaktoren dabei sind die Außentemperatur und der aktuelle Betriebszustand des Rechners – also die Aufgaben, an denen er arbeitet. „Der digitale Zwilling sagt uns dann, wie wir die Kühlung betreiben müssen, um ihren Energiebedarf zu minimieren.“
Doch effiziente Kühlung ist nur eine Sache. Noch besser ist es, die unvermeidliche Abwärme sinnvoll zu nutzen. „Aktuell nutzen wir die Wärme für unsere eigene Gebäudeheizung“, sagt Conrad. „Allerdings brauchen wir dafür nur etwa 100 Kilowatt, während der Rechner 3 Megawatt abgibt, also das 30-Fache.“ Andere Gebäude am Uni-Campus sind älter und deshalb oft noch auf höhere Heizungstemperaturen ausgelegt. Dort braucht es Wärmepumpen, die die Temperatur des Kühlwassers anheben. Allerdings werden Gebäude auch laufend modernisiert oder neu gebaut und lassen sich dann auch energiesparend direkt mit dem Kühlwasser des Rechenzentrums beheizen.
Superrechner beheizen die Universität
Umgekehrt wird wohl schon die nächste Generation von Rechnern am HLRS mit wärmerem Kühlwasser laufen, weil die Computer es näher an die Wärmequellen im Chip heranführen. Das reduziert den Wärmewiderstand, und das Wasser kann trotz der geringeren Temperaturdifferenz zum Chip dieselbe Kühlleistung entfalten. „Beide Entwicklungen laufen gemeinsam in die richtige Richtung“, freut sich Norbert Conrad. „Deshalb gehen wir davon aus, dass wir schon ab 2027 unsere gesamte Abwärme nutzen werden, um die Universität Stuttgart zu beheizen“. Im Winter soll so etwa die Hälfte der notwendigen Heizenergie aufgebracht werden. Und auch im Sommer gibt es etliche Systeme in den Labors und Werkstätten, die Wärme brauchen. Dieser Bedarf sollte sich mit der Abwärme des Supercomputers vollständig decken lassen.
Zurzeit ist der digitale Zwilling zur Optimierung das Kühlsystems noch speziell auf die Anforderungen des HLRS ausgelegt. Doch da andere Rechenzentren zwar andere Systeme nutzen, aber die elementare Physik dahinter stets dieselbe ist, soll die Simulation verallgemeinert werden, um auch anderorts für mehr Effizienz zu sorgen. „Als Höchstleistungsrechenzentrum sind wir Leuchttürme und haben damit eine Signalwirkung, von der auch industrielle Zentren profitieren können“, sagt HLRS-Direktor Michael Resch. „Wir jedenfalls wollen unsere Vorbildfunktion in puncto Energieeffizienz wahrnehmen.“
Dieser Artikel ist Teil einer Sonderpublikation in Kooperation mit dem Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS). Hier finden Sie das vollständige bild der wissenschaft extra zum Download.