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Überall in der IT – am Arbeitsplatz, im Rechenzentrum oder beim Supercomputing – gilt es, dem Klima zuliebe sparsamer mit Energie umzugehen. Wir sprechen darüber mit zwei Experten aus unterschiedlichen Sparten: dem CTO von Suse und dem stellvertretenden Direktor eines Supercomputing-Zentrums.

Linux-Magazin: Herr Pfeifer, welche Rolle spielt die Nachhaltigkeit in ihrem Software-Entwicklungsprozess bei Suse? Welche Ziele verfolgen Sie?

Gerald Pfeifer: Nachhaltigkeit hat viele Gesichter: Wie werden Produkte und ihre Komponenten entwickelt, integriert und gepflegt? Welche Ressourcen konsumieren sie im täglichen Betrieb? Wie sieht das Ganze über ihre Lebenszeit aus? Wir wollen gemeinsam mit Communities, Partnern und Kunden nachhaltige Ansätze entwickeln, die im Zusammenspiel mit anderen Komponenten im Rechenzentrum für einen geringeren Energieverbrauch und CO₂-Ausstoß sorgen. Das ist ein hochgestecktes Ziel, lässt sich aber meiner Meinung nach erreichen, wenn wir alle wirklich gemeinsam offen daran arbeiten.

Wir arbeiten seit einigen Jahren daran, unsere Systeme nachhaltig zu gestalten. Die Suse-Linux-Enterprise-Familie (SLE) wird für die unterschiedlichsten Architekturen entwickelt und optimiert. So profitieren Anwender von einem optimalen Verhalten auf der von ihnen eingesetzten Hardware, gerade auch in Sachen Effizienz und Energiebilanz. Die SLE-Produkte teilen eine gemeinsame Codebasis, egal, ob es sich dabei um Suse Linux Enterprise Server für x86, ARM-Prozessoren, Real-Time-Erweiterung, SAP-Anwendungen oder SLE Micro für den Einsatz in Edge-Geräten handelt. Das unterstützt ein Wiederverwenden von Bestandteilen, den nahtlosen Fluss von Daten und ein organisches Wachstum.

Durch regelmäßige Updates des Linux-Kernels und anderer Komponenten sorgen wir dafür, dass Neuerungen etwa zur Steigerung der Energieeffizienz rasch ihren Weg in die Systeme unserer Kunden finden. Eines der Green-Coding-Projekte, an denen wir intensiv arbeiten, betrifft die Integration der Suspend-to-Idle-Funktion (von Intel S0ix und von Microsoft Modern Standby genannt) in den Linux-Kernel; wir erzielen da gute Fortschritte. Die neue Funktionalität macht das Suspend/Resume von Systemen viel energieeffizienter als zum Beispiel Suspend-to-RAM, und es funktioniert auch auf Plattformen, die das nicht in der Hardware unterstützen.

Ein weiterer Aspekt sind lange Lebenszyklen. Diese betragen bei den meisten SLE-Produkten ohnedies bereits 10 Jahre und lassen sich darüber hinaus verlängern. Das hilft Kunden dabei, ihre Hardware länger zu nutzen. Wir legen bei Suse auch in anderen Bereichen Wert auf Nachhaltigkeit: Im Rahmen unserer Go-Green-Initiative haben wir unter anderem Plastikflaschen aus den Büros verbannt. Suse bezuschusst die Monatskarten der Mitarbeiter für den öffentlichen Nahverkehr, und wir fördern unsere Kollegen finanziell beim Umstieg auf Fahrrad oder E-Bike für die Fahrt zum Büro.

Linux-Magazin: Herr Eickermann, welche Rolle spielt Energieeffizienz beim Supercomputing? Man könnte meinen, da wäre alles einer möglichst hohen Rechenleistung untergeordnet?

Thomas Eickermann: Der Bedarf der Wissenschaft an Supercomputer-Rechenleistung kennt praktisch keine Grenzen. Daher stellt es in der Regel ein wichtiges Ziel dar, mit einem vorgegebenen Budget die maximale Rechenleistung zu erzielen. Da die Energiekosten einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen, ist Energieeffizienz schon allein aus wirtschaftlichen Gründen wichtig. Vor allem in Europa kommt hinzu, dass auch die Höchstleistungsrechenzentren ihren Beitrag zum europäischen Green Deal leisten wollen und müssen, indem sie so energieeffizient wie möglich arbeiten.

Linux-Magazin: Herr Pfeifer, anspruchsvolle Ziele allein sind ja zunächst nur Absichtsbekundungen. Wie messen Sie den Erfolg?

Gerald Pfeifer: Die Einsatzszenarien bei unseren Kunden fallen sehr vielfältig aus. Die Energiebilanz und den ökologischen Fußabdruck muss man hier immer in der Gesamtheit sehen. Neue Technologien wie Container/Kubernetes ermöglichen das Modernisieren bestehender Anwendungen für eine Cloud-native Welt. Das eröffnet Potenzial für weitere Optimierungen.

Wir beteiligen uns intensiv an der Schaffung offener Standards, nach denen Energieverbräuche erfasst, analysiert und bereitgestellt werden. Hardware, Systemsoftware und Anwendung müssen über einheitliche Schnittstellen und Formate verfügen, um diese Daten austauschen zu können. Das ermöglicht eine nachhaltige und CO₂-senkende Steuerung der gesamten Umgebung. Für deren Definition und Umsetzung engagiert sich Suse zum Beispiel im Rahmen des vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie geförderten IPCEI-CIS-Projekts [1].

Linux-Magazin: Herr Eickermann, ein System aus ihrem Supercomputing-Zentrum, das JUWELS Booster Module, hat es in die Top 10 der Green500-Liste der umweltfreundlichsten Höchstleistungsrechner geschafft. Welche konkreten Maßnahmen haben dazu geführt?

Thomas Eickermann: Die Green500-Liste vergleicht ausschließlich die Rechenleistung pro Watt Leistungsaufnahme des Rechners beim High-Performance-LINPACK-Benchmark (HPL). Dafür geben die Rechnerarchitektur und die eingesetzten Komponenten den Ausschlag. Die besten Werte lassen sich aktuell mit GPUs wie der NVIDIA A100 erreichen, von der 3744 Exemplare im JUWELS Booster Modul verbaut sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der modulare Supercomputer JUWELS des Jülicher Supercomputing-Zentrums. Mit 12 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde ist er der schnellste Hochleistungscomputer in Deutschland. Quelle: Land NRW / Roberto Pfeil

Eine weitere wichtige Rolle spielt das Hochgeschwindigkeitsnetzwerk. Mit zunehmender Größe der Rechner nimmt der Anteil der Kommunikation zwischen den Rechenknoten an der Laufzeit von Programmen zu – und damit die Effizienz ab. Beim JUWELS Booster Modul haben wir daher besonderen Wert auf ein leistungsfähiges Netzwerk gelegt, um Anwendungen möglichst gut zu unterstützen, die den gesamten Rechner nutzen können. Dazu verfügt jede GPU über einen Infiniband-HDR-Adapter mit einer Bandbreite von 200 Gbit/s.

Davon profitiert auch der HPL-Benchmark und somit die Platzierung in der Green500-Liste. Das spiegelt sich auch darin wider, dass neben dem JUWELS Booster Modul nur noch ein weiterer Rechner in den Top 10 der Green500-Liste steht, der es zugleich auch in die Top 10 der Top500-Liste der schnellsten Supercomputer geschafft hat.

Linux-Magazin: Herr Pfeifer, die Einsparung an CO₂-Äquivalent fungiert als eine Art Währung im Kampf gegen die globale Erwärmung. Was konnten Sie in dieser Hinsicht erreichen?

Gerald Pfeifer: Hier begegnen wir vielen unterschiedlichen Anwendungsszenarien, die eine generelle Berechnung zurzeit noch unmöglich machen. Entscheidend für den Erfolg aller Initiativen sind aber nicht nur bloß unsere Anstrengungen. Ohne offene Schnittstellen und Standards für den durchgängigen Austausch der Daten zum Energieverbrauch gelingt keine umfassende energieeffiziente Steuerung von IT-Strukturen.

Linux-Magazin: Herr Eickermann, CO₂ hat bekanntlich einen Preis, und der lässt im Zug des Kampfs gegen die Klimaschäden auch die Energiepreise steigen. Läuft das sehr energieintensive Hochleistungsrechnen dadurch womöglich Gefahr, unwirtschaftlich zu werden?

Thomas Eickermann: Der technologische Fortschritt macht Computer – und auch Supercomputer – immer energieeffizienter. Dass ihr absoluter Energieverbrauch dennoch zunimmt, liegt daran, dass die Rechenleistung seit vielen Jahren schneller steigt, als ihre Energieeffizienz sich verbessert. Simulationen auf Supercomputern werden für viele Anwendungsfelder von der Grundlagenforschung bis zu Ingenieurwissenschaften immer wichtiger und tragen zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen wie Verkehr, Umwelt und Klima, Gesundheit oder dem demografischen Wandel bei. Daher ist es letztlich eine Frage der Abwägung, bis zu welchem Punkt dieser Nutzen den hohen Energieverbrauch noch rechtfertigt.

Linux-Magazin: Herr Eickermann, nun beeinflusst ja nicht die Hardware allein den Energieverbrauch, sondern auch die Software hat ihren Anteil daran. Stichwort Sustainable Programming – gibt es das auch beim Hochleistungsrechnen? Wenn ja, haben Sie ein Beispiel dafür?

Thomas Eickermann: Den größten Anteil am Energieverbrauch der Software haben die Anwendungsprogramme. Hier gilt die Faustregel, dass Anwendungen, die auf einem Rechner eine höhere Rechenleistung liefern, auch eine bessere Energieeffizienz haben. Sie erreichen ihr Ergebnis in kürzerer Zeit mit weniger Energie, obwohl die Leistungsaufnahme unter Umständen höher ist als bei weniger effizienten Programmen. Aus diesem Grund kommt der Optimierung von Anwendungsprogrammen eine sehr wichtige Rolle zu. Darüber hinaus kann es bei bestimmten Anwendungen sinnvoll sein, die Taktrate der Prozessoren zu reduzieren, da dann die Leistungsaufnahme schneller ab- als die Laufzeit der Programme zunimmt. Das reduziert den Energiebedarf bis zum Ergebnis. Auf diese Weise lassen sich bis zu einigen Prozent Energie einsparen.

Linux-Magazin: Herr Pfeifer, in welchem Verhältnis stehen Ihrer Meinung nach die Einsparungen von Treibhausgas durch Software im Verhältnis zu den Einsparungen, die sich durch effizientere Hardware oder das Rechenzentrumsdesign realisieren lassen?

Gerald Pfeifer: Nur das Zusammenspiel von Hardware, Systemsoftware und Anwendungen führt zum Erfolg. Da gibt es auch viele spannende neue Szenarien: mit Solarenergie betriebene Rechenzentren, das Nutzen der RZ-Abwärme zum Heizen, die Platzierung von Edge-Rechenzentren in Windrädern. Ich bin davon überzeugt, dass wir hier in Zukunft noch viel Innovation erleben werden.

Linux-Magazin: Herr Eickermann, alle Supercomputer verwenden Linux als Betriebssystem. Hat das einen Einfluss auf die Energieeffizienz?

Thomas Eickermann: Die Systemauslastung einer CPU, auf der nur ein (Linux-)Betriebssystem läuft, bewegt sich in der Regel im unteren einstelligen Prozentbereich. Reduziert man die Anzahl der aktiven Systemdienste und Hintergrundprozesse auf ein Minimum, so wie es auf den Rechenknoten eines Supercomputers üblich ist, sinkt sie auf unter 1 Prozent. Damit unterscheidet sich der Energieverbrauch einer lediglich stromführenden CPU ohne jegliche Last nur minimal von dem eines Prozessors, auf dem ein reduziertes Betriebssystem läuft.

Gleichzeitig versetzt der Linux-Kernel die CPU für das Ausführen von Simulationen in andere Modi, als wenn der Rechenknoten gerade nicht arbeitet. Hierüber kann man die den Simulationen zur Verfügung stehende Rechenleistung maximieren und gleichzeitig die Idle-Last minimieren. So lässt sich die unter den gegebenen Umständen bestmögliche Energieeffizienz erzielen. Ob sich Ähnliches auch mit anderen Betriebssystemen erreichen ließe, wie etwa Windows, ist schwer einzuschätzen.

Linux-Magazin: Herr Eickermann, ein überwiegender Teil der der durch die Rechner verbrauchten Energie fällt als Abwärme an. Gibt es in Jülich auch Projekte, die darauf abzielen, diese Abwärme für die Heizung oder anderswie zu nutzen?

Thomas Eickermann: Konventionell dient zur Kühlung von Supercomputern Kaltwasser, für dessen Erzeugung man zusätzliche Energie einsetzen muss. Heute ermöglichen die führenden Hersteller von Supercomputern die direkte Kühlung der Chips mit je nach System bis zu 40 Grad Celsius warmem Wasser, das sich im Rechner um bis zu 10 Grad erwärmt. Das ermöglicht in einem ersten Schritt den Verzicht auf das Erzeugen von Kaltwasser, da sich das erhitzte Kühlwasser frei an der Außenluft abkühlen lässt. In einem zweiten Schritt ermöglichen diese Temperaturen auch eine Nutzung der Wärme. In Jülich laufen dazu Vorbereitungen, um im Rahmen des Projekts Living Lab Energy Campus die Wärme in ein Nahwärmenetz einzuspeisen, mit dem Gebäude auf dem Campus des Forschungszentrums Jülich beheizt werden sollen.

Linux-Magazin: Herr Eickermann, eine letzte Frage: Im Bereich des Supercomputing gibt es ein Rennen um den ersten Exaflop-Rechner. Auf der Green500-Liste misst man die Rechenleistung pro Watt in Gigaflops, drei Größenordnungen niedriger. Wird man jemals auch Tera-, Peta- oder gar Exaflops pro Watt erreichen können, oder gibt es da eine Grenze?

Thomas Eickermann: Für das Verbessern der Energieeffizienz war über Jahrzehnte die Verkleinerung der Transistoren in den Chips ausschlaggebend. Die nähert sich ihrer natürlichen Grenze, da die Strukturen bereits heute nur noch wenige Atome breit sind. Eine mögliche Stellschraube bieten Optimierungen der Architektur der Rechenkerne. So erzielen GPUs deutlich höhere Rechenleistungen pro Watt als CPUs. Auch hier bringt jede neue Generation von GPUs und CPUs Verbesserungen, aber es sieht nicht danach aus, dass sich damit noch mehrere Größenordnungen erreichen lassen.

Quantencomputer sind ein aktives Feld der Forschung und Entwicklung. Sie haben das Potenzial, bestimmte Aufgaben extrem effizient zu lösen. Allerdings kann man ihre Leistung wohl nicht in Watt pro Flop messen, da sie keine Fließkommaoperationen ausführen. Denkbar wären auch andere Sprunginnovationen durch neue Materialien oder Konzepte. Daran wird aktuell geforscht, aber naturgemäß lassen sich die Resultate nur schwer vorhersagen.

Linux-Magazin: Wir danken herzlich für das Gespräch!