Was ist grüne Software? Einführung in die Potenziale zur Ressourceneinsparung durch Software

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1 Berlin Was ist grüne Software? Einführung in die Potenziale zur Ressourceneinsparung durch Software Dr. Wolfgang Lohmann Technologie und Gesellschaft, Empa - Eidgenössische Materialprüfungsund Forschungsanstalt, St. Gallen

2 Ergebnisse aus dem Vorhaben Grüne Software im Auftrag des Umweltbundesamtes 2013

3 Grüne Software Green IT = [..] Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) und deren Anwendung, die unter Berücksichtigung des gesamten Produktlebenszyklus im Vergleich zu bisherigen Lösungen zu einer deutlichen Entlastung der Umwelt führt. (Borderstep-Institut 2012, S. 10) Green by IT: Umweltentlastende Effekte der IT indirekt über andere Produkte und Dienstleistungen Green in IT: Umweltschonende Bereitstellung von IT-Leistungen Schwerpunkt bisher eher effizienteres Gestalten der Hardware Prozessorarchitektur Serverarchitektur etc. Infrastruktur von RZ Eigentlich Problem der Energiedichte!

4 Grüne Software Blick auf Software im Green IT Kontext oft aus der Perspektive: Energiemanagement von Hardware Virtualisierung Loadbalancing Reicht uns nicht! IKT Systeme allgemein sind (meist) ohne Software unvollständig Virtualisierte Regeleinheit Steuert man falsch, nützt effizienter Untersatz nichts (Faktor Mensch fehlt noch) Trotz des immateriellen Charakter bewirkt Software Materialflüsse, Energieflüsse, erfordert Ressourcen IT Systeme sind mehr als nur Hardware! Aspekt Software verdient mehr Aufmerksamkeit!

5 Grüne Software Grüne Software = [..] Einsatz von Software und die Anwendung von Software, der/die unter Berücksichtigung des gesamten Produktlebenszyklus einschließlich erforderlicher Hardwareressourcen im Vergleich zu bisherigen Lösungen zu einer deutlichen Entlastung der Umwelt führt oder die umweltbelastende Lösungen vermeiden hilft. Fokus auf Software-Aspekt von Green IT, aber auch weiter, zb. Simulationssoftware, Umweltinformationssysteme Nachhaltigkeitssicht ausgeblendet SMARTer2020 Minderungspotenzial 9.1 GtCO2e = 7 fache der direkten IKT Emissionen (SMARTer2020) Relevanz? SMARTer2020 Report! Maßgeblich durch Software getriebene Anwendungen Auch hier: Grün in Software und Grün durch Software What the report doesn't consider, though, is the enabling effect ICT has on emissions increases. (Preist 2012)

6 Grün durch Software Energiemanagement, z.b. Schlafmodus, Virtualisierung & Konsolidierung in RZ, Loadbalancing Cloud computing abatement potential of 4.5 million tonnes of CO2e (Williams u.a. 2013) Potenzial 90% Einsparung aktueller Standardsoftware (Williams u.a. 2013b) Videokonferenzen, z.b. Bell-Labs SW! Messung an Empa mit Doppelkonferenz Davos/Nagoya: Gesamtenergieaufwand 69kg CO2e << 1 Flug eines Teilnehmers (2.1t CO2) zu dem anderen Ort (Coroama u.a. 2012,2013 ) Optimierung, z.b. Logistik, Stauvermeidung Green by SW Dematerialisierung: Kauf von Musik in digitaler Form : Vergleich zur Auslieferung von CDs zum Kunden = bis zu 80% weniger Energieverbrauch und CO₂-Emissionen verursacht (Weber u.a 2009) Materialflüsse, z.b. Ebay, Amazon Wirkung auf Logistikunternehmen Mobile Nutzung Green in IT by SW Green by IT / SW Spielraum für mehr Wachstum? MS Office in Cloud Einsparung Outlook 8% Excel 17% Word -17% Zeit für mehr Konferenzen? Raum für mehr Autos? E-Paper nicht immer besser! (Hischier 2013) (CEET 2013)

7 Grün in Software (?) Powerstatistik Notebook Mit, ohne Flash Werbung durchschnittlich 2.5 Watt Leistungsaufnahme eines Desktop-PCs (Simons u.a. 2010). Lt. (Destatis): 2010 hatten etwa 80% der 36 Mio Haushalte ( ~ 28 Mio) einen stationären PC Einsparpotenzial in der Leistungsaufnahme von mehr als 70 MW Linux Ubuntu Thinkpad X60 (2006) Linux Ubuntu Thinkpad X60 (2006)

8 public class ( ) { fib 0 = 0.. fib 1 = 1 public static void main (.) fib n = fib (n-1) + fib (n-2) {.. long fib_1 = 0; long fib_2 = 1; System.out.print(fib_1); while (fib_2 <= ) { System.out.print(fib_2); long nfib = fib_1 + fib_2; fib_1 = fib_2; fib_2 = nfib; } System.out.println(); } Abstraktionsebenen Anwendungssoftware über Rechnergrenzen hinaus Anwendungssoftware lokal Middleware Virtualisi erung (VM), Konsolidi erung Betriebssystem maxterms equ digits equ (maxterms* )/1000 org 100h mov ax,'00' mov di,counter mov cx,digits+cntdigits/2 cld rep stosw inc ax mov [num1 + digits - 1],al mov [num2 + digits - 1],al mov [counter + c ntdi gi ts - 1],al jmp.bottom.top mov di,num1+digits-1 mov si,num2+digits-1 mov cx,digits call AddNumbers mov bp,num2 call PrintLine dec dword [term] jz.done mov di,num2+digits-1 mov si,num1+digits-1 mov cx,digits call AddNumbers.bottom mov bp,num1 call PrintLine dec dword [term] jnz.top.done call CRLF mov ax,4c00h int 21h PrintLine: mov dx,eol mov cx,msg1len+eollen call PrintString mov di,counter mov cx,cntdigits call PrintNumericString call Inc rementcount mov dx,msg2 mov cx,msg2len call PrintString mov di,bp mov cx,digits PrintNumericString: mov al,'0' cld repe scasb mov dx,di dec dx inc cx PrintString: mov bx, 1 mov ah, 040h int 21h ret AddNumbers: std clc.top mov ax,0f0fh and al,[si] and ah,[di] adc al,ah aaa add al,'0' stosb dec si loop.top ret IncrementCount: mov cx,cntdigits mov di,counter+cntdigits-1 std stc.top mov ax,000fh and al,[di] adc al,ah aaa Quelle: add al,'0' stosb loop.top ret CRLF: mov dx,eol mov cx,eollen jmp PrintString eol db 13,10 eollen equ $ - eol msg1 db 'Fibonacci(' msg1len equ $ - msg1 msg2 db '): ' msg2len equ $ - msg2 term dd maxterms counter: num1 equ counter+cntdigits num2 equ num1+digits Firmware Hardware, z.b. CPU, Bus, Speicher Grafikkarte, Netzwerkkarte

9 public class ( ) { fib 0 = 0.. fib 1 = 1 public static void main (.) fib n = fib (n-1) + fib (n-2) {.. long fib_1 = 0; long fib_2 = 1; System.out.print(fib_1); while (fib_2 <= ) { System.out.print(fib_2); long nfib = fib_1 + fib_2; fib_1 = fib_2; fib_2 = nfib; } System.out.println(); } Übersetzer Abstraktionsebenen Anwendungssoftware über Rechnergrenzen hinaus Anwendungssoftware lokal Middleware Virtualisi erung (VM), Konsolidi erung Betriebssystem maxterms equ digits equ (maxterms* )/1000 org 100h mov ax,'00' mov di,counter mov cx,digits+cntdigits/2 cld rep stosw inc ax mov [num1 + digits - 1],al mov [num2 + digits - 1],al mov [counter + c ntdi gi ts - 1],al jmp.bottom.top mov di,num1+digits-1 mov si,num2+digits-1 mov cx,digits call AddNumbers mov bp,num2 call PrintLine dec dword [term] jz.done mov di,num2+digits-1 mov si,num1+digits-1 mov cx,digits call AddNumbers.bottom mov bp,num1 call PrintLine dec dword [term] jnz.top.done call CRLF mov ax,4c00h int 21h PrintLine: mov dx,eol mov cx,msg1len+eollen call PrintString mov di,counter mov cx,cntdigits call PrintNumericString call Inc rementcount mov dx,msg2 mov cx,msg2len call PrintString mov di,bp mov cx,digits PrintNumericString: mov al,'0' cld repe scasb mov dx,di dec dx inc cx PrintString: mov bx, 1 mov ah, 040h int 21h ret AddNumbers: std clc.top mov ax,0f0fh and al,[si] and ah,[di] adc al,ah aaa add al,'0' stosb dec si loop.top ret IncrementCount: mov cx,cntdigits mov di,counter+cntdigits-1 std stc.top mov ax,000fh and al,[di] adc al,ah aaa Quelle: add al,'0' stosb loop.top ret CRLF: mov dx,eol mov cx,eollen jmp PrintString eol db 13,10 eollen equ $ - eol msg1 db 'Fibonacci(' msg1len equ $ - msg1 msg2 db '): ' msg2len equ $ - msg2 term dd maxterms counter: num1 equ counter+cntdigits num2 equ num1+digits Firmware Hardware, z.b. CPU, Bus, Speicher Grafikkarte, Netzwerkkarte

10 public class ( ) { fib 0 = 0.. fib 1 = 1 public static void main (.) fib n = fib (n-1) + fib (n-2) {.. long fib_1 = 0; long fib_2 = 1; System.out.print(fib_1); while (fib_2 <= ) { System.out.print(fib_2); long nfib = fib_1 + fib_2; fib_1 = fib_2; fib_2 = nfib; } System.out.println(); } Abstraktionsebenen Anwendungssoftware über Rechnergrenzen hinaus Anwendungssoftware lokal Middleware Virtualisi erung (VM), Konsolidi erung Betriebssystem maxterms equ digits equ (maxterms* )/1000 org 100h mov ax,'00' mov di,counter mov cx,digits+cntdigits/2 cld rep stosw inc ax mov [num1 + digits - 1],al mov [num2 + digits - 1],al mov [counter + c ntdi gi ts - 1],al jmp.bottom.top mov di,num1+digits-1 mov si,num2+digits-1 mov cx,digits call AddNumbers mov bp,num2 call PrintLine dec dword [term] jz.done mov di,num2+digits-1 mov si,num1+digits-1 mov cx,digits call AddNumbers.bottom mov bp,num1 call PrintLine dec dword [term] jnz.top.done call CRLF mov ax,4c00h int 21h PrintLine: mov dx,eol mov cx,msg1len+eollen call PrintString mov di,counter mov cx,cntdigits call PrintNumericString call Inc rementcount mov dx,msg2 mov cx,msg2len call PrintString mov di,bp mov cx,digits PrintNumericString: mov al,'0' cld repe scasb mov dx,di dec dx inc cx PrintString: mov bx, 1 mov ah, 040h int 21h ret AddNumbers: std clc.top mov ax,0f0fh and al,[si] and ah,[di] adc al,ah aaa add al,'0' stosb dec si loop.top ret IncrementCount: mov cx,cntdigits mov di,counter+cntdigits-1 std stc.top mov ax,000fh and al,[di] adc al,ah aaa add al,'0' stosb loop.top ret CRLF: mov dx,eol mov cx,eollen jmp PrintString eol db 13,10 eollen equ $ - eol msg1 db 'Fibonacci(' msg1len equ $ - msg1 msg2 db '): ' msg2len equ $ - msg2 term dd maxterms counter: num1 equ counter+cntdigits num2 equ num1+digits Firmware Hardware, z.b. CPU, Bus, Speicher Grafikkarte, Netzwerkkarte (Quelle: CPU) (Kyung u.a., 2011)

11 public class ( ) {.. public static void main (.) {.. long fib_1 = 0; long fib_2 = 1; System.out.print(fib_1); while (fib_2 <= ) { System.out.print(fib_2); long nfib = fib_1 + fib_2; fib_1 = fib_2; fib_2 = nfib; } } System.out.println(); fib 0 = 0 fib 1 = 1 fib n = fib (n-1) + fib (n-2) Unterschiedlicher Energiebedarf z.b. Implementation von Modulo 50% more than simple condition check Abstraktionsebenen Anwendungssoftware über Rechnergrenzen hinaus Anwendungssoftware lokal Middleware Virtualisi erung (VM), Konsolidi erung Betriebssystem maxterms equ digits equ (maxterms* )/1000 org 100h mov ax,'00' mov di,counter mov cx,digits+cntdigits/2 cld rep stosw inc ax mov [num1 + digits - 1],al mov [num2 + digits - 1],al mov [counter + c ntdi gi ts - 1],al jmp.bottom.top mov di,num1+digits-1 mov si,num2+digits-1 mov cx,digits call AddNumbers mov bp,num2 call PrintLine dec dword [term] jz.done mov di,num2+digits-1 mov si,num1+digits-1 mov cx,digits call AddNumbers.bottom mov bp,num1 call PrintLine dec dword [term] jnz.top.done call CRLF mov ax,4c00h int 21h PrintLine: mov dx,eol mov cx,msg1len+eollen call PrintString mov di,counter mov cx,cntdigits call PrintNumericString call Inc rementcount mov dx,msg2 mov cx,msg2len call PrintString mov di,bp mov cx,digits PrintNumericString: mov al,'0' cld repe scasb mov dx,di dec dx inc cx PrintString: mov bx, 1 mov ah, 040h int 21h ret AddNumbers: std clc.top mov ax,0f0fh and al,[si] and ah,[di] adc al,ah aaa add al,'0' stosb dec si loop.top ret IncrementCount: mov cx,cntdigits mov di,counter+cntdigits-1 std stc.top mov ax,000fh and al,[di] adc al,ah aaa add al,'0' stosb loop.top ret CRLF: mov dx,eol mov cx,eollen jmp PrintString eol db 13,10 eollen equ $ - eol msg1 db 'Fibonacci(' msg1len equ $ - msg1 msg2 db '): ' msg2len equ $ - msg2 term dd maxterms counter: num1 equ counter+cntdigits num2 equ num1+digits Firmware Hardware, z.b. CPU, Bus, Speicher Grafikkarte, Netzwerkkarte (Quelle: CPU) (Kyung u.a., 2011)

12 Abstraktionsebenen Zunahme -Information Struktur -Abstraktion - Umwege Zunahme Information über Hardware Abnahme Information über Struktur Anwendungssoftware über Rechnergrenzen hinaus Anwendungssoftware lokal Middleware Betriebssystem Virtualisi erung (VM), Konsolidi erung Firmware Hardware, z.b. CPU, Bus, Speicher Grafikkarte, Netzwerkkarte

13 Abstraktionsebenen Vista Layer macht Hardware obsolete Energieeffizienz von Algorithmen/ Anwendungen durchschnittlich 20% ((Bruschi, 2007) Capra 2009) Abstraktionsebenen kosten Energie, Zeit, sind Umwege, Mehrarbeit Designpattern kosten (noch) (Greens 2012) Beziehungen zwischen Schichten Einfluss von Compilern, Spezialfall Interpreter, Einfluss von Sprachen Energie : Leistung und Zeitdauer Neue Aspekte: Schleifen/CPU Zyklen Laufzeiteffizienz nicht direkt proportional zur Energieeffizienz Algorithmen können auf unterschiedlicher HW unterschiedliche Auswirkungen haben Anwendungssoftware über Rechnergrenzen hinaus Anwendungssoftware lokal Middleware Betriebssystem Virtualisi erung (VM), Konsolidi erung Firmware Hardware, z.b. CPU, Bus, Speicher Grafikkarte, Netzwerkkarte

14 Einige aktuelle Entwicklungen Funktionale Programmierung Gut für Parallelisierung! Rekursion teilweise sehr effizient! Parallele Programmierung: Multi Core-Programmierung / Multithreading Energy Aware Computing Selftuning Code Z.B. Dynamisch an Videoinhalte angepasste Frameraten Videos benötigen unterschiedlich viel Energie Programmiersprachen, mit Energieannotationen / Contracts (z.b. Götz u.a., 2012) EnerJ: Sprache, die Ungenauigkeit zuläßt : We could save energy in everything from smartphones to supercomputers by letting them make mistakes Einsparung 10-40% (Sampson u.a., 2013) Nachhaltigkeit als Qualitätskriterium: Ändert einiges z.b. Liu, 2012: Energy-Efficient Synchronization through Program Patterns

15 Einige kritische Fragen Wer spart Energie? Nutzer? Service Anbieter in Cloud? Infrastrukturbereitsteller? Das Gesamtsystem muss sparen! Was bedeutet das für Material? Z.B. erzwungene HW Wechsel? Mikrowatteinsparungen bei Smartphones Relativ zum Aufwand der Einsparung? Relativ zur Herstellung? Relativ zur erhöhten Nutzung des Smartphones? Hoher Verbrauch für mobile Übertragung (CEET 2013) Wie grün ist Software, wenn sie neue Hardware benötigt? (Hilty) Neukauf eines Laptops amortisiert sich erst nach mind. 5 Jahre Nutzung (optimaler Fall) bei Effizienzsteigerung von 70%! Sonst eher Jahre! (Prakash 2012) Büro: Wasserkocher 1l 200s * 2000W ~ 111,1Wh 200s * 2400W ~ 133,3Wh 20 Tage Smartphone (CEET 2013)

16 Zusammenfassung steuert / optimiert HW (z.b.energie, Wärme) ersetzt / macht Hardware unnötig Beispiel Virtualisierung spart Materialströme ein Move bits, not atoms (N. Negroponte) Spart Platz, Zeit nach Auslieferung noch änderbar Zum Guten ( z.b. Schutz vor fehlendem/falschem Wissen) Immateriell Chancen durch Freie und Open Source Software, aber kein Selbstläufer! Skalierungseffekte! Automatische Anpassungen möglich Beliebig oft kopierbar Leichter Transport Steuert HW oft ineffizient benötigt HW macht HW obsolete bewirkt Materialströme woanders Kostet Platz, Zeit zum Schlechten (z.b. wieder obsolete machen von HW) Extrem komplexe Systeme Laufzeiteffizienz nicht direkt mit Energieeffizenz Abhängig von HW Abhängig von anderen SW Systemen Wechselwirkungen

17 Browservergleich: Energie (MS Blog)

18 Browservergleich: Energie (MS Blog)

19 Browservergleich: Energie (MS Blog)

20 Millionen Zeilen Code Dr. Wolfgang Lohmann Informatics and Sustainability Research Technology and Society Empa Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology wolfgang.lohmann + gmail o com SW Lines of Code Windows 7 ~ Linux Kernel ~

21 Referenzen Capra, E., Merlo, F. (2009): Green IT: Everything starts from the Software, 17th European Conference on Information Systems, Verona Recent researches (Bruschi, 2007) have shown that current energy efficiency of algorithms and applications is on average 20%, whereas energy efficiency related to data quality (low quality data requires more operations) is no higher than 60% (Restorick, 2007). Ungeprüfte Sekundärquellen: T. Restorick, An Inefficient Truth, Global Action Plan Report, 2007, F. Bruschi, From Green Grid to Efficient Enterprise, Schneider Electric, Presentation held at the conference Green ICT, 22nd November 2007, Milan, Italy. CEET (2013): The Power of Wireless Cloud. An Analysis of the Energy Consumption of Wireless Cloud. The total energy consumption of cloud services accessed via wireless networks could reach between 32 TWh and 43 TWh by In 2012, the figure was closer to 9.2 TWh. [..] Wireless access network technologies account for 90% of total wireless cloud energy consumption. Data centres account for only about 9%. The energy consumption of wireless user devices is negligible. Coroama, V. C., Hilty, L. M., Birtel, M. (2011): Effects of Internet-Based Multiple-Site Conferences on Greenhouse Gas Emissions. Telematics and Informatics , Coroama, V., Hilty, L. M., Heiri, E., Horn, F. (2013): The Direct Energy Demand of Internet Data Flows. Journal of Industrial Ecology (in press) CPU Enquete-Kommission Internet und digitale Gesellschaft des Deutschen Bundestages (2012): Gutachten zum Thema Green IT Nachhaltigkeit, vorgelegt von Borderstep-Institut und IZT, Berlin, Ausschussdrucksache 17(24)058, 2012 Götz, A., Wilke, C., Richly S., Aßmann, U. (2012): Approximating Quality Contracts for Energy Auto-Tuning Software, Proc. GREENS 2012, Zurich. Hischier, R., Lisibach, R., Hilty, L. M. (2013): mat an ICT Application to Support a More Sustainable Use of Print Products and ICT Devices, Proc. of First Int. Conf. on ICT4S 2013, Feb , 2013, Zurich Kyung, C-M., Yoo, S. (2011): Energy-Aware System Design: Algorithms and Architectures, Springer, 2011 Liu, Y. D. (2012): Energy-Efficient Synchronization through Program Patterns, Proc. Of Greens 2012, Zurich.

22 MS Blog : 9.aspx Prakash, S., Liu, R., Schischke, K., Stobbe, L. (2012): Zeitlich optimierter Ersatz eines Notebooks unter ökologischen Gesichtspunkten, 2012, UMWELTFORSCHUNGSPLAN DES BUNDESMINISTERIUMS FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT, Forschungskennzahl , UBA-FB , S48 Preist, C. (2012): ICT a power for climate good or evil? In Forum for the future, Dec 12, What the report doesn't consider, though, is the enabling effect ICT has on emissions increases. Sampson, A., Ceze, L., Grossman, D. (2013): EnerJ, the Language of Good-Enough Computing, IEEE Spectrum Feature Article, Simons, R.J.G and Pras, A. (2010) The Hidden Energy Cost of Web Advertising. Technical Report TR-CTIT-10-24, Centre for Telematics and Information Technology University of Twente, Enschede. ISSN Statistisches Bundesamt : Tabellen/A_Infotechnik_D_LWR.html?nn=72206 Thoma, J. (2013): Linux ohne Kernelticks, in Golem, Weber, C. L., Koomey, J.G., Matthews, H.S. (2009): The Energy and Climate Change Impacts of Different Music Delivery Methods, August Williams, R. D., Thomond, P., Mackanzie, I. (2013): The Greenhouse Gas Abatement Potential of Enterprise Cloud Computing. Proceedings of the first ICT4S, Feb 14-16, 2013, Zurich. assuming a cloud market penetration rate of 80%. Results show there is significant potential for GHG emission reductions in each country. Indeed 4.5 million tonnes of CO2e could be reduced from the countries in scope through a move to cloud-based , CRM and groupw are services. For all countries in scope this on average represents approximately 1.7% of the ICT sector s carbon foot print assuming the ICT sector accounts for 4% of GHG emissions. Williams, D. R., Tang, Y. (2013b): Impact of Office Productivity Cloud Computing on Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions, Environ. Sci. Technol. 2013, 47, , dx.doi.org/ /es The power consumption of the cloud based Outlook (8%) and Excel (17%) was lower than their traditional counterparts. However, the power consumption of the cloud version of Word was 17% higher than its traditional equivalent. A third mixed access method was also measured for Word which emitted 5% more GHG than the traditional version.

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24 This should have been enough!