Methodische Herausforderungen und Handlungsempfehlungen
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- Benedikt Bösch
- vor 8 Jahren
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1 Methodische Herausforderungen und Handlungsempfehlungen Prof. Dr. Lorenz M. Hilty Institut für Informatik, Universität Zürich Abteilung Technologie und Gesellschaft, Empa, St.Gallen
2 Ergebnisse aus dem Vorhaben Grüne Software im Auftrag des Umweltbundesamtes 2013
3 Gliederung 1. Wie wirkt Software auf Energie- und Rohstoffverbrauch? 2. Herausforderungen: 2.1. Definition funktioneller Einheiten 2.2. Messung des durch Software verursachten Energieverbrauchs 2.3. Allokationsprobleme bei stark schwankender Auslastung 3. Bestehende Lösungsansätze 4. Forschungs- und Standardisierungsbedarf
4 1. Wie wirkt Software auf Energie- und Rohstoffverbrauch? IKT-System nutzt Nutzer/ Nutzerin erbringt Leistung für Software beeinflusst: u Wieviel Hardwareresourcen werden eingesetzt? Anwendungssoftware (Entwicklung) Anwendungssoftware (Betrieb) nutzt erbringt Leistung für Anwendungssoftware (Außerbetriebnahme) u Wieviel Energie verbrauchen diese in der Nutzungsphase? Vorkette Rohstoffe Systemsoftware (Entwicklung) Hardware (Produktion) Vorkette Energie Systemsoftware (Betrieb) nutzt Hardware (Betrieb) Vorkette Energie erbringt Leistung für Systemsoftware (Außerbetriebnahme) Hardware (Entsorgung) Vorkette Energie Sekundärrohstoffe aus Recycling u Wann wird (noch funktionsfähige) Hardware durch neue Hardware ersetzt? Dies bestimmt den Hauptanteil am Verbrauch von Energie und Rohstoffen für den Betrieb von Software.
5 2. Methodische Herausforderungen u Definition funktioneller Einheiten für Software u Messung des durch Software verursachten Energieverbrauchs u Allokationsprobleme bei stark schwankender Auslastung
6 2.1. Definition funktioneller Einheiten u Angaben über die Inanspruchnahme natürlicher Ressourcen durch IKT- Systeme sagen wenig aus, wenn sie nicht auf die Funktion der Systeme bezogen werden:!"##$%&'"(")*+"(*,-,,.(*/01,"&2&/'03"&,4%(56$("11"&,7+(0"+3"(,,.(*/01,+(,.(#8&%'0,9"($::"("&,!"##$%&'"("+(0"+3"(, u Verschiedene Softwareprodukte erfüllen verschiedene Funktionen u Ein einzelnes Softwareprodukte erfüllt eine Vielzahl von Funktionen, die meisten Nutzer verwenden nur wenige davon (und nicht die gleichen) u Verschiedene Versionen des gleichen Softwareprodukts unterscheiden sich im Funktionsumfang à Welche funktionellen Einheiten sind zu verwenden, um z.b. verschiedene Softwareprodukte hinsichtlich Ressourceneffizienz zu vergleichen?
7 2.2. Messung des durch Software verursachten Energieverbrauchs u Energieverbrauch ist durch alle Ebenen des IKT-Systems bestimmt (Anwendungssoftware, mehrere Schichten Systemsoftware, Hardware). u Energieverbrauch wird nicht nur am Ort der Leistungserbringung verursacht, sondern auch in Netzwerken und bei entfernten Servern. u Komplexe Versuchsanordnungen sind notwendig, um Messungen durchzuführen (siehe Vortrag von Prof. Naumann). Die zahlreichen Systemparameter, die nicht von der zu testenden Software abhängig sind, müssen entweder konstant gehalten oder systematisch variiert werden. à Messresultate für die Energieeffizienz von Software sind kontextabhängig. Dies gilt nicht nur für Energie, sondern analog auch für die von Software verursachte Bereitstellung von Hardwarekapazitäten (Speicherplatz, Bandbreite usw.) und die resultierende Beanspruchung natürlicher Ressourcen für die Produktion der Hardware.
8 2.3. Allokationsprobleme bei stark schwankender Auslastung u Die Auslastung von Hardwareressourcen wie Prozessoren, Speicher oder Netzwerkkomponenten ist typischerweise stark fluktuierend. u Die vorgehaltenen Kapazitäten sind an den erwarteten Lastspitzen orientiert. u Nur bei einem sehr fortgeschrittenen Energiemanagement kann Hardware den Energieverbrauch der aktuellen Nutzung anpassen (siehe Vortrag von Dr. Kappler); die Grundlast (Leistungsaufnahme bei Auslastung Null) ist bei vielen Hardwarekomponenten relativ hoch. u Hardwarekomponenten erbringen viele Leistungen gleichzeitig oder auch zeitversetzt, die zur Erstellung unterschiedlicher Funktionen dienen. à Nach welchen Regeln soll der (kumulierte) Energieverbrauch einer Hardwarekomponente der Produktion einer bestimmten funktionellen Einheit (im gleichen Zeitraum) zugerechnet werden?
9 Beispiel: Kumulierte elektrische Leistung für Videoconferencing über Internet 2000 Cumulated power [W] Frankfurt Norden Genf, CERN (3x) Zürich, Uni St.Gallen, Uni St.Gallen, Uni Buchs, NTB Davos, SLF Davos, CC Davos, CC Washington Atlanta Houston Los Angeles Nagoya, Uni Nagoya Tokyo (3x) Kongresszentrum Davos, Schweiz Universität Nagoya, Japan 4 parallele HD-Videosessions, 40 Mbit/s 24 hops, km Distance from Davos [km] Total: 1794 W (davon 1358 für Router und Switches, 436 W für Leitungen) Unter der pessimistischen Pauschalannahme PUE = 2.0 ergibt dies 3588 W oder 0.2 kwh/gb Quelle: Coroama et al. (2013), Journal of Industrial Ecology, DOI: /jiec.12048
10 Beispiel (Fortsetzung) Videoconferencing auf 4 Kanälen: 165 kg CO2, ganze Konferenz Ein Flug Nagoya-Zürich und zurück: kg CO2 pro Person
11 3. Bestehende Lösungsansätze u Konzentration auf messbare Aspekte (Beispiele: Prozessorauslastung, lokaler Energieverbrauch von Smartphone-Apps) u Standardisierungsbestrebungen für Nutzungsszenarien/Lastprofile (Beispiel: Lastprofile nach ISO/IEC 14756) u Übergeordnete Standardisierungsbestrebungen (Beispiele: "Assessment framework for environmental impact of ICT der ITU, "ICT sector guidance" von Greenhouse Gas Protocol) u Vergleich funktionell ähnlicher Softwareprodukte (Beispiele: verschiedene Webbrowser, Webbasierte vs. traditionelle Version von MS Office) u Vergleich verschiedener Versionen eines Softwareprodukts (Beispiel: Nachweis von "Software Bloat" bei Betriebssystemen) u Green Software Engineering (vgl. Vortrag von Prof. Naumann): Der Entwicklungsprozess ist auf "grüne" Ziele wie Energieeffizienz ausgerichtet.
12 4. Forschungs- und Standardisierungsbedarf u Entwicklung standardisierter Nutzungsszenarien als Grundlage von Softwaretests u Verankerung von Nachhaltigkeitskriterien als neue nicht-funktionale Anforderungen im Softwareentwicklungsprozess (analog zu bestehenden nichtfunktionalen Anforderungen wie z.b. Sicherheit, Wartbarkeit, Erweiterbarkeit) u Regelmäßige Untersuchung der Energieintensität der verschiedenen Internet-Zugangstechnologien, weil dies die Bewertung des durch Software verursachten Datenverkehrs beeinflusst u Regelmäßige Untersuchung des Marktes von Cloud-Angeboten und der Ressourceneffizienz der angebotenen Leistungen, weil dies die Bewertung der in die Cloud ausgelagerten Leistungen beeinflusst (vgl. Vortrag von Dr. Stobbe)
13 Quellenangaben und weiterführende Literatur u u u u u u Hilty, L. M.; Lohmann, W; Behrendt, S; Evers-Wölk, M.; Fichter, K.; Hintemann, R.: Grüne Software: Ermittlung und Erschließung von Umweltschutzpotenzialen der Informations- und Kommunikationstechnik: Potenzialanalyse zur Ressourcen-schonung optimierter Softwareentwicklung und -einsatz. Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes, Berlin, Förderkennzeichen /3 (in press) ICT4S 2013: Conference Recommendations: How to improve the Contribution of ICT to Sustainability. In: Proc. First International Conference on Information and Communication Technologies for Sustainability, Appendix. E-Collection ETH Institutional Repository, 2013, , DOI: /ethz-a Coroama, V. C.; Hilty, L. M.: Assessing Internet Energy Intensity: a Review of Methods and Results. Environmental Impact Assesment Review (in press) Coroama, V. C.; Hilty, L. M.; Heiri, E.; Horn, F.: The Direct Energy Demand of Internet Data Flows. Journal of Industrial Ecology 17 (5) 2013, DOI: /jiec Coroama, V. C.; Hilty, L. M.; Birtel, M.: Effects of Internet-Based Multiple-Site Conferences on Greenhouse Gas Emissions. Telematics and Informatics , DOI: /j.tele Hilty, L. M.; Lohmann, W.: The Five Most Neglected Issues in "Green IT". CEPIS UPGRADE 12:
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