#Chip Happens-Podcast: Staffel 2, Folge 10 I Der Durst der Digitalisierung
Große Probleme brauchen häufig ziemlich kleine Helfer. Der Podcast »Chip Happens – Kleine Dinge, die alles verändern« von Chipdesign Germany zeigt, wie Mikroelektronik und Chipdesign dabei helfen können, die drängenden Fragen unserer Zeit anzugehen – jederzeit nachvollziehbar und alltagsnah. Das Format richtet sich an alle, die verstehen wollen, wie Technik im Hintergrund wirkt und dennoch zentrale Weichen stellt. Kluge Köpfe aus der Branche sprechen hierfür mit Moderator Sven Oswald über ihre faszinierenden Geschichten, geben überraschende Einblicke und zeigen hautnah die vielen Möglichkeiten, die unser Fachbereich bietet. Wasser ist Leben. Und Mikroelektronik hilft uns, es zu finden, zu reinigen, zu überwachen und zu bewahren. In Staffel 2 von »Chip Happens«, dem Podcast von Chipdesign Germany, dreht sich alles um das Element Wasser – von der Tiefsee bis ins Weltall.
Staffel 2, Folge 10 | Wie sich die Kraft der Wellen für eine sichere, grüne Energieversorgung nutzen lässt
In der zehnten Folge von »Chip Happens« wenden wir den Blick von der Wasserversorgung hin zur digitalen Infrastruktur. Rechenzentren, Cloud-Services, und Künstliche Intelligenz benötigen nämlich nicht nur Energie sondern vor allem auch Wasser und das häufig weit mehr, als vielen von uns bewusst ist.
Lena Hoffmann ist Senior-Referentin für Politik und Wissenschaft bei der Gesellschaft für Informatik und hat sich intensiv mit dem Wasserverbrauch von IT- und KI-Systemen befasst und erzählt von den neusten Erkenntnissen aktueller Studien.
Darauffolgend berichtet Prof. Christian Mayr von neuartigen, gehirninspirierten Rechnerarchitekturen an denen er forscht und die Rechenoperationen energieeffizienter machen sollen. Hierüber gab es bereits mehr Informationen in Folge zwei der ersten Staffel von Chip Happens zum Thema Daten als Treibstoff
Zu guter Letzt erklärt der Ingenieur Rolf Eggers ein neues Kühlkonzept für Rechenzentren, welches er entwickelt hat und komplett ohne Wasser auskommt.
Worum geht es in der Folge?
Lena Hoffmann über den Wasserverbrauch unserer digitalen Infrastruktur |
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Situation: |
Digitale Dienste erscheinen oft »immateriell«. Doch im Hintergrund laufen Rechenzentren, die dauerhaft gekühlt werden müssen. Dabei entsteht direkter Wasserverbrauch in der Kühlung, sowie indirekter Wasserverbrauch durch Energiegewinnung und Hardwareproduktion. Und: der Bedarf ist steigend. Mit dem rasanten Wachstum der großen KI-Modelle nimmt auch die Zahl neuer Rechenzentren zu. Eine US-Studie schätzt, dass der weltweite Wasserverbrauch allein für KI-Systeme im Jahr 2027 bei rund 6,6 Milliarden Kubikmetern liegen könnte. Weitere Informationen zum Wasserverbrauch und an welchen Stellen dieser anfällt, finden sich unter dem OECD.AI Policy Observatory. Das entspräche dem Vier- bis Sechsfachen des jährlichen Wasserverbrauchs von Dänemark. |
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Problemstellung: |
Obwohl der Wasserverbrauch im Rahmen der Digitalisierung sehr relevant ist, gibt es bis heute kaum Transparenz zu den tatsächlichen Zahlen. Einheitliche Messmethoden fehlen gänzlich und selbst große Betriebe veröffentlichen nur schwer vergleichbare Daten.
Zudem wird häufig ausschließlich der Energieverbrauch in Rechenzentren reguliert, der Wasserverbrauch bleibt hingegen weitgehend unbeachtet . Gerade in Regionen, die bereites unter Wasserknappheit leiden, kann dies zu neuen Zielkonflikten führen. |
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Lösungsansätze/Innovationspotenziale: |
Dementsprechend müssen Wasser und Energie zukünftig immer stärker gemeinsam betrachtet werden.
Es gibt hierfür bereits einige vielversprechende Ansätze, die aktuell erforscht und teilweise bereits angewendet werden:
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Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf / Aktuelle Projekte: |
Es braucht vor allem einheitliche Transparenzvorgaben und Vergleichsrichtlinien, um Wasserverbräuche über Rechenzentren hinweg erfassen zu können.
Best-Practice-Beispiele aus bestehenden Rechenzentren mit intelligenter Last- und Kühlsteuerung sollten systematisch in die Praxis übertragen werden. Forschungsprojekte befassen sich zudem damit, Auslastung, Luftströmung, Kühltechnik und Hardwareeffizienz zusammenzudenken, statt sie getrennt zu optimieren.
Lena Hoffmann betont in diesem Zusammenhang die Bedeutung von Daten und Fakten: nur wenn wir wissen, wo und wie viel Wasser verbraucht wird, können wir fundiert Entscheidungen treffen und die digitale Infrastruktur nachhaltig und wasserbewusst gestalten. |
Prof. Dr. Christian Mayr über gehirninspirierte, energieeffiziente Rechnerarchitekturen (wir sprachen bereits in Folge 2 der ersten Staffel von Chip Happens) |
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Situation: |
Link zur Ausgabe: Daten als Treibstoff im Rahmen der ersten Staffel unseres Podcasts, in der wir bereits mit Prof. Mayr zum selben Thema sprachen.
Künstliche Intelligenz benötigt große Rechenkapazität. Bei jedem Prompt in einem großen Sprachmodell werden normalerweise viele Recheneinheiten gleichzeitig aktiviert auch dann, wenn für die Antwort eigentlich nur ein kleiner Teil relevant wäre.
Im menschlichen Gehirn funktioniert das anders: Dort reagieren einzelne Neuronen sehr gezielt nur auf bestimmte Informationen. Diese Fähigkeit, nur da aktiv zu sein, wo es benötigt wird, ist ein entscheidender Effizienzmechanismus. |
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Problemstellung: |
In herkömmlichen KI-Systemen verbrauchen Rechenoperationen Energie, auch wenn nur ein Ausschnitt eines Modells gebraucht wird. Die Hardware ist darauf ausgelegt große Bereiche eines Netzes gleichzeitig aktiv zu halten. Das führt zu hohem Energiebedarf und damit indirekt auch zu hohem Wasserverbrauch über die Energieerzeugung. |
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Lösungsansätze/Innovationspotenziale: |
Christian Mayr und sein Team entwickeln eine Rechnerarchitektur, die sich am Gehirn orientiert.
Die wesentlichen Eigenschaften beschreibt er wie folgt: Viele unabhängige Verarbeitungseinheiten können in diesem System selektiv arbeiten. Dabei sind immer nur Teile der Hardware, die gerade gebraucht werden, aktiv. Zusätzlich können Recheneinheiten und Kommunikationskanäle schnell hoch- und wieder heruntergefahren werden. So wird Energie immer nur dann eingesetzt wird, wenn Daten tatsächlich übertragen werden.
Ziel ist es, das KI-Systeme bei einer Anfrage nicht mehr alle Bereiche gleichzeitig nutzen müssen, sondern nur die relevanten Anfrage-Bereiche intelligent angesteuert werden. |
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Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf / Aktuelle Projekte: |
Die gezeigte Hardwarearchitektur ist als Produkt (SpiNNaker 2) bereits verfügbar. Der Ansatz besteht aktuell darin, die Prinzipien aus der Hirnforschung weiter in Hardware umzusetzen und die Effizienzmechanismen in der Praxis nutzbar zu machen. |
Rolf Eggers über neue Kühlkonzepte für Rechenzentren: |
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Situation: |
Rechenzentren erzeugen bekanntermaßen viel Wärme und müssen entsprechend gekühlt werden. Bei vielen bestehenden Kühlverfahren wird Wasser eingesetzt oder es werden große Kühlsysteme aufgebaut.
Kühlung ist damit ein zentraler Faktor für den Ressourcenverbrauch im Betrieb. |
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Problemstellung: |
Hoher Kühlbedarf kann den Energieverbrauch an sich erhöhen und gleichzeitig direkt Wasser benötigen. Zudem sind bestehende Kühlarchitekturen oft auf große, rechteckige Hardware-Racks ausgelegt, die häufig nicht di physikalisch optimalen Luftströmungen fördern. |
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Lösungsansätze/Innovationspotenziale: |
Das von Rolf Eggers entwickelte alternative Kühlkonzept, »QUB3«, das auf einer anderen räumlichen Anordnung und Luftführung basiert, versucht diesen Problemen entgegenzuwirken.
Die Recheneinheiten werden im »QUB3-Kühlsystem« kreisförmig angeordnet. Die Luft wird dann durch Rotation in Bewegung gebracht. Gleichzeitig wird im Gegensatz zur wasserbasierten Kühlung normale Umgebungsluft angesaugt. Die warme Luft steigt dann nach oben und kann dort gesammelt werden. Die Kühlung basiert damit auf physikalischen Effekten wie dem Kamineffekt und Strömungsführung.
Das System benötigt kein Wasser für die Kühlung. Dadurch ist der Aufwand im Verhältnis zur Rechenleistung extrem gering. |
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Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf / Aktuelle Projekte: |
Eggers erzählt, dass der Energiebedarf für die Kühlung durch den TÜV geprüft wurde. Das System ist modular aufgebaut und kann zu Türmen mit mehreren übereinander angeordneten Modulen kombiniert werden. Wärme, die oben aus dem System austritt, kann gesammelt und weiter genutzt werden. Es besteht also noch weiteres Zukunftspotenzial für das Projekt. |
Zur zehnten Folge der zweiten Staffel – (Spotify):
In der kommenden Staffel widmen wir uns dem Thema Mikroelektronik in der Gesundheit. Wir danken all unseren Gästen und Zuhörenden aus der zweiten Staffel und freuen uns schon auf die nächsten Episoden.
