Energieeffizienz : Computerchips auf Diät

„Cool Silicon“ forscht an Techniken, mit denen der Verbrauch von PCs, Großrechnern oder Mobilfunkstationen gesenkt wird.

Christian Meier
Immer im Einsatz. Großrechner und andere Informations- und Kommunikationstechnologien (IuK) verursachten 2007 einen ebenso hohen Kohlendioxidausstoß wie der zivile Flugverkehr – Tendenz steigend.
Immer im Einsatz. Großrechner und andere Informations- und Kommunikationstechnologien (IuK) verursachten 2007 einen ebenso hohen...Foto: picture-alliance/ dpa

Wer bei Google ein Suchwort eingibt denkt wohl kaum an die Energie, die seine Anfrage verbraucht. Er weiß nicht, dass eine Energiesparlampe damit eine Stunde leuchten könnte. Bei Internetfirmen wie Google hingegen verursacht der steigende Energieverbrauch der Serverfarmen, die die Suchanfragen verarbeiten, Sorgenfalten. Für den Stromhunger ihrer Server geben die Firmen inzwischen soviel Geld aus wie für ihr Personal.

Darüber hinaus nutzen immer mehr Menschen Computer, Handys oder Navigationsgeräte. Somit steigt der Stromverbrauch der Informations- und Kommunikationstechnologie (IuK). Schon 2007 verursachte die IuK einen ebenso hohen Kohlendioxidausstoß wie der zivile Flugverkehr. „Sie wird in zehn bis 20 Jahren deutlich mehr als zehn Prozent zum weltweiten Energieverbrauch beitragen“, sagt Thomas Mikolajick vom Nanoelectronic Materials Laboratory in Dresden. „Der Energiehunger der IuK-Techniken wird dann nicht nur zum ökologischen Problem, sondern für viele Unternehmen zu einem wesentlichen Kostenfaktor.“ Noch nähmen Forscher beim Entwickeln neuer IuK-Techniken wenig Rücksicht auf den Energieverbrauch. Das müsse sich aber ändern, wenn die Elektronikbranche weiter wachsen soll, ohne dass sich ihr Energieverbrauch erhöht.

Der Elektrotechniker sieht in grüner Elektronik eine Exportchance für die deutsche Industrie. „Wer heute energieeffiziente IuK-Techniken entwickelt, wird in einigen Jahren einen Vorteil am Markt haben.“ Das gehe nur, wenn Firmen und Forschungseinrichtungen sich vernetzten, meint Mikolajick. Genau das will der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Land Sachsen geförderte Spitzencluster „Cool Silicon“ erreichen, dessen Koordinator Mikolajick ist. Er soll Sachsen zu einem Kompetenzzentrum für energieeffiziente Elektronik machen. Mehr als 60 Mikro- und Nanoelektronik-Firmen, Forschungsinstitute und Universitäten aus dem Bundesland forschen mit einem Budget von rund 180 Millionen Euro seit 2008 für fünf Jahre zum Thema. Am Ende sollen konkrete Produkte stehen, die Mobilfunk und Internet energieeffizienter machen.

Das Ziel ist anspruchsvoll, denn es gibt in der IuK-Technologie keine großen Energiefresser wie etwa die Waschmaschine in einem Privathaushalt. „Deshalb müssen wir entlang der gesamten Wertschöpfungskette nach Einsparmöglichkeiten suchen“, sagt Mikolajick. Angefangen bei der kleinsten Einheit des Computerchips, dem Transistor, bis hin zu den Basisstationen eines Mobilfunknetzes.

An einigen Stellen ist man bereits fündig geworden, etwa bei Computerprozessoren. „Wenn der Prozessor nicht voll ausgelastet ist, könnte das Betriebssystem einzelne Prozessorkerne in einen Wartezustand versetzen, der deutlich weniger Energie verbraucht“, sagt Stephan Krüger vom Dresdner Chiphersteller Globalfoundries. Das sei im Normalbetrieb häufig möglich, werde derzeit aber nicht optimal genutzt. Die technische Herausforderung, ein solches Energiemanagement in das Betriebssystem zu integrieren, ist groß. „Weil sich die Auslastung der Prozessorkerne binnen Tausendstel Sekunden ändert und das Umschalten in den Wartezustand ebenfalls Zeit braucht, muss das Betriebsystem vorausberechnen, wann Rechenleistung benötigt wird und wann nicht“, sagt Krüger. Es muss sich also ähnlich vorausschauend verhalten wie ein Autofahrer, der an einer Bahnschranke schaut, ob der Zug schon zu sehen ist – und wenn nicht, den Motor abstellt.

Auch im Mobilfunk gibt es Einsparpotenzial. „Die Basisstationen in Deutschland verbrauchen bereits so viel Energie wie eine deutsche Großstadt“, sagt Frank Ellinger von der Technischen Universität Dresden. Es gebe mehrere Ideen, ihren Energieverbrauch zu senken. Eine davon setzt ebenfalls am Energiemanagement an. Die Basisstation sendet an das Endgerät, etwa ein Handy, eine elektromagnetische Trägerwelle, die als Vehikel für die eigentliche Information dient. „Die Basisstation funkt die Trägerwelle mit hoher Leistung, auch dann, wenn gerade keine Information übermittelt wird“, sagt Ellinger. Die Dresdener Forscher wollen Systeme entwickeln, die die Leistung der Trägerwelle in den Pausen herunterregeln. Das sei schwierig, denn die Ruhezeiten dauerten oft nur Bruchteile von Sekunden, meint Ellinger. Im Kleinen ist ähnliches dennoch schon gelungen: Ellingers Diplomand Falk Haßler hat einen Chip entwickelt, der den Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers von Handys verdoppelt. Er dämpft den Energiehunger des Leistungsverstärkers, wenn dieser gerade nichts zu tun hat.

Das Idealziel Ellingers sind Basisstationen, die mithilfe von Solarzellen energieautark arbeiten. Dafür müsse aber die gesamte Elektronik energieeffizienter gemacht werden. Und das sei nur durch enge Zusammenarbeit zwischen mehreren Partnern im Cool-Silicon-Netzwerk machbar. Das sieht Mikolajick genauso: „Die Entwickler der Basisstation wissen, wie viel Energie deren Elektronik verbrauchen darf. Dieses Energie-Budget geben sie an die Chipentwickler weiter.“ Enge Grenzen für den Energiekonsum habe es bislang in der Chipentwicklung nicht gegeben. Das Energiebudget würde die Entwicklung von Anfang an mitbestimmen und sicherstellen, dass alle Sparmöglichkeiten genutzt würden.

Diesen Austausch gibt es im Netzwerk an mehreren Stellen. So entwickelt das Dresdner Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) Sensoren, die in die Carbonfaser-Hüllen von künftigen Leichtbau-Flugzeugen eingebaut werden sollen. Sie sollen Änderungen in den Vibrationen der Hülle registrieren, die auf unsichtbare Mikro-Risse im Material hindeuten. Die Messergebnisse werden an einen Computer gefunkt, der die Signale auswertet und meldet, wenn ein Bauteil zu versagen droht.

„Wir wollen die Sensoren energieautark machen“, sagt Dieter Hentschel vom IZFP. Denn Kabelleitungen zu den in die Carbonfaser eingebetteten Sensoren wollen die Forscher vermeiden. Stattdessen könnten sie ihre Energie aus den Vibrationen des Materials beziehen. Diese Energie würde dann den Chip auf dem Sensor versorgen, der die Messwerte vorverarbeitet. Da die Energieernte begrenzt ist, gibt sie ein Budget für die Chipentwickler vor. Dadurch werden sie lernen, ihre Chips auf Diät zu setzen. Den „Diätplan“ können sie dann auch für neue Prozessoren für Serverfarmen nutzen. Eine Suchanfrage bei Google und Co. könnte dann deutlich weniger Energie verbrauchen.

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