Strom sparen im Rechenzentrum – mit effizienteren Server-CPUs
Datacenter und Server gelten als die wichtigsten Mitwirkenden beim Klimawandel. Sie verschlingen gigantische Mengen an Strom für Betrieb und Kühlung und generieren hohe CO2-Emissionen. Allein in Deutschland stieg der Energieverbrauch der Server und Rechenzentren laut dem Branchenverband Bitkom von 2010 bis 2020 auf 16 Milliarden Kilowattstunden an. Das ist deutlich mehr als der Stromverbrauch der Stadt Berlin.
Für die Betreiber erzeugt der Energiefresser Rechenzentrum unnötig hohe Kosten. Viel wichtiger aber: Energieineffiziente Datacenter gefährden die Klimaziele, für die sich verschiedene Organisationen einsetzen. So verfolgt der Climate Neutral Data Centre Pact das Ziel der Klimaneutralität von Rechenzentren bis spätestens 2030. Der aktuelle Koalitionsvertrag der Bundesregierung sieht eine CO2-Neutralität für neue Rechenzentren sogar bereits im Jahr 2027 vor.
Betreiber von Datacentern sollten sich deshalb schnellstmöglich überlegen, wie sie ihren CO2-Fussabdruck minimieren – und gleichzeitig ihre Kosten senken können. Der wichtigste Hebel dafür ist eine höhere Energieeffizienz. Diese lässt sich auf verschiedenen Ebenen realisieren, von der Infrastruktur und Kühlung bis hinunter auf die Ebene der CPUs – als die Datacenter Komponenten, die die Rechenleistung liefern.
Ein Umdenken zeichnet sich hier bereits ab: War bis noch vor wenigen Jahren die Performance der wichtigste CPU-Parameter, hat die Relevanz von Energieeffizienz bei der Prozessorwahl in den letzten Monaten deutlich aufgeholt. Sie dürfte künftig eines der zentralen Merkmale sein, die bei der CPU-Auswahl eine entscheidende Rolle spielen.
Entwicklungsschwerpunkt stromsparende CPUs
Auf Entwicklerseite gleicht die Konstruktion stromsparender CPUs allerdings der Quadratur des Kreises. Die CPU-Hersteller haben die schwierige Aufgabe, auf die Marktnachfrage nach immer leistungsstärkeren Komponenten zu reagieren. Gleichzeitig müssen sie ständig versuchen, die CPUs kühler und energieeffizienter laufen zu lassen. Neuere Entwicklungen zeigen jedoch, dass dieser Spagat durchaus gelingen kann – selbst in Bereichen wie dem High Performance Computing (HPC) mit seinen extremen Performance-Anforderungen (siehe letzter Abschnitt).
Als Hersteller von High-Performance-CPUs versucht AMD dieses Dilemma auf breiter Basis zu lösen und legt großen Wert auf enegieeffiziente Produkte. Stromsparende Prozessoren bilden schon seit mehreren Jahren einen Entwicklungsschwerpunkt – mit Erfolg, wie man an aktuellen Beispielen sehen kann: Obwohl zum Beispiel das Flaggschiff von AMD, der EPYC-Prozessor, die leistungsstärksten Server antreibt, ist der Energieverbrauch deutlich geringer als der des Mitbewerbs. So erfordert die Ausführung von 1200 VMs auf 2P-Servern mit einem AMD EPYC 7713 Prozessor circa 33 Prozent weniger physikalische Server und verbraucht 32 Prozent weniger Energie als der Intel Xeon 8380 Prozessor-Server.
AMD EPYC 7003 Prozessoren mit AMD 3D V-Cache Technologie versorgen Server ebenfalls mit sehr hoher Leistung bei gleichzeitig bis zu 49 Prozent geringerem Stromverbrauch als bei anderen CPU-Herstellern. AMD EPYC 7003 Prozessoren mit AMD 3D V-Cache sind eine gute Wahl für Anwender, die weniger Server und weniger Strom verbrauchen möchten, um die Emissionen zu senken.
30-fache Steigerung der Energieeffizienz
Um seine Vorreiterrolle bei energieeffizienten Prozessoren zu behaupten, will AMD den Energieverbrauch pro Rechenoperation bis 2025 radikal verringern. Das im Frühjahr diesen Jahres vorgestellte 30×25-Ziel besagt, dass bis 2025 eine 30-fache Steigerung der Energieeffizienz für AMD EPYC CPUs in KI- und HPC-Anwendungen erreicht werden soll – ausgehend von einem Basiswert für 2020.
Um diesen Plan umzusetzen, muss AMD die Energieeffizienz eines Rechenknotens um mehr als 2,5-mal schneller steigern als die branchenweite Gesamtverbesserung in den letzten fünf Jahren erfolgte. Die Umsetzung des Plans würde bis 2025 Milliarden Kilowattstunden Strom einsparen und den Strombedarf dieser Systeme für eine einzige Berechnung innerhalb von fünf Jahren um 97 Prozent senken.
Zur Mitte des Jahres 2022 ist AMD auf dem besten Weg, dieses Ziel zu erreichen. Die Evolution des modernen Rechenzentrums erfordert allerdings Skalierungs- und Sicherheitsfunktionen, die nicht allein von der CPU bereitgestellt werden können. Für viele anspruchsvolle Workloads sind Beschleuniger erforderlich, um die Performance zu maximieren. AMD hat deshalb vor kurzem AMD Instinct GPUs der MI200-Serie eingeführt, die die anspruchsvollsten HPC-Workloads wie Modellierung und KI-Trainings beschleunigen. Auch für diese gilt das 30×25-Ziel.
High Performance plus High Efficiency
Zum Einsatz kommen die Beschleuniger bereits bei Exascale-Superrechnern wie Frontier und Lumi. Der auf AMD EPYC CPUs und Instinct GPUs basierende Frontier gilt als schnellster und gleichzeitig effizientester Supercomputer der Welt. So konnte das Frontier Test & Development System den ersten Platz auf der Green500-Liste ergattern bei über 62 Gigaflops/Watt an HPC-Computing.
In Europa wurde mit LUMI nicht nur ein leistungsstarker, sondern ein besonders umweltfreundlicher AMD-basierter Supercomputer entwickelt. Er wird zu 100 Prozent mit erneuerbarem Strom aus Wasserkraft betrieben, nutzt freie Kühlung und verfügt über ein fortschrittliches Abwärmenutzungsystem, mit dessen Hilfe die bei der Kühlung des Systems entstehende Wärme für die lokale Fernwärmeversorgung genutzt werden kann.
Das System ist am IT Centre for Science (CSC) im finnischen Kajaani installiert, wo es etwa die Größe eines Tennisplatzes einnimmt. Lumi nutzt eine ähnliche Technologie wie Frontier: Beides sind HPE/Cray-EX-Systeme, angetrieben von AMD EPYC Prozessoren und AMD Instinct MI250X als Rechenbeschleunigern. Laut HPE verbraucht LUMI „ungefähr 8,5 Megawatt“, was einer extrem effizienten Leistung von 44,1 Gigaflops pro Watt entspricht. Zum Vergleich: Dies ist fast doppelt so effizient wie der aktuelle Green500-Spitzenreiter MN-3, der 21,1 Gigaflops pro Watt liefert.
Fazit
Für das Bemühen, das Rechenzentrum so effizient und sicher wie möglich zu betreiben, bilden EPYC-Prozessoren eine solide Basis. Sie liefern sowohl beste Performance – von Allzweckservern bis KI- und HP-Computern – bei gleichzeitig sehr geringem Energieverbrauch. In den Disziplinen CPU-Performance und Energieeffizienz dürfte AMD künftig ganz vorne mitspielen, wie LUMI und Frontier bereits heute zeigen. Auch wenn der Weg bis zum Erreichen des 30×25-Ziels noch weit ist, sind die Arbeiten der Ingenieure und die bisherigen Ergebnisse ermutigend.