Steeds sneller, krachtiger, ... zuiniger? Zo verminderen onderzoekers het energieverbruik van computers
Kunnen computers minder energie gebruiken zonder kwaliteitsverlies? Dat onderzoeken informatici Ben van Werkhoven en Rob van Nieuwpoort van het Leiden Institute of Advanced Computer Science (LIACS).
‘Het energieverbruik van computers en datacenters is enorm gegroeid in de afgelopen jaren’, begint Van Nieuwpoort. ‘Het is moeilijk om er een exact getal op te plakken, maar datacenters in Nederland zijn goed voor ongeveer 5% van het totale energieverbruik. Dat is meer dan de hele NS.’
Lang ging het in de wereld van computers alleen over snelheid. Voor het gemak werd aangenomen dat sneller ook zuiniger betekent, maar dat werd niet gemeten. En die aanname blijkt niet altijd te kloppen, ontdekten Van Werkhoven en Van Nieuwpoort.
Knutselen aan een supercomputer
‘Onze eerste stap was dus simpelweg om te meten hoeveel stroom een processor nou eigenlijk verbruikt’, vertelt Van Werkhoven. Een processor is het onderdeel in een computer dat de berekeningen uitvoert. ‘We hebben samen met ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie, een stroomsensor ontwikkeld. Vervolgens hebben we met wat soldeerwerk de stroomsensor ingebouwd in de supercomputer. Zo kunnen we voor elk klein deel van een berekening nauwkeurig uitlezen wat het energieverbruik is.
Energiezuinig rekenen op het Nederlandse platteland
Dat ASTRON betrokken is bij dit onderzoek is geen toeval. Ze hebben veel technische kennis, en bovendien staan hun LOFAR-antennes in de Drentse weilanden en andere afgelegen plaatsen, waar niet veel energie beschikbaar is. Vervolgens worden de signalen op grootschalige supercomputers verder verwerkt tot beelden. Energiezuinig rekenen is dus niet alleen een mooi idealisme, maar soms ook een praktische noodzaak.
Geautomatiseerd de beste oplossing vinden
Tijdens het programmeerproces kun je aan heel veel knoppen draaien. Dat wilden de onderzoekers automatiseren. ‘Elke mogelijke oplossing koppelen we terug naar de sensor om het energieverbruik te meten’, zegt Van Werkhoven. ‘De uitkomst was soms verrassend. We nemen bijvoorbeeld vaak aan dat rekenen met minder bits zuiniger is, maar dat blijkt niet altijd het geval.’
‘Of we testen een klein AI model 10-100 keer minder parameters', voegt Van Nieuwpoort toe. ‘Zo'n model is minder slim, maar kan leren in een feedback-loop. Na een klein aantal rondes krijg je soms al betere uitkomsten dan met een groot model. Dat bespaart veel energie.’
‘Het kan gewoon zuiniger, dus dat moeten we samen voor elkaar krijgen.’
Van een enkele computer naar een grotere schaal
Van Nieuwpoort kijkt ook naar grotere systemen. In één datacenter zitten zo tienduizenden processoren, een stuk complexer dus. ‘We modelleren niet alleen stroomverbruik, maar ook waterverbruik en CO2-uitstoot', legt hij uit. Daarbij kijkt hij zowel naar de operationele voetafdruk, tijdens het gebruik, als de voetafdruk inclusief de productie van alle onderdelen. Zo kan hij doorrekenen hoe je software optimaal kan laten draaien. ‘Draai je een applicatie bijvoorbeeld op één computer of verdeeld over twee? Dan kun je een geïnformeerde keuze maken.’
Methodes om energie te besparen zijn breed toepasbaar
De onderzoekers hopen dat anderen hun methodes overnemen en publiceren daarom alles openlijk toegankelijk. ‘Maar we zien uiteindelijk niet wie dat ook echt doet’, aldus Van Werkhoven. ‘Af en toe zie ik interesse van mensen bij grote chipfabrikanten, dus hopelijk draagt ons werk bij aan een duurzamere toekomst van de industrie.’
Zelf kijken ze vooral naar toepassingen binnen de wetenschap, van sterrenkunde tot vliegveiligheid. ‘Elke keer ga je op zoek naar een balans tussen energieverbruik, snelheid en nauwkeurigheid’, zegt Van Nieuwpoort. ‘Dus je moet eerst uitzoeken: wat heb je nou eigenlijk écht nodig? En daar ga je voor optimaliseren.’ Van Werkhoven vult aan: ‘Het leuke is dat je ook altijd interessante vraagstukken voor de informatica tegenkomt. De toepassing en pure computerwetenschap versterken elkaar.’