Landauers Geheimnis stromloser Computer

Umweltbewusste Mitmenschen üben Fundamentalkritik an der Informationsgesellschaft, indem sie auf den gewaltigen Energie-Verbrauch der digitalen Revolution hinweisen. Ihr Anliegen ist ehrenwert: es gibt in der Informationsgesellschaft noch zu viel Ressourcen-Verschwendung.

Im Bereich der Information gibt es keine immaterielle Ressourcen-Knappheit. Es gibt genügend geistigen Platz für alle. Eine digitale Allmend braucht keine Übernutzung des virtuellen Raums; es ist keine Tragödie der Allmend zu befürchten. Das hat zu einem explosiven Wachstum der Informationsgesellschaft geführt. Die Umweltschäden gingen vergessen.

Werben Sie hier!

Öko-Kritiker fordern Moratorium für Cloud Computing

Ökologische Kritiker der Informationsgesellschaft fordern nun eine Regulierung dieses Wachstums, weil der damit verbundene materielle Ressourcen-Verbrauch unvermeidbar sei. So argumentiert etwa Eduard Kaeser in der Kolumne «Conditio techno-humana» der «Neuen Zürcher Zeitung». Im seinem Artikel mit dem Titel «Keine Bits ohne Atome» schreibt Kaeser, dass jede Information auf einem materiellen Träger beruht und somit jede Informationsverarbeitung ganz grundsätzlich physikalische unumgehbar zu Energieverbrauch führe.

Kaeser plädiert deshalb aus ökologischen Gründen für ein Cloud-Moratorium. Diese Argumentation ist doppelt falsch. Einerseits verschweigt der Physiker und Wissenschaftsjournalist Eduard Kaeser gerade die wichtigsten Resultate, der von ihm angeführten Wissenschaftler. Aus denen geht hervor, dass der Energie-Verbrauch der Informatik rein theoretisch unter jede Grenze gesenkt werden kann. Andererseits wird die reale Ressourcen-Verschwendung nicht in Bezug gesetzt zu den Einsparungen, die sie bewirkte.

Ein bisschen Physik

Wenn wir im Alltag von Energieverbrauch reden, geht oft vergessen, dass Energie physikalisch gesehen eine erhaltene Grösse ist. Energie wird nie verbraucht, sondern nur von einer Form in die andere umgewandelt. Wenn wir eine Maschine mit Energie betreiben, verwandeln wir diese Energie in nützliche Arbeit und in Abwärme. Die Wärme-Energie versteut in der Umwelt. Sie ist nicht mehr nutzbar und kann nicht zum Betreiben von Maschinen verwendet werden. «Verbrauch von Energie» ist also Umwandlung von nützlicher Energie in nutzlose Abwärme. Das Mass für die Nutzlosigkeit von Energie in der Physik ist die Entropie.

Ganz nutzlos ist Abwärme erst, wenn sie sich flächendeckend verteilt hat – etwa wenn sie sich durch das Fenster über den Kamin in der Luft verflüchtigt. Doch zuvor kann die Abwärme von Computern ganze Gebäude heizen und so zusätzliche Heiz-Energie sparen. Gebäudeheizende Rechenzentren sind in der Schweiz schon fast Standard, wie Beispiele von Swisscom in Bern-Wankdorf und Zürich Herdern sowie des Organisation und Informatik der Stadt Zürich (OIZ) beweisen. IBM Research und die ETH Zürich haben dazu ein Server-Kühlsystem mit besonders effizientem Prozessor-Kühler und eine besonders wärmeleitende Flüssigkeit entwickelt, auf das wir im Greenbyte-Artikel «Kühlen mit heissem Wasser» detailliert eingehen.

Information und Informationsgehalt

In den Sechziger Jahren hat der Physiker Rolf Landauer nachgewiesen, dass das Konzept der Entropie sehr eng mit dem Begriff der Information zusammenhängt, der 1948 von den für den Telefonie-Konzern Bell arbeitenden Mathematikern Shannon und Weaver erstmals klar formuliert wurde: Der Informationsgehalt (in Bits) einer Meldung ist der negative Zweierlogarithmus ihrer Wahrscheinlichkeit. Das folgt aus zwei Grundsätzen.

Je unerwarteter (unwahrscheinlicher) eine Meldung ist, desto mehr Information enthält sie.
Der Informationsgehalt zweier Meldungen ist die Summe des Informationsgehalts der Einzelmeldungen.

Der Informationsgehalt einer nicht redundanten, das heisst einer optimal komprimierten Meldung entspricht somit ihrer Länge in Bits, denn der Logarithmus einer Zahl ist ein Mass ihrer Länge.

Physikalische Grenzen der Informatik

Rolf Landauer arbeitete in der Forschungsabteilung von IBM und beschäftigte sich mit der Frage nach den physikalischen Grenzen der Informationsverarbeitung. Er kam zum Schluss, dass es nur zwei wirklich „harte“ physikalische Grenzen gibt:

Die Übermittlungsgeschwindigkeit von Information ist immer kleiner als die Lichtgeschwindigkeit.
Der Energieverbrauch beim Löschen eines Bits beträgt mindestens k∙T∙ln 2 (bei Raumtemperatur also ca. 2.85 zJ, wo ein Zeptojoule für 10-21 Joule steht).

Möglicherweise gibt eine dritte physikalische Grenze, nämlich die des Speicherplatzes, da das Universum endlich ist und wohl aus endlich vielen Atomen besteht. Da die Quantenmechanik allerdings das Rechnen in a priori unendlich vielen parallelen Universen erlaubt, ist diese Einschränkung weniger gesichert.

Das Landauer Prinzip

Beim Löschen von Information nimmt also die Entropie zu, und dabei wird Energie verbraucht. Die genaue Analyse des Paradoxon des Maxwellschen Dämons, welche Landauer 1961 rund hundert Jahre nach dessen erster Formulierung gelang, führte sogar zu einer noch weitergehenden Aussage:

Das Löschen eines Bits ist die einzige Operation der Informationsverarbeitung, welche zu einem Anstieg der Entropie führen muss. Den Energieverbrauch aller anderen Operationen kann man, zumindest theoretisch, unter jede beliebige Grösse senken.

Es scheint fast so, als ob sogar die Umkehrung dieses Satzes wahr sein könnte: Jeder Energieverbrauch, jeder Entropie-Anstieg, ist im Grunde ein Löschen von Information. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Entropie immer zunimmt, könnte dann umformuliert werden zu: Information (Bits) kann nicht geschaffen, sondern nur gelöscht werden. Statt vom „Verbrauch“ der unvernichtbaren Energie sollten wir vom Informationsverbrauch reden. Denn den meinen wir eigentlich, wenn wir Energieverbrauch sagen.

Seit 1961 sind Rolf Landauers Theorien heute auch mehrfach experimentell bestätigt worden. Es handelt sich also nicht nur um abstrakte Hypothesen weltfremder Wissenschaftler, sondern um gut gesicherte physikalische Tatsachen.

Reversible Rechner

Es ist also nur das Vergessen, das Energie verbraucht. Und darauf bauten dann Charles Bennet, Richard Feynman und andere Wissenschaftler auf, indem sie sich fragten, ob das Löschen von Bits für die Informatik überhaupt nötig ist.

Normalerweise wird bei jeder Computeroperation, etwa beim Addieren zweier Zahlen oder bei der logischen Kombination zweier Bits, viel Information weggeworfen. Statt sie zu löschen, sollten wir sie rezyklieren.

Müssen Informationen in Berechnung, Kommunikation und Messverfahren weggeworfen werden? Diese Frage hat physikalische Bedeutung, denn ein Bit an Informationen wegzuwerfen, erfordert eine Energieableitung der Ordnung «kT». (Physics Today, May 1991: Rolf Landauer «Information is Physical»)

Reversibles Rechnen (a) bildet Anfangszustände auf Endzustände 1:1 ab. Wenn dies nicht der Fall ist (b), geht Information verloren, werden Bits gelöscht. (pd)

Und das erstaunliche Resultat dieser theoretischen Analysen reversibler Maschinen:

Mit einem reversiblen Rechner, der keine Abwärme produziert, kann man alles berechnen, was man mit einer nicht reversiblen Maschine berechnen kann.

Wenn wir diese Resultate zusammennehmen, kommen wir zum Schluss, dass es – zum Mindesten theoretisch – nicht notwendig ist, den Menschen die Benutzung der Cloud zu untersagen um Energie zu sparen, wie es gewisse Fundamentalisten fordern. Vielmehr kann man mit entsprechender Technologie deren Energieverbrauch unter jede Grenze senken.

Praktische Verhältnismässigkeit

Selbst mit sehr wenig Reversibilität verbrauchen heutige Computer millionenfach mehr Energie als gemäss des Landauer-Prinzips nötig wäre. Diese Abwärme sollte man aber in Relation setzen zur damit gesparten Energie. Jedes E-Book spart den Ressourcenverbrauch der Papierherstellung und rettet so viele Bäume und vermeidet die katastrophalenVerunreinigungen des Wassers durch die Paperindustrie. Jede Videokonferenz spart Transport-Energie. Bei internationalen Konferenzen sind das Tonnen von verbranntem Kerosin. In gemässigten Zonen spart die Computertechnologie wenigstens im Winter das Heizen grosser Bürogebäude.

Ein fundamentalistischer Feldzug gegen Informatik und die Cloud würde uns in vielen Bereichen wieder in die Zeit der mechanischen Energieverschwendung vor dem Beginn des Informationszeitalters zurückwerfen. Der Fundamentalismus bedient sich oft der Dämonisierung mittels grossen Zahlen, die nicht ins Verhältnis gesetzt werden mit dem Rest der Welt, sondern am liebsten etwas unheimlich, unüberprüfbar bei grossen Firmen lokalisiert werden, deren Treiben sowieso niemand so recht durchschaut. Genaues Nachrechnen ist bei solchen Argumenten unbeliebt.

So wurde die laute Kampagne gegen Stand-by-Schaltungen damit begründet, wieviele Milliarden Kilowattstunden damit vergeudet würden. In Realität handelt es sich um den Bruchteil eines Prozents des gesamten Energie-Verbrauchs. Wenn man stattdessen auch nur einmal vergisst, ein Gerät abzuschalten, verbraucht das mehr Energie als die Stand-by-Schaltung. Ausserdem ist auch die Stand-by-Schaltung eine Computeroperation, deren Energieverbrauch technisch unter jede beliebige Grenze gedrückt werden könnte, wenn die Konsumenten durch hohe Energiekosten dazu motiviert würden, sparsamere Schaltungen zu kaufen.

Eine ähnliche Dämonisierung mittels grosser Zahlen lässt sich bei den Befürwortern eines Cloud-Moratoriums beobachten: Es wird vorgerechnet, dass der Energieverbrauch der grossen Rechenzentren der Cloudanbieter gigantisch ist. Besonders gruselig wird es, wenn dann noch die üblichen Verdächtigen, Microsoft, Apple, Google und Co. an dieser Energieverschwendung schuld sind. In der Realität fallen die Rechenzentren der Cloud kaum ins Gewicht verglichen mit den Endgeräten der Cloud-Nutzer. Denn auf jeden dieser Nutzer fällt nur ein minimaler Bruchteil des Energie-Verbrauchs des Cloud-Rechenzentrums, der viel kleiner ist, als der Energieverbrauch seines Bildschirms.

Wenn es tatsächlich wahr wäre, dass das rasante technische Wachstum der Informationsgesellschaft und der Anzahl Computer-Operationen zu einem entsprechenden Wachstum des Energie-Verbrauchs führen müsste, dann müsste dieser ja proportional zur weltweit verfügbaren Rechen-Leistung gewachsen sein. Verglichen mit meinem PC aus dem Jahr 1983 müsste mein Rechner heute die Energie mehrerer Kernkraftwerke schlucken. Stattdessen ist der Energie-Verbrauch der Endgeräte dramatisch gesunken. Das liegt unter Anderem daran, dass die Hersteller integrierter Schaltungen immer kleinere Elemente bauen, wo folglich weniger Atome für dieselbe Operation herum geschoben werden. Ausserdem verschwinden mechanisch bewegliche Elemente aus den Geräten wie bei den Datenspeichern; rotierende Magnetplatten werden durch Festkörperspeicher ersetzt, sogenannte «Solid State Drives» (SSD). Schliesslich sehen sich die Hersteller der Prozessoren (CPU) durch den Konkurrenzdruck zu immer grösserer Rechenleistung gezwungen, das Abwärme-Problem unter Kontrolle zu halten, indem sie immer grössere Teile im Kleinen als reversible Rechen-Einheiten konstruieren.

Wem der Energie-Verbrauch der Informationsgesellschaft wirklich am Herzen liegt, fordert also nicht als Ewig-Gestriger ein Cloud-Moratorium, sondern achtet bei Geräten auf den Ressourcen-Verbrauch, nicht nur von Energie bei Herstellung, Nutzung und Entsorgung. Auch gut gemeinter fundamentalistischer Alarmismus hat seinen ökologischen Preis.

(Hartwig Thomas)

Rolf Landauer

Rolf Landauer (1927 – 1999)

Rolf Wilhelm (William) Landauer (* 4. Februar 1927 in Stuttgart; † 27. April 1999 in Briarcliff Manor, New York) war ein deutsch-US-amerikanischer Physiker und Informationswissenschaftler.

1938 musste Landauer, damals 11 Jahre alt, mit seiner Familie das damals nationalsozialistische Deutschland verlassen. Er studierte an der Harvard University (Bachelor 1945, Master 1947), wo er 1950 in Physik promovierte. 1950 bis 1952 war er Physiker des National Advisory Committee of Aeronautics am Lewis Laboratory. Seit 1952 war er Physiker bei IBM. 1961 bis 1966 war er dort Direktor für Physik und 1966 bis 1969 Assistant Director of Research. Ab 1969 war er IBM Fellow.

Landauer wurde durch die Entdeckung des nach ihm benannten Landauer-Prinzips bekannt, das dem irreversiblen Löschen von Information einen konkreten Energieverlust zuordnet und nebenbei das Dilemma des Maxwellschen Dämons löst. Gleichzeitig zeigte er, dass das Lesen und Schreiben von Information unter idealen Bedingungen frei von energetischen Kosten ist.

Voraussetzung für diese Entdeckung war seine Überzeugung, dass Information nicht abstrakt sein kann, sondern zwangsläufig eine physikalische Verkörperung haben muss: “Information ist physikalisch”. Durch das Landauer-Prinzip wird erstmals der thermodynamische Entropiebegriff mit dem informationstheoretischen Entropiebegriff direkt verknüpft. In dieser Hinsicht kommt den Arbeiten Landauers eine besondere Schlüsselstellung für eine Reihe weiterer Theorien zu, die auf dieser Verknüpfung aufbauen.

Orly R. Shenker weist in einer Analyse von Landauers Thesen aus dem Jahr 2000 auf ihrer Ansicht nach vorliegende diverse Brüche in der Argumentation Landauers hin, die sich ihrer Meinung nach insbesondere auf eine unzulässigen Verknüpfung des Begriffes der Dissipation zurückführen ließen, der sowohl in der Informationstheorie wie der Thermodynamik verwendet wird. 2012 gelang aber einer Forschergruppe aus Lyon, Kaiserslautern und Augsburg eine experimentelle Bestätigung des Landauer-Prinzips.[1]

1995 erhielt er den Oliver E. Buckley Condensed Matter Prize der American Physical Society. Seit 1988 war er Mitglied der National Academy of Sciences. (Wikipedia)

Werke

Rolf Landauer, Irreversibility and heat generation in the computing process, IBM Journal of Research and Development, vol. 5, pp. 183-191, 1961.
Rolf Landauer, The Physical Nature of Information, Physics Letters A 217 (1996): 188-193