Green Software Engineering Labor

Das Green Software Engineering Labor bietet eine Arbeitsumgebung für die Entwicklung und Optimierung von Softwaresystemen unter Berücksichtigung ihrer Einflüsse auf die Energie- und Ressourcennutzung der darunterliegenden Hardware-Architektur. Das Labor wird in der Forschung, der Praxis und der Lehre genutzt und bietet die umfassende Infrastruktur zur experimentellen Messung und Analyse der Umweltwirkungen von Softwareprodukten und -komponenten. Es stehen verschiedene Hardware-, Software- und Messplattformen zur Verfügung.

Forschungs- und Entwicklungsarbeiten

Im Green Software Engineering Labor wurden bereits über 50 Softwareproduktarten bzw. -komponenten experimentell untersucht. Dazu wurden verschiedene Hardware-konfigurationen, von embedded Sensorknoten, IoT- und mobilen Geräten über verschiedene PC-Konfigurationen, bis zu KI-Servern mit mehreren hochleistungs-GPUs genutzt. Die Erfassung der Energie- und Hardwarenutzung erfolgt dementsprechend mit an die Leistung angepassten Messgeräten. Diese umfassen z.B. Oszilloskope und spezialisierte Boards für kleine Ströme, über Geräte für den mobilen Einsatz z.B. in Rechenzentren, bis hin zu professionellen Multifunktionsmessgeräten für Dreiphasenwechselstrom.
Es folgt ein Überblick über die im Labor durchgeführten Arbeiten.

Vergabekriterien des Blauen Engels für Ressourcen- und energieeffiziente Softwareprodukte (DE-UZ 215)

Blauer Engel - Quelle: https://www.blauer-engel.de

Der Blaue Engel für Softwareprodukte ist das erste Umweltzeichen für Nachhaltige Software. Mit dem Blauen Engel können Softwareprodukte ausgezeichnet werden, bei deren Entwicklung der Fokus auf Ressourcen- und Energieeffizienz gelegt wird. Im Labor wurden, in Kooperation mit dem Öko-Institut und im Auftrag des Umweltbundesamtes zunächst eine Methodik zur Bewertung der Ressourceneffizienz von Softwareprodukten entwickelt. Daraus wurden dann die Vergabekriterien für das Umweltzeichen abgeleitet. Zentrale Überlegung dabei ist das Zusammenspiel von Hardware und Software. Während die Hardware die physische Voraussetzung eines IT-Systems darstellt, bestimmt die Software über das Verhalten des Systems. Dabei ruft die Software die Auslastung der Hardware hervor und steuert damit auch deren Leistungsaufnahme. Darüber hinaus sind die Anforderungen der Software eine häufige Ursache für den Erneuerungsbedarf von Hardware und die damit verbundenen Umweltbelastungen durch die Herstellung. Datenintensive Multimedia-Formate nehmen einen Großteil der Speicher- und Übertragungskapazitäten in Anspruch und erfordern so einen Ausbau von Rechenzentrumskapazitäten und Datenübertragungsnetzen.

Green Software Measurement Model

Das Forschungsfeld der ressourcen- und energieeffizienten Software ist noch recht jung und es gibt Unsicherheiten und Unklarheiten, die Entwickler:innen und Wissenschaftler:innen daran hindern eigene Messungen durchzuführen. Dies führt dazu, dass die durch Software verursachten Umweltauswirkungen in der Praxis nur selten berücksichtigt werden. Zwar wurden bisher einige Methoden, Werkzeuge, Leitfäden usw. entwickelt, die in bestimmten Umgebungen für bestimmte Software eingesetzt werden können, aber bisher fehlte ein umfassender Forschungsrahmen. Dieser ist notwendig, insbesondere als Schritt zu einer standardisierten Umsetzung von Messungen in der Industrie.

Das Green Software Measurement Model ist ein generisches Referenzmessmodell für die Bewertung der Energie- und Ressourceneffizienz von Softwareprodukten und deren Komponenten. Es beschreibt die Hauptkomponenten von Energie- und Hardwarenutzungs- Messungen, einschließlich des Messobjekts, der Messziele, der Maßnahmen, der Metriken, der Verfahrensmodelle, der Messaufbauten und der Datenauswertungsmodelle. Es ermöglicht die Kategorisierung und Anpassung bestehender Methoden und die Entwicklung neuer Methoden, die den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls entsprechen. Auf diese Weise unterstützt das Modell bei der Entwicklung, Planung, Durchführung und Analyse von Messungen der Software-Ressourceneffizienz.

In einem offenen Repository (https://gitlab.rlp.net/green-software-engineering/gsmm) wird das Modell um zusätzliche Informationen, wie z. B. ein Glossar, erweitert. Außerdem laden wir Wissenschafts-, Entwicklungs- und DevOps-Communities sowie alle anderen Interessengruppen ein, zum Repository beizutragen, um eine umfassende Sammlung zu erstellen, kontinuierlich zu erweitern und die Diskussion zu fördern. Das Repository soll als zentraler Einstiegspunkt für Stakeholder dienen, die ihre eigenen Messungen durchführen, bestehende Methoden an ihren Anwendungsfall anpassen oder eine neue, spezialisierte Methode entwickeln möchten.

Das Modell wird im open access Artikel "Development and evaluation of a reference measurement model for assessing the resource and energy efficiency of software products and components—Green Software Measurement Model (GSMM)" in der Zeitschrift Future Generation Computer Systems (doi.org/10.1016/j.future.2024.01.033) genauer beschrieben und anhand von bestehenden Messmethoden internationaler Forschungsgruppen evaluiert.

Mess- und Analysemethoden SERENA und OSCAR

Schematische Darstellung des Ablauf einer Messung

Die Methode „Software Energy and Resource EfficieNcy Analysis“ (SERENA) zur Bewertung des Energie- und Ressourcenverbrauchs von Software wird seit 2009 entwickelt und ständig erweitert. Die Methode eignet sich zur Erhebung und Auswertung von Daten zum Ressourcen- und Energieverbrauch von Software und ist das Ergebnis von Forschungsarbeiten im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte. Das Messystem wird durch das Analysetool „Open Source Consumption Analysis and Reporting“ (OSCAR) ergänzt, das die Analyse der Messdaten mit deskriptiver und induktiver Statistik unterstützt. Die Methoden stehen unter https://gitlab.rlp.net/green-software-engineering/serena und https://gitlab.rlp.net/green-software-engineering/oscar zur Verfügung.