Inhaltszusammenfassung

Diese Arbeit befasst sich mit der Messung und Evaluation der Energie- und Ressourceneffizienz von Softwaresystemen. Studien zeigen, dass die Auswirkungen der Informations- und Kommunikationstechnologien auf die Umwelt stetig zunehmen und bereits heute ca. 3 % der Treibhausgasemissionen verursachen. Zwar ist es die Hardware durch deren Produktion, Nutzung und Entsorgung natürliche Ressourcen und Energie verbraucht werden, aber Software steuert die Hardwarenutzung und hat somit erheblichen Einf...Diese Arbeit befasst sich mit der Messung und Evaluation der Energie- und Ressourceneffizienz von Softwaresystemen. Studien zeigen, dass die Auswirkungen der Informations- und Kommunikationstechnologien auf die Umwelt stetig zunehmen und bereits heute ca. 3 % der Treibhausgasemissionen verursachen. Zwar ist es die Hardware durch deren Produktion, Nutzung und Entsorgung natürliche Ressourcen und Energie verbraucht werden, aber Software steuert die Hardwarenutzung und hat somit erheblichen Einfluss auf die beanspruchten Kapazitäten. Dementsprechend sollte ihr auch ein Anteil an den verursachten Umweltwirkungen zugeschrieben werden. Um diese, durch die Software hervorgerufenen, Umweltwirkungen zu adressieren steht im Fokus dieser Arbeit die kontinuierliche Entwicklung eines Mess- und Analysemodells für energie- und ressourceneffiziente Software. Darüber hinaus wurden Mess- und Bewertungsmethoden aus internationalen Forschungs- und Praxisgruppen einander gegenübergestellt, um ein allgemeines Referenzmodell für Software Ressourcen- und Energiemessungen zu entwickeln. Es folgt die Ableitung einer Methodik und die Definition und Operationalisierung von Kriterien zur Bewertung und Verbesserung der Umweltwirkungen von Softwareprodukten. Darüber hinaus ist ein wesentliches Ziel die Übertragung der entwickelten Methodik und Modelle auf weitere Softwaresysteme, die hohe Verbräuche hervorrufen oder durch Skaleneffekte großes Optimierungspotential bieten. Dazu zählen beispielsweise cyber-physische Systeme und mobile Apps. Des weiteren wird Software wie verteilte Systeme und insbesondere Anwendungen der Künstlichen Intelligenz (KI) untersucht, die hohe Anforderungen z. B. hinsichtlich der erforderlichen Rechenleistung oder Datenmengen stellen. Es werden insbesondere Faktoren betrachtet, die den Verbrauch von Softwaresystemen entlang ihres Lebenszyklus beeinflussen. Solche Einflussfaktoren sind beispielsweise der Ort (Cloud, Edge, Embedded) wo die Rechen- und Speicherdienste erbracht werden, die Rolle der Akteure, Anwendungsszenarien, Konfiguration der Systeme, genutzte Daten, deren Darstellung und Übertragung, der Entwurf der Softwarearchitektur etc. Aus diesen möglichen Faktoren wurden, basierend auf bestehender Literatur, sowie vorangegangenen Experimenten möglichst gut abgrenzbare Anwendungsfälle ausgewählt, in denen verschiedene Lösungsansätze zur Zielerreichung eingesetzt und bewertet werden können. Beispiele hierfür sind die Verwendung von verschiedenen Programmiersprachen, Algorithmen, Bibliotheken, Datenstrukturen, Protokollen, Modell-Topologien, Hard- und Softwaresetups. Anhand der Auswahl wurden für die Anwendungsfälle Szenarien jeweils mit den zu untersuchenden Methoden umgesetzt. Während der Ausführung der Szenarien wurden die Energie- und Ressourcenverbräuche gemessen und die Messergebnisse hinsichtlich des Verbrauchs der einzelnen Methoden analysiert. Durch Subtraktion von Baseline-Messungen des Hardware-Setups ohne laufende Software wird der durch die Software hervorgerufene Verbrauch messbar. Dadurch wird Transparenz geschaffen und die ausgewählten Szenarien können miteinander verglichen werden um das für diesen Anwendungsfall energieeffizientere Setup zu identifizieren und so das Gesamtsystem zu verbessern/optimieren. Die berechneten Metriken wurden dann als Indikatoren in einem Kriterienkatalog strukturiert. Diese Indikatoren verkörpern empirisch bestimmbare Größen, die Auskunft über einen nicht direkt messbaren Sachverhalt geben, in diesem Fall die Umweltwirkungen durch die Software. Zusammen mit Nachweiskriterien, die von den Produzenten der Software eingehalten und bestätigt werden müssen entsteht so ein Modell mit dem die Vergleichbarkeit von Softwaresystemen hergestellt wird. Schließlich dienen die in den Versuchen gewonnenen Erkenntnisse zur Prognose und Optimierung der Energie- und Ressourceneffizienz der Softwareprodukte. Durch die entwickelten Modelle sollen insbesondere Entwickler:innen, aber auch Studierende, Wissenschaftler:innen und allen anderen am Lebenszyklus einer Software beteiligten Stakeholder in die Lage versetzt werden die Auswirkungen ihrer Software auf den Energie- und Ressourcenverbrauch kontinuierlich zu überwachen und optimiern. Die entwickelten Modelle, Methoden und Kriterien wurden durch die wissenschaftliche Community auf Konferenzen und Workshops evaluiert und validiert. Zentrale Ergebnisse dieser Arbeit wie ein Mess-Referenzmodell und der Kriterienkatalog wurden in Journalen verbreitet. Darüber hinaus wird der Transfer in die Gesellschaft vorabgetrieben, z. B. durch zwei Buchkapitel, die Erarbeitung und Vorstellung von Best Practice Beispielen auf Entwicklerkonferenzen, der Kooperation mit der Industrie oder durch die Entwicklung von Labels, wie dem "Blauen Engel" für ressourcen- und energieeffiziente Softwareprodukte. Langfristig ist das Ziel zu einem Umdenken in der Gesellschaft anzuregen und durch Skaleneffekte schließlich starke Ressourceneinsparungen durch die Anwendung der Methoden in der Entwicklung von Software und insbesondere KI-Systemen zu erreichen.» weiterlesen» einklappen

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DFG Fachgebiet:
Informatik

DDC Sachgruppe:
Informatik