Das Zeitalter der KI: Auf dem Weg zu nachhaltigen Rechenzentren

Hinter der eher schlichten und unauffälligen Fassade verbirgt sich ein enormer logistischer Aufwand für den Aufbau und Betrieb der Rechenzentren, die die digitale Infrastruktur der Zukunft unterstützen.

Um mit der Nachfrage nach der erforderlichen Rechenleistung Schritt zu halten, wird heute in einer bisher nie dagewesenen Höhe in den Aufbau von Rechenzentren investiert. Allein in den USA gibt es derzeit mehr als 5.400 Rechenzentren und Unternehmen müssen laut McKinsey bis 2030 5,2 Billionen US-Dollar (4,4 Billionen Euro) in Rechenzentren investieren, um die weltweit wachsende Nachfrage nach KI zu befriedigen.

Auch der Energiebedarf wächst exponentiell. Laut einem Sonderbericht der Internationalen Energieagentur (IEA) wird sich der weltweite Stromverbrauch von Rechenzentren bis 2030 voraussichtlich mehr als verdoppeln. Bedingt wird dieser Anstieg in allererster Linie durch KI, denn für den gleichen Zeitraum wird eine Vervierfachung des Strombedarfs von KI-optimierten Rechenzentren prognostiziert.

Um eine Überhitzung von Rechenzentren zu vermeiden, setzen viele Eigentümer auf Verdunstungskühlsysteme, die mit Hilfe von Wasser die Wärme durch Verdunstung abführen. Diese Methode ist zwar effektiv, verbraucht aber große Mengen an Wasser – für eine einzige Anlage sind bis zu 757 Millionen Liter pro Jahr oder etwa 2,1 Millionen Liter pro Tag nötig. In Regionen, die bereits unter Wasserknappheit leiden, setzt ein solcher Verbrauch die Lokalbevölkerung zunehmend unter Druck.

Trotzdem ist es möglich, diesen enormen, durch das exponentielle Wachstum der KI verursachten Ressourcenverbrauch zu mindern. Um die Auswirkungen auszugleichen, können Rechenzentrumeigentümer ihren eigenen Nachhaltigkeitszielen Priorität einräumen und innovative Forschung und Entwicklung betreiben. Durch Anwendung der Prinzipien des nachhaltigen Designs sowie die Nutzung der KI zur Steigerung der Effizienz haben Fachleute aus den Bereichen Architektur-, Ingenieur- und Bauwesen sowie Objektbetrieb eine einmalige Chance, die Planung, den Bau und den Betrieb von Rechenzentren zu beeinflussen.

Autodesk sprach mit führenden Unternehmen aus der Rechenzentrumsbranche und verwandten Bereichen, wie etwa NVIDIA, Arcadis, ArtifexAI oder Amazon Web Services (AWS), über die Maßnahmen, die in der Branche ergriffen werden, um die CO2-Bilanz der KI zu verbessern. Es stellte sich heraus, dass die Initiativen sowohl die KI-Infrastruktur, einschließlich der Rechenzentren, als auch die Effizienz der KI-Anwendungen selbst betreffen.

Um die CO2-Bilanz von KI zu verbessern, überdenken Unternehmen wie NVIDIA sämtliche Aspekte eines Rechenzentrums. Dank diesem Ansatz kommt jetzt eine neue Generation von KI-Infrastrukturen, die auf der einen Seite die Leistung pro Watt maximieren und auf der anderen die Umweltbelastung deutlich reduzieren können.

Um die immer komplexeren und größeren KI-Modelle effizient zu betreiben, sind Innovationen in der Architektur und Software nötig. Herkömmliche, auf Allzweck-CPUs basierte Rechenzentren reichen für moderne KI-Workloads nicht mehr aus. CPUs verarbeiten Aufgaben sequenziell und verbrauchen dabei viel Strom für einen begrenzten Durchsatz.

Im Gegensatz zu CPUs führen GPUs Tausende von Operationen parallel aus – und eignen sich daher perfekt für die intensiven Anforderungen von KI- Workloads. Der Full-Stack-Ansatz von NVIDIA umfasst eine verteilte Inferenz-Software, die die Rechenleistung über GPU-Cluster intelligent ausgewogen verteilt, Leerlaufzeiten reduziert und Echtzeit-KI-Reaktionsfähigkeit bei geringeren Energiekosten ermöglicht.

Die von NVIDIA-GPUs beschleunigte KI-Infrastruktur verarbeitet Daten schneller und mit deutlich geringerem Energieverbrauch pro Aufgabe als reine CPU-Systeme. In den letzten zehn Jahren hat NVIDIA die Energieeffizienz von KI um das 100.000-Fache erhöhen können.

„Durch die Verlagerung rechenintensiver Aufgaben für Netzwerke, Sicherheit und Speicher auf GPUs können wir bis zu 30 % mehr Energieeffizienz für Rechenzentren erzielen“, so Sean Young, der bei NVIDIA den Bereich AECO, Geospatial und KI-Lösungen leitet.

Wenn das Gebäude, die GPU und die Racks des Rechenzentrums voneinander abhängig angeordnet werden, lassen sich Nachhaltigkeitsgewinne erzielen. „Wir haben eine sehr hohe Dichte erreichen können, was uns hilft, kleinere Rechenzentren mit weniger Kühlung und weniger Energie zu bauen“, so Young. „Das wassergekühlte NVIDIA GB200 NVL72 zum Beispiel wird mit kaltem Wasser gekühlt, das sich während des Kühlprozesses erhitzt und dann abfließt, um als Warmwasser andere Bereiche des Gebäudes zu beheizen. Dadurch sind bis zu 25-mal mehr Energieeffizienz und 300-mal mehr Wassereffizienz für KI im Vergleich zu herkömmlichen luftgekühlten Anlagen möglich.“

Durch die Maximierung der Leistung pro Watt und die Verbesserung der systemweiten Effizienz erweitert NVIDIA die Möglichkeiten der KI und setzt damit Maßstäbe für nachhaltige Innovationen in der rechenintensiven Ära der Zukunft.

Mit der steigenden Nachfrage nach Rechenzentren wächst auch der Bedarf an große Mengen Energie, Wasser, Baumaterialien und Land. Anstatt bei Null anzufangen, suchen viele zukunftsorientierte Unternehmen nach Möglichkeiten, für andere Zwecke gebaute Infrastrukturen umzunutzen oder ihre Rechenzentren dort einzurichten, um symbiotische Beziehungen aufzubauen.

Die Verfügbarkeit von Wasser spielt eine entscheidende Rolle für die Wahl des Standorts sowie der Bauweise eines Rechenzentrums und beeinflusst Entscheidungen über Kühlstrategien, jahreszeitbedingte Versorgungsschwankungen und Wasserqualität. Bisher waren wassergekühlte Rechenzentren auf große Mengen Wasser angewiesen, was die lokalen Systeme belastet. Allerdings entstehen nun immer mehr nachhaltige Modelle.

Der Wasserbeauftragte Jim Cooper von Arcadis erzählt, wie sein Unternehmen durch Innovationen im Bereich Energie und Wasser die nachhaltigsten Rechenzentren der Welt schafft: beispielsweise durch den Einsatz der „Co-Flow“-Technologie in Zusammenarbeit mit Tomorrow Water. Nach diesem Konzept unterstützt der Bau und die Integration von Rechenzentren in Wasserrückgewinnungsanlagen den Austausch von Wasser und Kühlkapazitäten zwischen den beiden Einrichtungen.

Co-Flow verwandelt veraltete Kläranlagen in fortschrittliche Wasserrückgewinnungsanlagen, die Wasser zur Wiederverwendung für den Bedarf des Rechenzentrums produzieren. So kann beispielsweise das Wasser aus der Anlage als Kühlwasser im Rechenzentrum wiederverwendet werden. Das Rechenzentrum kann dann sein Abwasser und seine Wärme direkt an die Co-Flow-Anlage zurückgeben, um sie erneut dem Recycling zuzuführen.

Durch diese symbiotische Beziehung zwischen Rechenzentrum und Wasseraufbereitungsanlage entsteht eine erhebliche Reduzierung des Energie- und Wasserverbrauchs. Beide Anlagen profitieren von einem erstklassigen Standort, unbegrenzt zurückgewonnenem Wasser und dem Zugang zu erneuerbarer Energie. Gleichzeitig ziehen die lokalen Kommunen Vorteile aus der verbesserten Wasserinfrastruktur und dem zusätzlich zurückgewonnenen Wasser sowie aus Arbeitsplätzen und Steuereinnahmen.

„Vor allem in städtischen Gebieten mit vielen Versorgungseinrichtungen sind Kläranlagen gute Standorte für Rechenzentren“, so Cooper. „Das im Rechenzentrum erwärmte Wasser kann den Prozess der Abwasserreinigung verbessern. Ein bemerkenswerter Kreislauf und dabei total simpel. Es gibt eine Menge Möglichkeiten: Wir müssen nur ein wenig anders darüber nachdenken, wie wir unsere Ressourcen für Rechenzentren nutzen.“

Von schwimmenden Rechenzentren, die natürliche Gewässer zur Kühlung nutzen, bis hin zu Anlagen, die mit Wasserkraftwerken gekoppelt sind, um CO2-neutrale Energie ohne neue Infrastruktur zu nutzen: Kreative Ansätze sind auf dem Vormarsch.

Aufgrund der wiederkehrenden Dürreperioden im Westen der USA führt das kalifornische Unternehmen Nautilus Data Technologies ein modulares Anlagenlayout ein, das durch ständige Iteration mit Hilfe von BIM-Software erstellt wird. Durch eine Wasserkühlung über geschlossene Kaltwasserkreisläufe entfällt der Wasserverbrauch bei gleichzeitiger Senkung des Energieverbrauchs um 30 %. Solche Systeme können sowohl an Land in der Nähe eines Gewässers eingesetzt werden als auch auf dem Wasser schwimmen.

Jedes neue Rechenzentrum muss ein komplexes Genehmigungsverfahren durchlaufen, an dem lokale Aufsichtsbehörden, gewählte Vertreter und Mitglieder der örtlichen Bevölkerung beteiligt sind. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Auswirkungen auf die Umwelt, der Belastung der Infrastruktur und dem langfristigen öffentlichen Nutzen. Eine ernsthafte Auseinandersetzung mit diesen Anliegen ist die Grundlage für eine verantwortungsvolle Entwicklung.

Die Kluft zwischen den Interessen von Bauträgern und Anwohnenden lässt sich mithilfe einer neu entstandenen Lösung überbrücken. Das wachsende KI-Start-Up ArtifexAI entwickelt KI-Tools zur Analyse der lokalpolitischen Rahmenbedingungen, der Genehmigungsanforderungen und der öffentlichen Meinung. Die Plattform des Unternehmens nutzt KI, um Erkenntnisse aus öffentlichen kommunalen Dokumenten wie etwa Sitzungsprotokollen, Flächennutzungsplänen oder Umweltverträglichkeitsprüfungen zu extrahieren, die oft in PDFs versteckt oder über Behördenwebsites verstreut sind. Anhand dieser Informationen können Bauträgern besser verstehen, was für die Menschen vor Ort wichtig ist, bevor sie einen Bauantrag einreichen.

Laut Gründer Russ Wilcox funktionieren die Tools wie ein „automatisierter Analyst“, der mithilfe von KI Risikobewertungen auf der Grundlage vorhandener Sitzungsprotokolle sowie der aufsichtsrechtlichen Entwicklung vornimmt. Die Tools können auch Bauanträge für Rechenzentren in verschiedenen Regionen modellieren, damit eventuelle kumulative Auswirkungen sichtbar gemacht werden. Auf dieser Basis kann den Anliegen der Ortsbevölkerung – wie etwa den Umweltfolgen, infrastrukturellen Einschränkungen oder die Lebensqualität vor Ort – Priorität eingeräumt werden.

„Wir bieten einen neuen globalen Überblick unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitskriterien“, erklärt Wilcox. „Weil stabile Umweltbedingungen für Rechenzentren nötig sind, sollten wir wissen, wie viele und in welchen Gebieten sie geplant sind. Bislang waren diese Erkenntnisse nicht verfügbar, aber die KI ändert das.“

Durch Aufzeigen von Erkenntnissen, die oft übersehen werden oder nur schwer zusammengefasst werden können, unterstützt dieser Ansatz einen transparenteren, gemeinschaftsorientierten Bauplanungsprozess, bei dem Nachhaltigkeit und gesellschaftliche Akzeptanz Hand in Hand gehen.

Immer häufiger binden Unternehmen KI direkt in Planungs- und Fertigungsarbeitsabläufe ein, um nachhaltigere Ergebnisse zu erzielen. Von der Erstellung von Lebenszyklusanalysen über die Simulation von Klimaauswirkungen bis hin zur Reduzierung von Materialabfällen: KI hilft Teams in allen Branchen, klimafreundlichere Alternativen zu finden und nachhaltigere Entscheidungen zu treffen.

Spätestens im 2025 State of Design & Make-Bericht von Autodesk wurde deutlich, dass die KI – mit Anwendungen von der Abschwächung von Naturkatastrophen bis zum Lebenszyklusmanagement von Projekten – sich inzwischen als wichtigster Nachhaltigkeitsfaktor für Unternehmen in der Planungs- und Fertigungsbranche etabliert hat.

Durch Rationalisierung isolierter Prozesse, die Bereitstellung von Erkenntnissen in kritischen Phasen und die Verbesserung der Gesamteffizienz ermöglicht Autodesk AI Kunden aus der Planungs- und Baubranche, die nachhaltige Zukunft selbst zu bestimmen – ganz gleich, ob es um die Planung von Gebäuden oder um die Verwaltung der Infrastruktur geht.

Fachleute aus dem Architektur- und Ingenieurwesen können mithilfe von Autodesk Forma schnelle, KI-gestützte Analysen von Wind und Lärm für die Standortplanung durchführen sowie Auswirkungen von verbauten Emissionen in Baumaterialien abschätzen. InfoDrainage ermöglicht Fachkräften im Ingenieurwesen und der Planungsbranche, die Klimaresilienz zu unterstützen, indem sie auf maschinellem Lernen basierende Arbeitsabläufe zur Bewältigung von Regenwasser oder Überschwemmungen auf dem Gelände eines neuen Bauvorhabens einsetzen können.

Ob in Planungsplattformen integriert oder durch Integrationen verbunden: Diese Tools helfen Fachleuten bei der Bewertung von Kompromissen, bei der Reduzierung von Emissionen und bei der Erfüllung der immer strengeren Auflagen zur Reduzierung verbauter Emissionen.

Bei der Verbesserung der Energieeffizienz geht es nicht nur um das Erreichen von Nachhaltigkeitszielen – vielmehr ist sie ist für die Leistung, Rentabilität und langfristige Wettbewerbsfähigkeit von entscheidender Bedeutung. In einem ressourcenintensiven Sektor wie der KI ist Effizienz ein Wettbewerbsvorteil.

Diese Veränderungen verursachen ein Umdenken in den Ansätzen, mit denen Marktführer – von Cloud-Anbietern bis Infrastruktur-Unternehmen – die Herausforderungen der Skalierung und Nachhaltigkeit zu bewältigen versuchen. Mit dem zunehmenden Druck, Emissionen zu reduzieren und Klimaziele zu erreichen, werden Rechenzentren von Aufsichtsbehörden, Investoren und der Öffentlichkeit unter die Lupe genommen.

Ohne zuverlässige, transparente CO2-Daten laufen Betreiber Gefahr, mit den neuen Standards nicht Schritt zu halten und die für eine Expansion erforderliche gesellschaftliche Akzeptanz zu verlieren. Bauträger setzen demnach auf Echtzeit-CO2-Dashboards, Bewertungen der Scope 1-3 Emissionen und Lebenszyklusberichte, um ihre Umweltauswirkungen zu verstehen und zu reduzieren.

Für Fachleute aus der Planungs- und Baubranche besteht die Möglichkeit, die Kohlenstoffmodellierung bereits in einem frühen Stadium der Planung und Werkstoffauswahl zu berücksichtigen. Damit können Bauträger fundierte Entscheidungen treffen und vom ersten Tag an vorschriftskonform und verantwortungsvoll wirtschaften.

Das politische Umfeld für die Nachhaltigkeit von Rechenzentren entwickelt sich schnell weiter. Von der EU-Energieeffizienzrichtlinie bis hin zu den städtischen und bundesstaatlichen Vorschriften in den USA sehen sich Bauträger mit neuen Berichts-, Effizienz- und Transparenzanforderungen konfrontiert. Fachkräfte in der Planungs- und Baubranche müssen diese Veränderungen antizipieren und nicht nur die heutigen, sondern auch die zukünftigen gesetzlichen Anforderungen erfüllen.

Die Herausforderungen beim Bau und nachhaltigen Betrieb von Rechenzentren sind typisch für komplexe Systeme. Sie können zwar nicht durch eine einzelne Lösung gelöst werden, aber es gibt zahlreiche Möglichkeiten, um die Umweltauswirkungen von KI gemeinsam zu reduzieren.

Die heutige Gesellschaft verfügt über einem beispiellosen Zugang zu Informationen und Daten. Ihr Potenzial, mit Unterstützung von KI bessere Entscheidungen treffen und nachhaltigere Ergebnisse zu erzielen, hat sie noch nicht einmal annähernd ausgeschöpft. Beim Bau zukunftsfähiger Rechenzentren haben Führungskräfte die Möglichkeit, Infrastruktur- und Technologieinnovationen auf globaler Ebene zu gestalten.