Green IT Best Practice Award 2012

Fluffy 2: Das Energieeffiziente PC-Wunder

Jan-Bernd Meyer betreut als leitender Redakteur Sonderpublikationen und -projekte der COMPUTERWOCHE. Auch für die im Auftrag der Deutschen Messe AG publizierten "CeBIT News" ist Meyer zuständig. Inhaltlich betreut er darüber hinaus Hardware- und Green-IT- bzw. Nachhaltigkeitsthemen sowie alles was mit politischen Hintergründen in der ITK-Szene zu tun hat.   
Emile Nijssen is 25 Jahre alt. Er beendet gerade sein Master-Studium an der Delft University of Technology in den Niederlanden. Und er hat im Alleingang und ohne Mithilfe von Unternehmen oder Universitäten etwas entwickelt, was alle Unternehmen gerne einsetzen würden: einen sehr energieeffizient arbeitenden All-in-One-PC.

Der gelernte Luftfahrtingenieur hat schon immer einen Fokus auf Effizienz gelegt. Seine Master-Abschlussarbeit beschäftigt sich vor allem mit dem Leistungsverhalten von elektronischen Bausteinen. In diesem Zusammenhang interessieren ihn DC-zu-DC-Konverter (DC = Gleichstrom) im Besonderen und Leistungsumwandlungen im Allgemeinen ganz besonders.

Preise, Preise, Crowdfunding

So kam er auf die Idee, seine Überlegungen am Beispiel eines energetisch hocheffizient arbeitenden PCs zu verifizieren. Seine theoretischen und praktischen Ergebnisse formulierte er zudem kontinuierlich auf dem größten niederländischen Technik-Blogg, Tweakers.net. Mit dem verdient er aber kein Geld. Das verdient er vielmehr mit Elektronik-Design-Entwicklungen und Beratungstätigkeiten in seiner One-Man-Company Efficient Electronics. Außerdem finanzierte er sein PC-Design via Crowdfunding durch kleinere Beträge. Ferner erhält er auch Preisgelder aus Wettbewerben wie etwa dem UfD-Cofely Energy Efficiency Award. Jüngst landete er einen Coup mit dem Gewinn des ASN Bank Wereldprijs, der immerhin mit 10.000 Euro prämiert wurde.

Der Zuspruch aus der Online-Community war sehr groß und führte dazu, dass Nijssen nach einem ersten Pilotprojekt drei weitere PC-Modelle entwickelte, die sich dem Gedanken der Energieeffizienz verschrieben. Mit dem aktuellen Modell, Fluffy 2, hat sich Nijssen beim Wettbewerb Green IT Best Practice Award beworben - und prompt einen Sonderpreis gewonnen.

Leistungsstark und wenig Energiebedarf

Obwohl Fluffy 2 sehr leistungsstarke Komponenten verwendet, besitzt der Rechner im Leerlauf lediglich eine Leistungsaufnahme von 5,9 Watt. Das ist ungefähr ein Drittel des Energiebedarfs, den die meisten x86-Rechner, inklusive Laptops, benötigen. Des Rätsels Lösung für diese Energieeffizienz ist eine verbesserte DC-DC- und AC-DC-Konversion (AC = Wechselstrom).

Ein Vorläufermodell, Fikki3, brachte es noch auf eine Leistungsaufnahme von 8,3 Watt. Der Knackpunkt bei allen Überlegungen zu einem energieeffizienten Rechner sind dabei das Display und weitere Peripheriekomponenten. Diese verbrauchen die meiste Energie, beim Fikki3 mehr als 25 Watt. In dem Tweakers.net-Blogg wiesen prompt viele Leser auf genau diese Schwachstelle hin. Sie feuerten Nijssen an, einen PC zu entwickeln, dessen Energiebedarf in Summe sehr niedrig sein würde und der trotzdem sehr leistungsstark ist.

Ziel: der 15-Watt-PC

Das Ziel für die weitere Entwicklungsarbeit war klar vorgegeben. Nijssen wollte einen All-in-One-PC (Rechner, in dem alle Komponenten im Gehäuse des Monitors integriert sind) bauen, der insgesamt weniger als 20 Watt Leistungsaufnahme benötigt. Außerdem aber sollte dieses Modell ein Batterie-Backup besitzen, so dass der Rechner auch dann arbeiten kann, wenn die "herkömmliche" Stromversorgung ausgeschaltet ist. Hierbei sollte zudem der jeweils aktuelle Energieverbrauch in Echtzeit gemessen und dem Benutzer angezeigt werden, während dieser an einer bestimmten Aufgabe arbeitet. Letztere Entwicklung ist bis Redaktionsschluss noch nicht beendet gewesen. Auch die Frage des Display-Stromverbrauchs ist noch nicht endgültig gelöst. Nijssen geht aber davon aus, dass seine Komplettlösung weniger als 15 Watt verbrauchen wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen ist dies eine sehr signifikante Verbesserung der Energieeffizienz. Während ein herkömmlicher PC im Leerlauf rund 75 Watt Leistungsaufnahme besitzt und im Arbeitsmodus etwa 110 Watt, würde Nijssens Modell 15 respektive 75 Watt verbrauchen.

Projektphasen

Zunächst legte der holländische Student fest, welche Anforderungen das System erfüllen sollte: Es sollte ein All-in-one-Konzept mit Batteriepack und einer Leistungsaufnahme von weniger als 20 Watt bei Nutzung von Hochleistungskomponenten sein. Ferner sollte der Rechner tatsächlich keine Energie verbrauchen, wenn er ausgeschaltet ist (so genanntes true power-off). Via Crowdsourcing finanzierte er das Geld, um die Komponenten zu kaufen.

Dann gliederte Nijssen das Projekt je nach den verschiedenen Komponenten auf:

Da gab es zum einen den Rechner im engeren Sinn (Motherboard, CPU und Speicher), dann das Display, das UPS-Batteriemodul (UPS = Uninterruptible Power Supply), die Stromversorgung samt True-Power-off-Modul und schließlich das Chassis des PCs.

Herausforderung: Das Display

Eine große Herausforderung bestand darin, sich theoretische und praktische Erkenntnisse über die Verminderung des Stromverbrauchs eines LC-Displays anzueignen. Für die Entwicklung des Fluffy 2 war dies einer der entscheidenden Faktoren für den Erfolg des Projekts.

Nijssen unterzog sich der Fleißaufgabe, die technischen Daten von 292 auf dem Markt befindlichen LC-Displays zu sammeln und zu vergleichen. Seine Erkenntnis aus der Recherche von Leistungsaufnahme, Brillanz der Darstellung und Monitortyp ergab, dass es möglich sein würde, ein qualitativ hochwertiges LC-Display mit niedriger Leistungsaufnahme zu entwickeln. Ähnlich ging Nijssen bei der Entwicklung der anderen Komponenten vor.

Knackig war auch die Entwicklung des Power-off-Moduls. Dieses sollte die Erkenntnisse der Datenübertragung über das herkömmliche Stromnetz nutzen - je nachdem, in welchem Zustand (aus/ein) sich der Rechner befindet.

Außerdem musste Nijssen das UPS- und Batteriemodul entwerfen. Dies sollte in der Lage sein - analog der Arbeitsweise eines Laptops - dynamisch zwischen herkömmlicher Stromzufuhr und Batteriebetrieb zu wechseln und dabei zwischen den unterschiedlichen Spannungsverhältnissen von 220 Volt Netzstrom und der intern niedrigeren Spannung automatisch wechseln zu können. Dieses externe Modul fungiert also praktisch als Netzteil mit eingebautem Spannungskonverter und USB-Schnittstelle zur Messung und Darstellung aktueller Energieverbrauche des Rechners.

Ferner musste der Student noch die DC-DC-Konverter verbessern, um so den Energieverbrauch aller PC-Komponenten zu verringern. Allein diese Entwicklung führte zu einem verringerten Energiekonsum im Leerlauf von 45 und im Volllast-Modus von 25 Prozent.

Zudem bestand die Aufgabe, zum einen einen DC-DC-Konverter zu entwickeln, der die Hintergrundbeleuchtung des Monitors mit Strom versorgt. Zum anderen brauchte Nijssen ein Low Voltage Differential Signaling Adapter Board (LVDS), um den Monitor mit der Systemplatine zu verbinden. Auf diese Weise würde die Verlustleistung der Elektronik im Monitor selbst minimiert und so die Leistungsaufnahme des Displays insgesamt vermindert. Nijssen rechnete hier mit einer Reduzierung der Leistungsaufnahme von mehr als 50 Prozent.

Das Chassis entwickelte er zusammen mit einem Kunden und Freund, Joel Edelstein.

Schließlich galt es, alle Teile des Rechner-Puzzles zusammenzufügen und als funktionierendes Ganzes zu präsentieren. Diese Aufgabe musste bei Redaktionsschluss noch gelöst werden.

Was kostet der Spaß?

Insgesamt hat Nijssen rund 400 Mannstunden in die Entwicklung des energieeffizienten Systems gesteckt. Die Nettomaterialkosten für den Fluffy-2-Prototyp gibt er mit 550 Euro an. 380 Euro davon wurden via Crowdfunding aufgebracht.

Widerstände?

Da es sich bei Fluffy 2 um eine One-Man-Show handelt, gab es erwartungsgemäß wenige Widerstände gegen das Projekt. Allerdings wurde er im Zuge der Recherche- und Entwicklungsarbeit recht häufig mit allgemeinen Zweifeln am Gelingen seines Projekts konfrontiert. Um eine breitere Öffentlichkeit für sein Projekt zu interessieren, publizierte er auf Tweakblogs seine Arbeiten.

Technische und adminstrative Probleme

Im Prinzip gab es keine technischen oder administrativen Probleme. Da Nijssen aber handelsübliche Komponenten benutzte, die am Markt verfügbar sind, und keine Sonderanfertigungen, wurden ihm durch deren jeweilige Charakteristik immer wieder Grenzen aufgezeigt. Hier bedurfte es erheblicher Gedankenarbeit, um Auswege zu finden, die solche Limitierungen umschifften.

Übertragbarkeit

Beim UPS-Modul könnte man auf die Idee kommen, es sei eine Sonderentwicklung speziell für Fluffy 2. Das stimmt nicht. Für solch ein UPS-Design gibt es bereits zum einen EMI-Regeln (EMI = European Market Infrastructure), die eingehalten werden müssen, zum anderen fertige Design-Standards für Konsumentenelektronik. Das UPS-Modul ist kompatibel mit allen Computern, die eine elektrische Spannung von 19 Volt akzeptieren, einschließlich Laptops.

Das ist wichtig festzustellen. Denn es bedarf nur geringer Designveränderungen, um solch eine UPS-Technik an Unternehmen und an eine breitere Öffentlichkeit als preiswerte Lösungen vermarkten zu können. Nijssen will es in künftigen kommerziellen Produkten nutzen - und er hat dank des bereits erwähnten Preisgeldes des Wettbewerbs ASN Bank Wereldprijs über 10.000 Euro die Finanzierung auch schon gesichert, sagt er.

Nichts Vergleichbares

Bezüglich des LVDS-Moduls für die Hintergrundbeleuchtung sagt Nijssen, auf dem Markt gäbe es bislang nichts Vergleichbares, das mit Intel-Motherboards mit LVDS-Output kompatibel wäre. Nutzt man das fünf mal fünf Zentimeter große Modul mit einer kompatiblen Systemplatine, sagt Nijssen, ersetzt es alle andere Elektronik in einem Computer-Monitor.

Das True-power-off-Modul ist ebenfalls an Konsumentenstandards ausgerichtet. Es kann zusammen mit dem UPS-Modul eingesetzt werden, um so einen PC zu kreieren, der im ausgeschalteten Zustand tatsächlich keinen Strom verbraucht. Üblicherweise beträgt demgegenüber die Leistungsaufnahme im Standby-Modus von Rechnern zirka 0,5 bis ein Watt.

Die Recherche zu einem energiesparsamen Display ergab zudem eine völlig neue Metrik, wie der Stromverbrauch von solchen Geräten gemessen und angegeben werden kann. Diese wäre sehr viel akkurater in der Aussage, als es momentan existierende Standards wie etwa der Energy Star der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde Environmental Protection Agency (EPA) oder gar Eigenangaben der Unternehmen sind.

Insofern lassen sich die Ergebnisse der Nijssen-Entwicklungen in Sachen Displays wiederum von Unternehmen und Behörden nutzen, um genauere Zielforderungen an Gerätschaften zu entwickeln.

Die spezifischen Modifikationen, die im Zuge der Entwicklung von Fluffy 2 vorgenommen wurden, können, sagt Nijssen, nicht eins zu eins auf andere Computer übertragen werden. Trotzdem zeigt Fluffy 2 sehr deutlich die Schwachstellen heutiger Rechner in punkto Energieeffizienz - und wie man diese beheben könnte. Nijssen ist selbstbewusst genug zu behaupten, dass die aus Fluffy 2 gewonnenen Erkenntnisse für Systemintegratoren, Systemplatinenhersteller wie auch für Komponentenfertiger von großem Nutzen sind.

Kosten und Nutzen

Nijssen rechnet vor, welche Vorteile der Einsatz der Fluffy-2-Entwicklung bringen würde. Zunächst zitiert er die Materialkosten von 550 Euro - die nicht höher als bei vergleichbaren Rechnern seien - sowie den Entwicklungsaufwand von 400 Mannstunden.

Sein Modell zeichnet sich aber vor allem durch dessen Energieeffizienz aus. Hier hält der Niederländer die Leistungswerte seines Systems (15 Watt im Leerlauf respektive 75 Watt unter Volllast) denen eines herkömmlicher PCs gegenüber: rund 75 Watt Leistungsaufnahme im Leerlauf und 110 Watt im Arbeitsmodus.

305.000 Tonnen weniger CO2

Foto: GreenIT BB

Gehe man vom Lebenszyklus eines PCs von geschätzt fünf Jahren aus, entspräche dies einem niedrigeren Stromverbrauch von 800 Kilowattstunden. Ausgehend von US-Daten aus dem Jahr 2007 würde dies eine Reduktion von Kohlendioxid von 552 Kilogramm ausmachen. Nijssen rechnet weiter: Der großflächige Einsatz von Fluffy-2-Systemen würde im Vergleich zu typischen Desktop-Computern den Stromverbrauch dermaßen reduzieren, dass etwa in den Niederlanden allein 442 Gigawattstunden oder 305.000 Tonnen Kohlendioxid eingespart werden könnten.

Der Einsatz des UPS-Moduls hätte zudem auch in Data Centers und dort in Servern erhebliche Potentiale: Server seien in aller Regel mit großen UPS-Modulen ausgestattet, allerdings auf Bleiakkubasis. Mit seinem UPS-Modul hingegen könnten Server zehnmal kleinere Lithium-Ionen-Akkus nutzen. Vorteil: Diese Technik ist nicht nur viel preiswerter - sie kostet nur rund die Hälfte -, sie ist auch effizienter. Seine UPS-Module könnten nämlich Computer direkt mit Niedrigspannung versorgen. In herkömmlichen UPS-Systemen hingegen müsste Strom aus den Bleiakkus erst in Netzspannung konvertiert werden und dann in ein Netzteil und von dort in den Server. Diese zwei Konversionen, die jeweils mit großen Energieverlusten einhergehen, lassen sich bei seinem Konzept vermeiden. So könnten die heute erforderlichen Batteriekapazitäten um 30 Prozent reduzieren. (jm)