Die University of California, Santa Barbara, hat kürzlich den weltweit größten Raspberry Pi Cluster in Empfang genommen. Die außergewöhnliche Sammlung umfasst 1.050 Raspberry Pi 3 Model B+ Computer, die von dem Software-Giganten Oracle ursprünglich als Demonstrationsobjekt für die Leistungsfähigkeit einer preiswerten, energieeffizienten Technologie konzipiert und gebaut wurden. Nach ihrer Nutzung auf verschiedenen Computer-Messen wurde der Cluster an UCSB gespendet, wo er nun als bedeutende Forschungs- und Lehrressource dient. Die außergewöhnliche Größe und der innovative Anspruch des Clusters machen ihn zu einem einzigartigen Instrument, um die Potenziale des Raspberry Pi, insbesondere im Kontext des Internet of Things (IoT) und innovativer Rechenzentrumstechnologien, zu erforschen.
Der Raspberry Pi ist bekannt als günstiger und energieeffizienter Mikrocomputer, der sich besonders gut für den Bildungsbereich, aber auch für experimentelle Anwendungen eignet. Ursprünglich wurde der Raspberry Pi für IoT-Anwendungen entwickelt, wo sich viele kleine Computer über das Internet verbinden und miteinander kommunizieren, um unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen. Obwohl die einzelnen Geräte von der Rechenleistung eher im unteren Segment angesiedelt sind, ermöglicht die Vernetzung vieler Einheiten beeindruckende parallele Verarbeitung und komplexe Systeme, die sich gut für das Simulieren großer Netzwerke oder für die Forschung an verteilten Systemen eignen. Der an die UCSB gespendete Cluster ist das größte seiner Art, noch vor dem zweitgrößten Verbund, der am Los Alamos National Laboratory zu finden ist, der nur halb so groß ist. Prof.
Rich Wolski und Prof. Chandra Krintz aus dem Department für Informatik an UCSB sind die leitenden Wissenschaftler, die sich der Einrichtung und Weiterentwicklung des Clusters angenommen haben. Gemeinsam mit ihren Studierenden und ehemaligen Oracle-Ingenieuren arbeiten sie daran, das System in eine nachhaltige Forschungsplattform umzuwandeln. Eine der größten Herausforderungen bestand darin, den Cluster für den ganztägigen Betrieb in einer Universität fit zu machen. Während der ursprüngliche Zweck des Clusters die Vorführung bei Computermessen war, bei denen er nur wenige Stunden in Betrieb war, ist an der UCSB ein dauerhafter, stabiler Betrieb erforderlich.
Deshalb wurden umfangreiche Anpassungen vorgenommen, insbesondere im Bereich Kühlung und Stromversorgung. Die Ansammlung von über 1.000 einzelnen Einheiten erzeugt trotz der niedrigen Wärmeentwicklung eines einzelnen Raspberry Pi erhebliche Hitze, die effizient abgeführt werden muss, um eine Überhitzung zu verhindern. Um die Kühlung zu optimieren, wurde das Luftkühlsystem im Henley Hall, dem Gebäude des UCSB Institute for Energy Efficiency, nachgerüstet. Gleichzeitig wurden Mess- und Überwachungssysteme installiert, die automatisch warnen, sobald die Raumtemperaturen ein kritisches Niveau erreichen.
Diese „Intelligenz“ wird über das eigens entwickelte Jaget- und Monitoring-System realisiert, das auch Teil der IoT-Forschung am Institut ist. Die Softwareentwicklung rund um den Cluster ist ein weiterer spannender Aspekt. Da der Cluster ursprünglich für eine andere Nutzung gebaut wurde, müssen Systeme umgeschrieben und angepasst werden, um ihn für Forschungs- und Lehrzwecke zugänglich zu machen. Hierbei wird besonderer Wert auf Open-Source-Software gelegt, was den Zugang für Studierende und Forscher weltweit erleichtert. Gleichzeitig wird an intelligenten Scheduling-Methoden gearbeitet, die Lastmanagement und Energieeffizienz optimieren, indem sie Berechnungen in einem bestimmten „Hitze-Budget“ koordinieren.
Neben rein technischen Aspekten bietet der Cluster der Universität eine einmalige Gelegenheit, neue Konzepte für die Infrastruktur von Rechenzentren zu entwickeln. Die Forschung konzentriert sich nicht nur auf traditionelle Großrechner, sondern auch auf die Anforderungen eines dezentralen Internets der Dinge, bei dem Rechner in kleinsten Formfaktoren und an ungewöhnlichen Orten eingesetzt werden. So ist das Forschungsfeld sehr breitgefächert und verbindet Hardware, Software und Systemintegration. Die Namensgebung des Clusters, scherzhaft „Godzilla Pi“ genannt, spiegelt nicht nur seine schiere Größe wider, sondern auch die Ambitionen, die mit diesem Projekt verbunden sind. Eine verkleinerte Version wird intern als „TinyTart“ bezeichnet und dient ebenfalls als Testplattform.
Studierende des RACELab, dem Labor für adaptive Computerumgebungen, entwickeln unter anderem 3D-Visualisierungen, mit denen man den Status einzelner Pi-Module in Echtzeit überwachen kann. Sie arbeiten daran, Probleme wie Leistungsabfall oder Fehlfunktionen visuell schnell erfassbar zu machen, was ein völlig neues Monitoring im Bereich verteilter Systeme verspricht. Das Potential, zahlreiche kleine Geräte gleichzeitig zu steuern und auszuwerten, ermöglicht Simulationen in einem Umfang, der für andere Universitäten kaum erreichbar ist. So können Forschende das Zusammenspiel von Hunderten oder Tausenden Komponenten untersuchen, was direkte Anwendung im IoT-Bereich, der Cloud-Computing-Technologie und energieeffizienten Rechenzentren findet. Gerade das Thema Energieeffizienz steht im Fokus, da der Stromverbrauch bei zukünftigen digitalen Infrastrukturen ein entscheidender Kosten- und Umweltfaktor ist.
Die Geschichte des Clusters demonstriert auch, wie Industrie und Wissenschaft sinnvoll zusammenarbeiten können. Oracle war es gelungen, mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine beeindruckende technische Demonstration zu schaffen, die jetzt an der UCSB einen nachhaltigen Beitrag zu Forschung und Ausbildung leistet. Die großzügige Spende hat eine wertvolle Grundlage geschaffen, um zukünftige Informatiker und Ingenieure praktisch und theoretisch auf die Herausforderungen der digitalen Zukunft vorzubereiten. Das IoT, also das Internet der Dinge, ist eine der wichtigsten Technologien der kommenden Jahre, da immer mehr Alltagsgegenstände und industrielle Systeme mit intelligenten Sensoren und Mikroprozessoren ausgestattet werden. Der Raspberry Pi Cluster an der UCSB bietet dafür eine realitätsnahe Testumgebung in großem Maßstab, die sowohl für akademische Forschung als auch für die Ausbildung von Studenten im wissenschaftlichen und technischen Bereich von großem Wert ist.
Ein weiterer spannender Forschungsaspekt ist die Entwicklung langfristig stabiler, langlebiger und energieeffizienter kleiner Datenzentren, die nicht wie die herkömmlichen riesigen Serverfarmen funktionieren. Stattdessen werden dezentrale Systeme erforscht, die kostengünstig, flexibel und skalierbar sein müssen – Eigenschaften, die der Raspberry Pi bestens repräsentiert. Die aus dem Cluster gewonnen Erkenntnisse könnten in Zukunft viele Branchen beeinflussen, von Smart Home-Technologien bis hin zu industriellen Überwachungssystemen. Die Fakultät für Elektrotechnik und Informatik sowie das Institute for Energy Efficiency an der UCSB profitieren gleichermaßen von dem Cluster. Der elektronische und energiesparende Betrieb der vielen kleinen Rechner passt genau zum Leitbild der Universität, nachhaltig zukunftsweisende Technologien zu entwickeln und dabei auch immer den wissenschaftlichen Nachwuchs im Blick zu haben.
Die Studierenden erhalten die einmalige Gelegenheit, mit modernster Infrastruktur praxisnahe Erfahrungen zu sammeln und komplexe Systeme zu erforschen. Der internationale Forschungsstandort UCSB etabliert sich mit diesem Projekt zugleich als Vorreiter im Bereich der verteilten Rechnernetze und des Internet of Things. Die Kombination aus leistungsfähiger Hardware, kluger Software und innovativem Kühl- und Strommanagement machen den Raspberry Pi Cluster zu einem einzigartigen Forschungsinstrument. So entsteht eine Brücke zwischen Praxisnähe, technologischem Fortschritt und interdisziplinärer Wissenschaft. Oracle hat mit seiner Technologie gezeigt, dass auch vermeintlich einfache Bausteine in großem Verbund komplexe und anspruchsvolle Aufgaben erfüllen können.
Ihre Entscheidung, den Cluster der UCSB zu übergeben, hat einen wichtigen Impuls für die akademische Forschung gesetzt. Mit dem „Godzilla Pi“ haben Studierende und Wissenschaftler nun ein Werkzeug, um die Zukunft des Internets der Dinge und die Energieeffizienz digitaler Infrastrukturen maßgeblich mitzugestalten und weiterzuentwickeln. Die Möglichkeiten dieses Clusters reichen dabei von praktischen Anwendungen im Maschinenlernen über das Entwickeln neuer Algorithmen zur Ressourcensteuerung bis hin zu systemübergreifenden Simulationen großer IoT-Netzwerke. Damit öffnet sich ein breites Spektrum an Forschungsgebieten, von denen nicht nur die Informatik, sondern auch Elektrotechnik, Umweltschutz und angewandte Wissenschaften profitieren. Insgesamt steht der Raspberry Pi Cluster an der UCSB exemplarisch für eine neue Generation von Forschungslaboren, die sich der Herausforderung stellen, komplexe Systeme mit kleinstmöglichen Ressourcen effizient zu betreiben.
Die Kombination aus Kreativität, Kollegialität und technologischem Know-how macht dieses Projekt zu einem Leuchtturm in der Forschung zur Computerarchitektur und vernetzten Systemen. Der Standort UCSB ermöglicht es, das Potential des Clusters voll auszuschöpfen und den Nachwuchs optimal vorzubereiten. Dadurch trägt das Projekt auch zur Stärkung des wissenschaftlichen Standorts Kalifornien bei und fördert die Innovation in einer Branche, die unsere Zukunft maßgeblich prägen wird.
