Tajna broń BMW Sauber

tekst: Dawid d'Huet

Zespół BMW Sauber słynie z innowacyjnego podejścia i stosowania nowatorskich technologii w Formule 1. Jednym z takich rozwiązań jest superkomputer Albert 2, który został zamontowany w siedzibie zespołu. Czy to dzięki niemu ekipa z Hinwil może rozwijać się w tak szybkim tempie? Tego nie wiemy na pewno, ale możemy być pewni, że ma on w tym znaczny udział. Warto, więc może przyjrzeć się bliżej tej tajemniczej maszynie.
Głównym obszarem działania superkomputera jest aerodynamika. Już od dłuższego czasu odgrywa ona w Formule 1 bardzo istotną rolę, a od kiedy wprowadzono tzw. zamrożenie rozwoju silników, jest to główne pole do popisu dla inżynierów pragnących, aby ich samochody wyścigowe stawały się coraz szybsze. Z tego powodu większość liczących się w mistrzostwach zespołów inwestuje bardzo duże pieniądze w badania prowadzone w tunelach aerodynamicznych. Jednak zakres badań, w jakim poruszają się pracownicy ekip jest na tyle duży, że jeden tunel powietrzny, nawet działający bez przerwy przez całą dobę, przestał już wystarczać. Wiele ekip posiada już po dwa tunele, a czasem korzysta jeszcze z dodatkowych, aby sprostać wymaganiom inżynierów i dotrzymać tempa konkurencji. BMW postanowiło iść nieco inną drogą. Poprzestali tylko na jednym ośrodku badań aerodynamicznych i zamiast budować kolejne tunele zainwestowali ponad 10 milionów dolarów w budowę superkomputera.
Podobnie jak jego poprzednik, urządzenie zostało nazwane na cześć Alberta Einsteina, a że jest to druga maszyna tego typu w zespole, jej nazwa brzmi Albert 2. W czasie, kiedy został zamontowany w siedzibie zespołu (2006r) był najwydajniejszym superkomputerem używanym w przemyśle w Europie. Natomiast na liście 'TOP-500' klasyfikującej wszystkie tego typu maszyny na świecie zajmował 60. pozycję. Jest to całkiem dobry wynik, a jako ciekawostkę możemy podać, że na sąsiednich miejscach znalazły się np.: komputer w laboratorium badawczym armii USA, czy w chińskim instytucie meteorologicznym. Jednak specyfikacją techniczną Alberta zajmiemy się nieco później, a teraz należy przybliżyć to, czym tak właściwie się on zajmuje.
Każdy, kto słyszał o superkomputerze w BMW Sauber lub w jakimś innym zespole, z pewnością zetknął się także z pojęciem CFD. Skrót ten w języku polskim rozszyfrować można jako Komputerowa Mechanika Płynów. Jest to dział nauki zajmujący się badaniem przepływu płynów za pomocą metod numerycznych. Płynem w tym wypadku jest powietrze opływające pojazd Formuły 1. Mówiąc prościej CFD jest wykorzystywane przez zespoły F1 do przeprowadzania symulacji aerodynamicznych, czyli badania, w jaki sposób powietrze opływające dane elementy samochodu wpływa na jego zachowanie na torze. Jego zakres działań jest zatem bardzo zbliżony do badań wykonywanych w tunelach aerodynamicznych i można pomyśleć, że będą one ze sobą konkurować. Jednak nie jest tak do końca, co zaraz spróbuję przybliżyć.
Technologia i oprogramowanie, z których korzysta Albert 2 nie jest jeszcze na wystarczającym poziomie, aby całkowicie zastąpić testy prowadzone w tunelach powietrznych. Jednak BMW Sauber potrafi wykorzystać potencjał obu urządzeń i sprawić, aby znakomicie ze sobą współpracowały. Testowanie elementów nadwozia za pomocą komputera ma jedną wielką zaletę - wszystko odbywa się wirtualnie. Nie ma zatem potrzeby budowania modeli samochodów wyścigowych, wraz z wszystkimi ich komponentami. Za pomocą specjalnych programów inżynierowie wprowadzają tylko parametry poszczególnych części, a komputer potrafi wygenerować je na ekranie monitora. Wirtualne modele mają budowę siatkową i mogą składać się nawet ze 100 mln komórek. Jak zatem łatwo zgadnąć pozwala to na duże oszczędności zarówno pod względem finansów jak i czasu badań. Podczas testowania danego elementu nie ma potrzeby wykonywania jego odlewu i montowania go do modelu samochodu, wszystkie te czynności wykonuje za nas maszyna. Można się domyślić, że w trakcie badań różne elementy muszą być wielokrotnie modyfikowane, a wykonanie tego w tunelu zajmuje o wiele więcej czasu niż za pomocą komputera. Jednak w dalszym ciągu wyniki uzyskiwane podczas symulacji w tunelach są bliższe rzeczywistości i dlatego Albert 2 jest wykorzystywany w początkowej fazie testów, natomiast gdy uzyskane zostaną już pożądane wyniki, dalsze badania są prowadzone w tunelach aerodynamicznych, a na końcu już podczas testów na torze z użyciem prawdziwych samochodów. Wygląda więc na to, że działania komputera i tunelu mogą całkiem dobrze się uzupełniać. „Potrzebne są oba komponenty oraz takie ich zestawienie, by wspierały się nawzajem,” - wyjaśnia Mario Theissen. „Nie ma sensu podwajanie lub potrajanie godzin prac w tunelu aerodynamicznym bez zrozumienia tego co zachodzi. To zawsze będzie się odbywało metodą prób i błędów, podczas gdy komputer pozwala zrozumieć problem za pomocą dodatkowych informacji.”
Nie jest to jednak wszystko co potrafi Albert 2. Inżynierowie wykorzystują go także do symulowania różnych specyficznych sytuacji, które mają miejsce podczas jazdy na torze. Przykładowo można zbadać zachowanie się opon podczas pokonywania bardzo szybkich łuków. Podczas jazdy w takich zakrętach występują bardzo duże przeciążenia, a na opony działają potężne siły. Powoduje to, że ulegają one odkształceniom. Nie są to może duże zmiany, ale wpływają istotnie na położenie samochodu względem toru, co jest bardzo istotne dla przyczepności aerodynamicznej. Oprogramowanie zainstalowane w komputerze pozwala na przeprowadzenie tego typu symulacji, natomiast wytworzenie mechanicznie takich sił działających na ogumienie w tunelu nie jest raczej możliwe. Można także badać wpływ takich czynników jak wilgotność czy temperatura powietrza.
Nie trudno się domyślić, że do wykonywania tak skomplikowanych operacji potrzebna jest bardzo wydajna maszyna. Warto więc może powiedzieć nieco o budowie i specyfikacji Alberta. Z pewnością nie można go porównywać do tradycyjnych domowych PC-tów, choćby ze względu na gabaryty. Wyglądem przypomina on bardzo dużą szafę i zajmuje powierzchnię niewielkiego pokoju (10 metrów długości, 1,2 m szerokości i 2,3 m wysokości). Składa się dziesięciu chłodzonych cieczą segmentów, a jego łączna waga to około 21 ton. Może to nasuwać skojarzenia z maszynami z początków ery komputeryzacji, które także zajmowały wielkie powierzchnie, jednak mocy obliczeniowej Alberta nie ma co nawet z nimi porównywać. Wyposażony jest on w 512 dwurdzeniowych procesorów Intel Xeon 5160 (co daje w sumie 1024 rdzenie), każdy taktowany z częstotliwością 3GHz. Wielkość pamięci operacyjnej także robi wrażenie – 2000 GB, a pojemność dysków twardych wynosi łącznie 20 000 GB. Takie parametry pozwalają mu na osiągnięcie wydajności rzędu 12 Teraflopów, co oznacza, że może wykonywać ponad 12 bilionów operacji na sekundę. W materiałach publikowanych przez BMW Sauber można znaleźć takie porównanie obrazujące moc ich superkomputera: „Aby osiągnąć taką samą wydajność obliczeniową, cała populacja Monachium (1,3mln ludzi) musiałaby mnożyć przez siebie dwie ośmiocyfrowe liczby co 3,5 sekundy przez cały rok.” Nie wiem, czy ten obraz przybliża możliwości Alberta 2, ale z pewnością pokazuje, że jego wydajność jest na tyle duża, że ciężko to sobie wyobrazić. Fizycznie maszyna została zbudowana przez szwajcarską firmę Dalco, a oprogramowania pracującego na systemie operacyjnym Linux dostarczył ANSYS-Fluent.
W ostatnim czasie w Formule 1 jest wywierana bardzo duża presja na zmniejszanie kosztów startów w wyścigach, zwłaszcza przez czołowe zespoły. Jest to jeden z powodów, oczywiście oprócz bardzo wysokiej efektywności, do tego żeby wszystkie ekipy zaczęły inwestować w budowę superkomputerów i badania z wykorzystaniem CFD. Nie wszystkie ekipy chętnie dzielą się wiedzą o konfiguracji sprzętowej swoich maszyn, jednak z prowizorycznego rankingu zamieszczonego poniżej wynika, że Albert 2 znajduje się obecnie na trzecim miejscu w ‘klasyfikacji superkomputerów’:
1. ING Renault F1 Team: Appro Xtreme-X2, 1024 sloty, 4096 rdzeni (AMD QC Opteron)
2. Scuderia Ferrari Marlboro: Acer/IBM/Racksaver, więcej niż 1000 slotów (QC Opteron)
3. BMW Sauber F1 Team: Dell, Albert2, 512 slotów, 1024 rdzenie (Intel Xeon)
4. Vodafone McLaren Mercedes: Silicon Graphics Altix, 512 slotów, 1024 rdzenie (Intel Itanium 2)
5. Red Bull Renault: IBM, 512 slotów, 1024 rdzenie (AMD QC Opteron)
6. Panasonic Toyota F1 Team: Fujitsu, 320 slotów, 640 rdzenie (Intel Itanium 2)
6. AT&T WilliamsF1 Toyota: Lenovo Unnamed, 332 sloty, 664 rdzenie (Intel Xeon 5100)
7. Honda F1 Racing: SGI Altix ICE, nieznana liczba slotów/rdzeni, chłodzone cieczą procesory Quad-Core Intel Xeon
8. Scuderia Torro Rosso Ferrari: brak danych (używa infrastruktury Red Bull)
9. Force India Ferrari: korzysta z wynajmowanych systemów (nieznana specyfikacja)
Źródło: tgdaily.com
Z tej klasyfikacji wynika, że najlepszy komputer został ostatnio zbudowany dla zespołu Renault, a jego wydajność to aż 36 Teraflopów. Na drugim miejscu sklasyfikowane zostało Ferrari, a zaraz za włoską stajnią jest BMW Sauber, na czwartej pozycji McLaren. Jednak warto dodać, że pojawiły się ostatnio doniesienia pochodzące z firmy Dalco, że planowana jest rozbudowa Alberta 2, która pozwoli na awans BMW na pierwsze miejsce w tym rankingu.
Jak widać zespół z Hinwil nie zamierza ustępować innym ekipom pod względem wydajności swojego superkomputera, a sądząc po zaangażowaniu czołowych zespołów w tą technologię, będzie ona miała coraz istotniejszy wpływ na osiągi i wygląd samochodów, którymi ścigają się kierowcy Formuły 1.