Cкорость мысли: вычислительный центр

Счастливчиков катают от цеха к цеху на забавном красном автобусе с эмблемой Ferrari. Пассажиры устраиваются в удобных кожаных креслах с анатомическим профилем, с карбоновыми рамами, подлокотниками и поручнями. В этой сказочной карете с трудом угадывается бывшая тыква — обычный рейсовый автобус. Здесь вообще все похоже на сказку, которая органично сплелась со спокойной повседневной реальностью. Вот по прохладной пасмурной улице медленно проехала Ferrari Enzo. Басовитое ворчание 12-цилиндрового двигателя выдало ее недовольство нарочито сдержанной пешеходной скоростью. Вот у офисного здания припаркованы F550 Maranello и Scaglietti вместе с несколькими маленькими «фиатами». Все люди здесь ходят в красных комбинезонах или куртках. В глазах каждого встречного читается искренняя, без тени иронии, гордость от причастности к искусству высоких скоростей. Для жителей итальянского городка Маранелло Ferrari — это культ, религия, смысл и образ жизни.

Кузовной и механический цеха, окрасочные камеры, сборочные линии, административные помещения, дизайнерский центр и аэродинамическая труба расположились в современных постмодернистских корпусах. Просторные архитектурные гиганты вмещают в себя все необходимое для организации высокотехнологичного и экологичного производства — от промышленных роботов до оранжерей. На их фоне скромные старые здания завода, построенные в 1940-х, смотрятся как-то сиротливо. Между тем в одном из них скрыто сердце инженерных систем гоночной команды Scuderia Ferrari — вычислительный центр компании AMD, по приглашению которой мы посетили колыбель легенды.

«Зрелище сотен процессоров, работающих одновременно в режиме полной загрузки, непрерывно, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, безусловно, завораживает», — говорит Антонио Калабрезе, глава отделения информационных систем Scuderia Ferrari. Вычислительный центр состоит более чем из четырехсот узлов, в каждом из которых трудятся процессоры AMD Opteron. Это надежные процессоры с 64-разрядной архитектурой, специально предназначенные для серверов и рабочих станций, оптимизированные для параллельных вычислений и многопроцессорных систем. В самом мощном на сегодняшний день суперкомпьютере Roadrunner, установленном в Лос-Аламосской национальной лаборатории США, работают процессоры AMD Opteron.

Физически система реализована с помощью архитектуры IfraStruXure от APC. Это комплексное решение, которое обеспечивает питание с защитой от перебоев, охлаждение системы, дистанционное управление всеми модулями, противопожарную безопасность, доступность сервисного обслуживания без прерывания работы и быструю расширяемость конфигурации при необходимости. Вычислительные узлы располагаются в серверных шкафах, по крышам которых проходят соединительные кабели. Каждый шкаф содержит собственный модуль бесперебойного питания, блок управления и систему кондиционирования. В помещении вычислительного центра поддерживается строго определенная температура, влажность воздуха и давление (оно несколько превышает давление в соседних помещениях). Тем не менее индивидуальное охлаждение каждого конкретного корпуса способствует еще более эффективному отводу тепла непосредственно от источников. Мощность всех вентиляторов и компрессоров автоматически изменяется в зависимости от нагрузки. В большом вычислительном центре это позволяет сэкономить много электроэнергии.

Физическое состояние, работоспособность и степень загрузки каждого модуля контролируется дистанционно. Управлять колоссальной вычислительной мощностью можно с единственного компьютера. Вычислительный центр работает под управлением операционной системы Linux.

В 2002 году компания Advanced Micro Devices стала официальным спонсором и технологическим партнером гоночной конюшни Scuderia Ferrari. Построенный в 2004 году вычислительный центр Ferrari Data Center команда нередко упоминает в качестве одного из важнейших условий побед в кубке конструкторов последних лет. Для чего именно гоночной команде так необходим суперкомпьютер? Специалисты Ferrari могут припомнить массу ситуаций, когда суперкомпьютер воплощает в виртуальной реальности проекты конструкторов, помогает принимать оперативные тактические решения прямо во время гонки, анализирует телеметрическую информацию после заездов. Однако практически в каждом примере прозвучит одно заветное слово — аэродинамика.

В автогонках, где скорости порой переваливают отметку 350 км/ч, сопротивление воздуха становится ключевым фактором. Аэродинамика автомобиля становится главным конкурентным преимуществом, и работа над совершенствованием аэродинамических элементов автомобиля не прекращается в течение всего сезона. Аэродинамические настройки меняются в зависимости от конфигурации трассы, от погодных условий, от текущих тактических задач на конкретном этапе гонки. Множество всевозможных конфигураций должно быть разработано, испытано и подготовлено к гонке.

Аэродинамика — это не только пресловутый коэффициент лобового сопротивления воздуха на скорости. Это и прижимная сила, определяющая надежность сцепления шин с покрытием трассы, и движение топливной смеси во впускном коллекторе, от скорости, качества смешения и формы которой напрямую зависит мощность двигателя. Движение выхлопных газов в выпускном пауке, тепловые потоки в системах охлаждения двигателя, тормозов и амортизаторов — все это изучается с помощью моделирования гидродинамических процессов одной из самых ресурсоемких отраслей компьютерного моделирования.

В основе моделирования гидродинамических процессов, или CFD (Computational Fluid Dynamics), лежат уравнения Навье-Стокса, описывающие движение вязких жидкостей (в данном случае воздух приравнивается к ним). Первые вычислительные методы такого моделирования появились в 30-х годах прошлого века. Модели обтекания воздухом цилиндра и авиационного крыла были двухмерными — при тогдашнем уровне вычислительных мощностей о 3D-моделировании нельзя было даже мечтать. Первые трехмерные модели были представлены специалистами авиационной компании Douglas в 1966 году. Вычисления производились панельным методом: модель делили на равные части (панели) и для каждой части отдельно рассчитывали гидродинамические уравнения. В первую очередь технологией заинтересовались предприятия аэрокосмической отрасли — NASA, Boeing, Lockheed. В те времена технологии не позволяли моделировать восходящие воздушные потоки и турбулентность, поэтому программы не могли помочь в разработке профилей крыла. С их помощью моделировались фюзеляжи самолетов, корпуса подводных лодок, кораблей и, что немаловажно, помещения аэродинамических труб.

Для моделирования аэродинамики в Ferrari Data Center используется программа Fluent. Это универсальный инструмент

гидродинамического моделирования, который давно стал промышленным стандартом в самых разных отраслях: автомобильной и аэрокосмической индустрии, химии, медицине (Fluent используется для моделирования движения физиологических жидкостей в организме, а также при разработке медицинского оборудования), электронике (для моделирования систем охлаждения), пищевой, нефтедобывающей промышленности — везде, где приходится иметь дело со смешивающимися потоками жидкостей или газов. Преимущество программных продуктов от Fluent кроется в том, что компания проводит множество реальных тестов в аэродинамической трубе, чтобы на практике контролировать точность математических моделей.

Моделирование в Fluent включает три основных этапа. На первом этапе создается точная трехмерная модель детали автомобиля, которую нужно подвергнуть тестированию. Как правило, такие модели строятся конструкторами еще при разработке узла. Их используют на всех стадиях жизни автомобиля, от всевозможных виртуальных тестов до производства на роботизированных станках. В трехмерной модели сложная, плавно изгибающаяся поверхность детали представляется в виде множества простейших элементов — треугольников (полигонов). Чем больше полигонов будет в модели, тем плотнее результаты виртуальных тестов приблизятся к действительности. Количество полигонов, которое конструкторы могут себе позволить в тестах, напрямую зависит от вычислительной мощности компьютера.

Второй этап — собственно расчет аэродинамики. Программа рассчитывает движение воздушных потоков, разделяя эту сложную задачу на множество простых. К примеру, при расчете методом конечных объемов программа делит все виртуальное пространство сцены на маленькие подпространства и для каждого из них рассчитывает свой вектор потока. Чем меньше будет каждая пространственная ячейка, тем точнее получится результат и тем больше мощности потребуется от компьютера. Метод конечных элементов предполагает расчет давления потока на каждом полигоне модели. От количества полигонов опять же зависят точность и загрузка мощностей. Особенно требовательны к компьютеру расчеты турбулентности воздуха, которая, как известно, в значительной мере определяет поведение аэродинамических элементов.

Третий этап работы с Fluent самый приятный — это визуализация результатов. Форма представления материала зависит от того, кто им будет пользоваться. К примеру, для конструкторов важна подробная цифровая информация. Для принятия тактических решений по ходу гонки необходима быстро считываемая графика. А чтобы убедить финансовых менеджеров команды вложиться в очередной дорогостоящий проект по улучшению аэродинамических свойств болида, не помешает яркий иллюстративный материал.

«Формула-1» — это мир высоких скоростей. В скорости соревнуются не только пилоты. От того, насколько быстро в ходе сезона поступают новые конструкторские решения, во многом зависит конкурентоспособность пилотов на трассе. Ferrari Data Center позволяет конструкторам быстрее создавать новые аэродинамические элементы автомобиля, подготавливать и испытывать больше всевозможных вариантов, лишь лучшие из которых пройдут реальные тесты в аэродинамической трубе. Компьютерные модели позволяют учитывать множество факторов, влияющих на поведение автомобиля в условиях каждой конкретной гонки: температуру воздуха и трассы, влажность, осадки, направление и скорость ветра и многое другое. Основываясь на показаниях телеметрических данных и результатах быстрого моделирования, менеджеры команды могут быстрее конкурентов принять правильное тактическое решение, скажем, при резкой смене погодных условий или возникновении технических неполадок автомобиля. «AMD — это жизненно важный технологический партнер Ferrari, неотъемлемая часть команды», — говорит Дитер Гундел, главный электронщик Ferrari. К его словам присоединяются и Антонио Калабрезе, и пилот Кими Райкконен, завоевавший за рулем алого болида свой чемпионский титул.