تصنع Red Bull Ford Powertrains محرك سيارات سباق F1 من الصفر

المهندسون مستعدون. تم تعيين الاختبار. يتم ضغط الزر. Roar! بعد ما يزيد قليلاً عن عام من الهندسة والإبداع، محرك العلامة التجارية الجديدة لسيارة سباق Formula 1 يأتي إلى الحياة.

بمساعدة جهاز كمبيوتر فائق قائم على السحابة، قام الفريق الذي أنشأ وحدة الطاقة الجديدة لسيارة Oracle Red Bull Racing لعام 2026 بشيء رائع - تصميم وبناء نموذج أولي جديد للمحرك من البداية في أكثر من عام. في الواقع، يقوم الفريق بإنشاء وحدة طاقة كاملة: المحرك والشاحن التوربيني والأنظمة المختلطة.

تدرك منظمة التنمية، التي تسمى Red Bull Ford Powertrains، ضخامة هذا المسعى. إنهم يقومون بتصميم وتصنيع وحدة الطاقة الجديدة لسيارات السباق لاستخدامها في سباقات F1، ذروة أداء السباقات، وينجزون ذلك في أقل من أربع سنوات. للمقارنة، تستغرق معظم برامج تطوير محركات السيارات ضعف الوقت تقريبًا لتحقيق نفس النهاية. علاوة على ذلك، بدأوا بدون فريق تصميم محرك موجود، ولا مركز بيانات لتشغيل عمليات المحاكاة الهندسية، ولا مصنع لإنشاء كل شيء.

كان عنصر الحوسبة حاسمًا لسرعة التطوير. استفادت شركة Red Bull Ford Powertrains من قدرة الحوسبة عالية الأداء المستندة إلى السحابة (HPC) من Oracle حتى يتمكنوا من البدء في إجراء عمليات المحاكاة الهندسية دون إنشاء مركز بيانات رئيسي. إن استخدام البنية التحتية السحابية لأداء هذا المستوى من العمل المكثف الحسابي يمكن أن يوفر الكثير من الوقت والمال. كما فعلت شركة Red Bull Ford Powertrains، فإن الحوسبة عالية الأداء المستندة إلى السحابة ستجعل من الممكن للعديد من الأشخاص والمؤسسات في الصناعات الأخرى القيام بمناسبات مذهلة للهندسة والتصميم.

تقوم Red Bull Ford Powertrains بتصميم وبناء وحدة الطاقة الجديدة في الوقت المناسب لموسم 2026 F1، والذي يستخدم في تصميم محرك مختلط جديد ومتطلبات الوقود المستدامة. في حين أن الفريق لديه الآن نموذج عمل أولي لمحرك 2026، إلا أن هناك العديد من التكرارات والتطورات الأخرى التي لم تأتي بعد قبل أن يصل أحفاده إلى المسار، ناهيك عن آلاف الساعات من اختبار الحفارات لضمان الموثوقية. ومع Oracle Red Bull Racing، الفريق المدافع عن بطولة F1 لعام 2022، لا يوجد سوى مقياس نهائي واحد للنجاح: المركز الأول في تصنيفات السائق والفريق.

يقول مات كاديو، الذي يقود فريق الحوسبة وراء العمل، بصفته كبير مسؤولي المعلومات في Oracle Red Bull Racing، "ستضع ريد بُل كل علامة مطلوبة لتقديم وحدة طاقة يمكنها الفوز ببطولة". وهذا أمر مثير وتحدي ومقلق".

توظيف المواهب ومنحهم أدوات رائعة

بدأ قرار Oracle Red Bull Racing ببناء وحدة الطاقة الخاصة بهم عندما أعلنت شركة صناعة المحركات السابقة للفريق، هوندا، عن تقاعدها من سباق F1 في عام 2021. بعد مناقشات أولية مع العديد من الشركات المصنعة، قررت Oracle Red Bull Racing القيام بشيء لم يسمع به: تصميم وبناء وحدة الطاقة الخاصة بها بدلاً من شراء وحدة من صانع محركات ثابت. وسرعان ما انضموا إلى في شراكة استراتيجية مع شركة فورد موتور، التي ستستفيد من خبرتها الكبيرة في تطوير EV وضوابطها وتكنولوجيا البطارية لدعم برنامج التطوير.

مع اتخاذ القرار، بدأ العمل. عملت Red Bull Ford Powertrains مع مهندسين خبراء، وبنيت مرافق لبناء واختبار المحركات والمكونات الأخرى، ووضعت قوة الحوسبة المطلوبة لتشغيل النماذج المتطورة والمحاكاة الهندسية اللازمة لتحسين وحدة الطاقة مع تلبية متطلبات F1 الدقيقة.

يستخدم مهندسو ومصممو Red Bull Ford Powertrains مجموعات حوسبة عالية الأداء في السحابة لمحاكاة التصميمات المحتملة للمحرك الجديد لكل من الفرق المملوكة لـ Red Bull (Oracle Red Bull Racing وScuderia AlphaTauri).

تركز أحمال العمل، التي تتم استضافتها على Oracle Cloud Infrastructure (OCI) على مجموعة من الخوادم بدون أنظمة تشغيل، على التكرارات المتكررة لنماذج ديناميات السوائل الحسابية (CFD) لإعلام بعض التصميمات الأكثر تعقيدًا داخل جزء محرك الاحتراق الداخلي من وحدة الطاقة. ويشمل ذلك محاكاة أنماط رش الوقود، وأداء الاحتراق، وكيف يمكن أن يؤثر شكل الأسطوانة الداخلية على هذه وتحسينها لتقديم أقصى أداء.

يقوم أعضاء الفريق بإنشاء نماذج رياضية مفصلة للسيارة، وتعيين مجموعة أولية من القيم للعديد من المتغيرات، ثم تشغيل محاكاة. استنادًا إلى تحليل تلك المحاكاة، يقوم المهندسون بتعديل النموذج أو تعديل بعض القيم وتشغيل المحاكاة مرة أخرى. مرارًا وتكرارًا.

تمتلك شركات صناعة السيارات وغيرها من الشركات كثيفة الهندسة بيئات حوسبة عالية الأداء خاصة بها، ولكن بناء مركز بيانات محلي جديد وتجهيزه كان سيستغرق عدة أشهر - مما يؤدي إلى فقدان وقت ثمين وتأخير بدء أعمال التصميم. بدلاً من ذلك، باستخدام OCI، تمكنت Red Bull Ford Powertrains من البدء على الفور. علاوة على ذلك، في الأيام الأولى، لم يتم الانتهاء من تكوين النظام الأمثل لزيادة أداء المحاكاة إلى أقصى حد. منحهم استخدام OCI المرونة لتقييم أشكال وتكوينات الحوسبة المختلفة.

يقول كاديو: "لقد تمكنا من تجربة تركيبات الأجهزة والبرامج وأشكال HPC المختلفة دون الحاجة إلى شراء الأجهزة، وإخراجها من الصناديق، ووضعها في رفوف، وتوصيلها بالشبكة، وتحميل البرنامج". "كل هذه الأشياء تستغرق وقتًا طويلاً".

قرار تطوير وحدة الطاقة هو قفزة كبيرة لمنظمة جديدة مثل Red Bull Ford Powertrains. في القيام بذلك، فإنها تأخذ على الشركات المصنعة المنافسة التي لديها عقود من الخبرة في F1. ومع ذلك، في حين يشعر فريق الهندسة بالضغط للنجاح، إلا أنهم يشعرون أيضًا بالدعم. المهمة واضحة، والبنية التحتية للحوسبة وغيرها من الأدوات موجودة بالنسبة لهم. يقول كاديو إن هذا النهج يناسب فلسفة Red Bull.

"إذا أعطيت مجموعة موهوبة للغاية من الناس الأدوات اللازمة للقيام بهذه المهمة، فأنت تقوم بإعدادها للنجاح، وأنت تعطي أجنحة لخيالهم وابتكارهم وقدرتهم على الذهاب والفوز".

ما يفعله مصممو محركات ريد بُل

كل بضع سنوات، يقوم مجلس إدارة الفورمولا 1، الاتحاد الدولي للسيارات (FIA)، بمراجعة مواصفات سيارة بطولة F1. تغطي هذه المواصفات العديد من العوامل، بما في ذلك شكل ووزن السيارة، ومعدات السلامة، وهكذا. يمكن لـ FIA أيضًا تغيير اللوائح الخاصة بوحدة الطاقة، والتي تحدث بشكل أقل بسبب رحلة التطوير الطويلة والمكلفة. حدث آخر تغيير كبير في التنظيم في هذا المجال في عام 2014، وستبدأ وحدة الطاقة من الجيل التالي في موسم 2026.

يحتاج محرك F1 الفائز إلى حرق جميع الوقود الذي يتم حقنه في المحرك بكفاءة للحصول على أقصى أداء. يشرح ديكلان وارد، كبير مهندسي محاكاة الأداء في Red Bull Ford Powertrains، كيف يدير تحليلًا مفصلاً ونمذجة ثلاثية الأبعاد للتأكد من أن نظام استهلاك الوقود يتبخر ويخلط الوقود بالطريقة الصحيحة ويرش الكمية المناسبة من الوقود في المكان المناسب تمامًا للاحتراق.

وكما يقول: "أنت تريد التأكد من أن كل هذا الوقود متوفر عندما يتعلق الأمر بالاحتراق لكل دورة واحدة في كل اسطوانة". "بعض الوقود مع حدث حقن مضلل أو نمط الرش يمكن أن تضيع في نظام العادم".

كيف يستخدم مصممو Red Bull الحوسبة عالية الأداء

في حين أن مواصفات سيارة سباق F1 مفصلة بشكل مكثف، لا يزال هناك العديد من القرارات التي تدخل في تصميم وحدة الطاقة، بما في ذلك اختيار المواد (يسمح الصلب والتيتانيوم وسبائك الألومنيوم في أماكن مختلفة)، ومعدلات حرق الوقود، والتزييت، ونظام العادم، وأكثر من ذلك بكثير.

يستخدم مهندسو Red Bull Ford Powertrains OCI لتشغيل العديد من حزم برامج ديناميات السوائل الحسابية لأعمال التصميم والمحاكاة لتقييم تلك المتغيرات. واحد هو CONVERGE، حزمة CFD شعبية من Convergent Science التي تحتوي على تكوينات لمحركات الاحتراق الداخلي وحاقن الوقود والبخاخات والعادم وغيرها من مجالات الاهتمام لمصممي F1. يستخدم الفريق CONVERGE للديناميكا الحرارية، واحتراق نظام المدخول، وأنظمة العادم، وعمليات محاكاة تحويل الوقود.

يستخدم الفريق أيضًا Simcenter STAR-CCM+ من Siemens لعقد CFD لتصميم الشاحن التوربيني ومحاكاته.

عندما يتعلق الأمر بتشغيل البرامج كثيفة الرياضيات مثل CFD، فإن السرعة مهمة - لذا فإن الحصول على أحدث الأجهزة واختيار المعالجات المناسبة أمر مهم. عندما نقلت OCI الفريق إلى أحدث جيل من المعالجات في ديسمبر 2022، حققت مكاسب في الأداء بنسبة 10%. من وجهة نظر العميل، يعد تنفيذ ترقيات الأجهزة في OCI مشروعًا أسهل بكثير من القيام بذلك في مركز بيانات محلي.

كما سمحت OCI لـ Red Bull Ford Powertrains بالاستثمار في قدرة الحوسبة التي تحتاجها فقط، بدلاً من الاستثمار المسبق الكبير في الأيام الأولى من البرنامج الهندسي عندما كانت المتطلبات لا تزال تتطور. عندما بدأوا هذا العمل في منتصف عام 2021، كما يقول كاديو، كانت الحوسبة صغيرة الحجم. ولكن منذ الانتقال إلى مبنى جديد في Red Bull Technology Campus، قام الفريق بحملة توظيف رئيسية. يقول: "بدأنا باستخدام عدد صغير نسبيًا من موارد حوسبة OCI". "ولكن مع بدء نمو الفريق، ومع بدء تطور النموذج، تمكنا من توفير المزيد من موارد OCI بسهولة وسرعة بطريقة مرحلية لمواكبة المتطلبات المتزايدة. منحت OCI الفريق المرونة التي يتطلبها بالإضافة إلى نموذج مالي لم ندفع فيه إلا مقابل ما كان مطلوبًا".

مزايا محاكاة المحرك في السحابة

"تتمثل ثقافة Red Bull في جلب الأشخاص المناسبين وتمكينهم باستخدام الأدوات المناسبة. نحن نقترب من مجموعة نقل الحركة مع هذا النوع من العقلية المفتوحة - لقد وجدنا أفضل التقنيات حتى نتمكن من إعطاء موظفينا أفضل الأدوات للوظيفة. إنها طريقة Red Bull".

يعد إنشاء مجموعة حوسبة عالية الأداء أكثر تعقيدًا من اتباع وصفة قياسية-قد تشتمل المجموعة على مئات الخوادم، ولكل منها وحدات معالجة مركزية (CPU) ووحدات معالجة رسومات (GPU) متعددة المراكز، والذاكرة، والذاكرة المخبئية، والتخزين، والترابط عالي النطاق بين الشرائح وبين الخوادم. تمكن فريق Red Bull Ford Powertrains من الاستفادة من علاقات Oracle الحالية مع موفري برامج المحاكاة للمساعدة في تحديد المعالجات المثلى ووحدات معالجة الرسومات والذاكرة لأحمال عمل محددة.

يتطلب إنشاء مجموعة HPC محليًا مخزونًا واسعًا من أنواع مختلفة من الأجهزة بالإضافة إلى العمل اليدوي لإعادة تكوينها وإعادة تثبيت البرنامج وضبطه. ولكن من خلال استخدام المعرفة التي تمتلكها Oracle ومقدمي البرامج بالفعل حول OCI، يقول كاديو إن مهندسي Red Bull Ford Powertrains "يمكنهم التقارب بسرعة على البقعة الحلوة عالية الأداء".

وبمجرد أن استقر المهندسون على هذه النقطة الحلوة، كان الفريق يدير تكوينات مجموعة HPC على مستوى الإنتاج في حوالي أسبوع. يقول كاديو: "بالنسبة لنا، كان ذلك شهرًا من العمل مع أشخاص يفرغون جبلًا من الأجهزة ويربطونها جميعًا ويصورونها". "بدلاً من ذلك، حدث ذلك بشكل سحري في Oracle Cloud، ولم يكن علينا التفكير في ذلك".

الفوز بالسباق

اعتبارًا من منتصف عام 2023، تقوم Red Bull Ford Powertrains بتصميم النماذج والتصميم والمحاكاة والاختبار، مرارًا وتكرارًا، لإنهاء تصميم وحدة الطاقة وتصنيعها لموسم 2026.

"نحن ديفيد مقابل جالوت على وحدات الطاقة من Formula 1 لأننا نواجه قوة صانعي المعدات الأصلية"، يقول كاديو، في إشارة إلى مصنعي المحركات الراسخين لفرق السباق.

ومع تجهيز فريق Red Bull Ford Powertrains بأفضل البرامج الهندسية التي تعمل على الحوسبة عالية الأداء في OCI، فإنه يستمتع بالتحدي.

"ثقافة Red Bull هي جلب الأشخاص المناسبين وتمكينهم من الأدوات المناسبة"، كما يقول وارد، مهندس المحاكاة. "نقترب من قوة الدفع مع هذا النوع من العقلية المفتوحة - وجدنا أفضل التكنولوجيا حتى نتمكن من إعطاء موظفينا أفضل الأدوات لهذه المهمة. إنها طريقة Red Bull".

عرض المزيد من مقالات Oracle Connect