F1 레이스 자동차 엔진을 처음부터 재설계하고 있는 Red Bull Ford Powertrains

엔지니어들이 준비를 마쳤습니다. 테스트를 설정합니다. 버튼을 누릅니다. 출발합니다! 엔지니어링 및 창의성에 기반한 노력 끝에 1년여 만에 Formula 1 경주용 자동차의 새로운 엔진이 탄생했습니다.

클라우드 기반 슈퍼컴퓨터를 활용하여 Oracle Red Bull Racing의 2026년형 차량에 탑재될 새로운 동력 장치 개발에 뛰어든 개발팀은 단 1년여 만에 완전히 새로운 엔진의 프로토타입을 처음부터 설계하고 제작한다는 놀라운 과업을 이루어냈습니다. 실제로 이 팀은 엔진, 터보차저, 하이브리드 시스템 등 모든 동력 장치를 직접 제작하고 있습니다.

Red Bull Ford Powertrains로 명명된 이 개발팀은 그것이 얼마나 어려운 과업인지 잘 알고 있습니다. 이들은 레이싱 성능의 극한이 요구되는 F1에서 사용할 새로운 경주용 차량의 동력 장치를, 심지어 4년이 채 못되는 짧은 기간 내로 설계 및 제조하겠다는 야심찬 목표를 향해 노력 중입니다. 참고로 대부분의 자동차 엔진 개발 프로그램은 동일한 목적을 달성하는 데 거의 두 배의 시간이 소요되었습니다. Red Bull Ford Powertrains가 기존의 엔진 설계팀도, 엔지니어링 시뮬레이션을 실행할 데이터 센터도, 이 모든 것을 제작할 공장도 없이 시작했다는 점을 고려하면 더욱 놀라운 성과라고 할 수 있습니다.

컴퓨팅 요소는 엔진 개발 속도를 좌우하는 매우 중요한 역할을 했습니다. Red Bull Ford Powertrains는 대규모 데이터 센터를 구축하지 않고도 엔지니어링 시뮬레이션을 시작할 수 있도록 Oracle의 클라우드 기반 고성능 컴퓨팅(HPC)을 활용했습니다. 클라우드 인프라에서 이러한 수준의 컴퓨팅 집약적인 작업을 수행하면 상당한 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. Red Bull Ford Powertrains가 그랬던 것처럼, 갈수록 많은 산업 분야의 더 많은 사람과 기업들이 클라우드 기반 고성능 컴퓨팅을 활용하여 엔지니어링 및 디자인 분야에서 눈부신 업적을 달성할 수 있을 것입니다.

Red Bull Ford Powertrains는 새로운 하이브리드 엔진 설계와 지속 가능한 연료를 선보일 2026년 F1 시즌에 맞춰 새로운 동력 장치를 설계 및 제작하고 있습니다. 현재 팀은 2026년형 엔진의 실제로 작동하는 프로토타입을 보유하고 있지만, 그 후속 모델이 실제로 트랙을 질주하기까지는 아직 많은 반복 테스트와 추가 개발이 필요합니다. 신뢰성을 보장하기 위한 수천 시간의 장비 테스트는 말할 것도 없습니다. 또한 2022년 F1 챔피언십의 디펜딩 챔피언 팀인 Oracle Red Bull Racing에게 있어 새로운 엔진의 궁극적인 성공을 가늠할 척도는 단 하나 뿐입니다. 바로 드라이버 및 팀 랭킹 1위를 달성하는 것입니다.

Oracle Red Bull Racing의 CIO로서 개발 작업의 근간인 컴퓨팅팀을 이끌고 있는 Matt Cadieux는 "Red Bull은 챔피언십에서 우승할 수 있는 동력 장치를 개발하기 위해 필요한 모든 사항을 확인할 것입니다"라고 말했습니다. "이는 흥미진진하고 도전적이면서도 많은 스트레스를 유발하는 작업입니다."

인재를 채용하고 우수한 도구를 제공하기

Oracle Red Bull Racing의 자체 동력 장치 제작 결정은 팀의 이전 엔진 제조업체인 Honda가 2021년 F1 레이싱에서 은퇴하겠다고 선언한 것이 계기가 되었습니다. Oracle Red Bull Racing은 여러 제조업체와 논의한 끝에 기존 엔진 제조업체로부터 엔진을 구입하는 대신 자체적으로 동력 장치를 설계하고 제작한다는 전례없는 여정에 나서기로 결정했습니다. 뒤이어 개발 프로그램을 지원하기 위해 전기차 관련 개발, 제어, 배터리 기술 분야에서 탁월한 전문성을 갖춘 Ford Motor Company와의 전략적 파트너십을 체결했습니다.

결정이 내려지자 작업이 시작되었습니다. Red Bull Ford Powertrains는 전문 엔지니어들을 채용하고, 엔진 및 기타 부품을 제작 및 테스트할 수 있는 시설을 구축하고, F1의 엄격한 요구 사항을 충족하면서도 동력 장치를 최적화하는 데 필요한 정교한 모델과 엔지니어링 시뮬레이션을 실행할 수 있는 컴퓨팅 성능을 갖추었습니다.

Red Bull Ford Powertrains의 엔지니어 및 디자이너들은 클라우드에서 고성능 컴퓨팅 클러스터를 사용하여 Red Bull 산하의 2개 팀(Oracle Red Bull Racing 및 Scuderia AlphaTauri) 모두가 사용할 새로운 엔진 설계를 시뮬레이션하고 있습니다.

베어메탈 서버 클러스터의 Oracle Cloud Infrastructure(OCI) 상에서 호스팅되는 개발팀의 워크로드는 전산 유체 역학(CFD) 모델을 반복적으로 실행하여 동력 장치를 구성하는 내연기관 내부의 가장 복잡한 설계에 기여하는 데 집중하고 있습니다. 연료 분사 패턴, 연소 성능, 실린더 내부의 모양이 어떤 영향을 미치는지 등을 시뮬레이션하고, 그 결과를 바탕으로 최적화 작업을 진행함으로써 최대 성능을 달성하는 것도 이에 포함됩니다.

개발팀원들은 자동차에 대한 상세한 수학적 모델들을 만들고, 여러 변수에 대한 초기 값 세트를 설정하고, 시뮬레이션을 실행합니다. 엔지니어들은 시뮬레이션을 통해 도출한 분석값을 바탕으로 모델을 조정하거나 일부 값을 조정하고 시뮬레이션을 다시 실행합니다. 이 모든 과정이 몇 번이고 끊임없이 반복됩니다.

자동차 제조업체 및 기타 엔지니어링 집약적인 기업들은 자체적으로 고성능 컴퓨팅 환경을 구축하는 것이 일반적이지만, 새로운 온프레미스 데이터센터를 구축하고 장비를 갖추려면 수개월이 소요되어 귀중한 시간을 낭비하고 설계 작업의 시작이 지연될 수 있었습니다. Red Bull Ford Powertrains는 그 대신 OCI를 사용하여 즉시 개발 작업에 착수할 수 있었습니다. 또한 개발 초기에는 시뮬레이션 성능을 극대화하기 위한 최적의 시스템 구성을 찾아내야 했습니다. OCI 통해 다양한 컴퓨팅 형태 및 구성을 유연하게 평가할 수 있었습니다.

"하드웨어를 구입하고, 상자에서 꺼내 랙에 넣고, 네트워크에 연결하고, 소프트웨어를 로드할 필요 없이 하드웨어와 소프트웨어의 조합과 다양한 HPC 형태를 실험할 수 있었습니다." Cadieux는 말했습니다. "실제로 수행했더라면 엄청난 시간을 잡아먹었을 작업들을 대체할 수 있었죠."

Red Bull Ford Powertrains와 같은 신생 조직이 동력 장치를 직접 개발하기로 결정한 것은 큰 결단이었습니다. 수십 년의 F1 경험을 가진 라이벌 제조업체들과 경쟁해야 했기 때문입니다. 하지만 엔지니어링 팀은 성공해야 한다는 부담감과 함께 충분한 지원을 받고 있다고도 느끼고 있습니다. 달성해야 할 목표가 명확하고, 목표 달성에 필요한 컴퓨팅 인프라 및 관련 도구들이 마련되어 있기 때문입니다. Cadieux는 이러한 접근 방식이 Red Bull의 철학에 부합한다고 평가했습니다.

"매우 재능있는 사람들에게 업무를 수행할 수 있는 적합한 도구를 제공하는 것은 그들의 성공을 위한 발판을 마련해 주는 일이고, 그들의 상상력, 혁신, 승리를 쟁취할 수 있는 능력에 날개를 달아주는 일입니다." Cadieux는 말했습니다.

Red Bull 엔진 디자이너의 업무

Formula 1의 관리 기구인 Fédération Internationale de l’Automobile(FIA)은 몇 년마다 F1 Championship 차량의 사양을 개정합니다. 해당 사양에는 차량의 모양과 무게, 안전 장비 등 다양한 요소들이 포함됩니다. 또한 FIA는 동력 장치 관련 규정도 변경할 수 있지만, 개발 기간이 길고 비용이 많이 드는 여정이므로 자주 변경하지는 않습니다. 해당 분야의 마지막 주요 규정 변경은 2014년에 이루어졌고, 차세대 동력 장치는 2026년 시즌에 데뷔할 예정입니다.

성공적인 F1 엔진은 엔진에 주입된 모든 연료를 효율적으로 연소시켜 최대 성능을 발휘해야 합니다. Red Bull Ford Powertrains의 Senior Performance Simulation Engineer인 Declan Ward는 연료 흡기 시스템이 올바른 방식으로 연료를 기화 및 혼합하고, 연소를 위해 정확한 위치에 정확한 양의 연료를 분사하는지 확인하기 위해 상세한 분석과 3D 모델링을 실행하는 방법을 설명해 주었습니다.

"각 실린더의 모든 사이클에서 연소가 이루어질 때마다 모든 연료를 사용하도록 만들어야만 합니다." Ward는 말했습니다. "잘못된 분사 이벤트나 분사 패턴을 보이는 일부 연료는 배기 시스템에서 손실될 수 있습니다."

Red Bull 디자이너들의 고성능 컴퓨팅 활용법

F1 경주용 자동차의 사양이 매우 상세한 부분까지 규정되어 있기는 하지만, 새로운 동력 장치를 설계하는 개발팀은 여전히 재료 선택(다양한 부분에 강철, 티타늄, 알루미늄 합금을 사용할 수 있음), 연료 연소율, 윤활, 배기 시스템 등과 관련된 수많은 결정을 직접 내려야 합니다.

Red Bull Ford Powertrains의 엔지니어들은 그와 같은 변수들을 평가하기 위한 설계 및 시뮬레이션 작업을 위해 OCI에서 여러 전산 유체 역학 소프트웨어 패키지를 실행합니다. 그중 하나는 내연 기관, 연료 인젝터 및 스프레이, 배기 및 기타 F1 엔진 설계자의 관심 영역들에 대한 구성이 포함되어 있는 Convergent Science의 인기 CFD 패키지인 CONVERGE입니다. 개발팀은 열역학, 흡기 시스템 연소, 배기 시스템, 연료 변환 시뮬레이션에 CONVERGE를 사용하고 있습니다.

또한 터보차저 설계 및 시뮬레이션을 위한 CFD에는 Siemens의 Simcenter STAR-CCM+를 사용하고 있습니다.

CFD와 같이 수학 집약적인 소프트웨어를 실행하기 위해서는 충분한 성능을 제공하는 최신 하드웨어를 갖추고 적합한 프로세서를 선택해야 합니다. OCI는 2022년 12월 최신 프로세서로 개발팀의 워크로드를 이전했고 10%의 성능 향상을 달성했습니다. 고객의 입장에서 OCI에서 하드웨어 업그레이드를 구현하는 것은 온프레미스 데이터 센터에서의 하드웨어 업그레이드보다 훨씬 간단한 프로젝트입니다.

또한 Red Bull Ford Powertrains는 OCI를 사용함으로써 요구 사항이 계속 변화하는 엔지니어링 프로그램 사용 초기에 대규모의 선행 투자를 수행하는 대신 필요한 컴퓨팅 용량에만 투자할 수 있었습니다. Cadieux는 2021년 중반 관련 작업을 시작했을 당시만 해도 컴퓨팅 규모가 작았다고 말했습니다. 그러나 Red Bull Technology Campus의 새로운 건물로 이사한 후 개발팀은 대대적인 인력 채용에 착수했습니다. "처음에는 비교적 적은 OCI 컴퓨트 리소스를 사용했습니다." Cadieux의 말입니다. "그러나 팀이 성장하고 모델이 정교해지면서 증가하는 컴퓨트 수요에 맞춰 더 많은 OCI 리소스를 단계적으로 쉽고 빠르게 프로비저닝할 수 있었습니다. OCI는 개발팀에 필요한 민첩성을 제공했을 뿐만 아니라 실제로 사용한 리소스에 대한 비용만을 지불하는 재무 모델도 제공해 주었습니다."

클라우드에서 수행하는 엔진 시뮬레이션의 이점

“적합한 인재를 유치하고 적합한 도구를 제공하는 것이 Red Bull의 방식입니다. 우리는 파워트레인을 개발하는 과정에도 그와 같이 열린 사고방식으로 접근하였습니다. 최고의 인재들에게 최고의 작업 도구를 제공하기 위한 최고의 기술을 찾아내고자 노력했습니다. 전형적인 Red Bull 방식이었죠.”

고성능 컴퓨팅 클러스터를 구축하는 것은 표준 레시피를 적용하는 것보다 복잡한 작업입니다. 그러한 클러스터는 각각 멀티코어 CPU 및 GPU, 메모리, 캐시, 스토리지, 칩 간 및 서버 간 고대역폭 인터커넥트를 갖춘 수백 대의 서버로 구성될 수도 있기 때문입니다. Red Bull Ford Powertrains 개발팀은 시뮬레이션 소프트웨어 공급업체와 Oracle의 관계를 활용하여 특정 워크로드에 가장 적합한 프로세서, GPU, 메모리를 파악할 수 있었습니다.

온프레미스에 HPC 클러스터를 구축하기 위해서는 다양한 유형의 방대한 하드웨어 인벤토리를 갖추고, 수작업을 통해 하드웨어를 재구성하고 소프트웨어를 재설치 및 조정해야 합니다. 반면 Red Bull Ford Powertrains의 엔지니어들은 Oracle과 소프트웨어 공급업체의 OCI 관련 지식을 활용함으로써 "고성능 스윗스팟을 빠르게 찾아낼 수 있었습니다"라고 Cadieux는 말했습니다.

엔지니어들이 최적의 지점을 찾아낸 뒤 약 1주일 만에 개발팀은 프로덕션 레벨의 HPC 클러스터 구성을 실행할 수 있었습니다. "온프레미스를 선택했더라면 한 달 내내 산더미처럼 쌓인 하드웨어를 개봉하고, 연결하고, 이미징해야 했을 것입니다." Cadieux는 말했습니다. "하지만 Oracle Cloud에서는 모든 작업이 마법처럼 이루어졌고, 우리가 직접 고민해야 할 부분은 아무것도 없었습니다."

경주에서 승리하기

2023년 중반 현재 Red Bull Ford Powertrains는 2026년 시즌에 맞춰 동력 장치 설계를 완료하고 생산하기 위한 모델링, 설계, 시뮬레이션, 테스트를 반복하고 있습니다.

"우리는 Formula 1 동력 장치 부문에서 다윗과 골리앗의 싸움을 재현하고 있습니다. OEM 기업들이 축적해온 그간의 저력을 뛰어넘고자 하고 있으니까요." Cadieux는 다른 레이스 팀들의 엔진을 담당하고 있는 기존 제조업체들을 언급했습니다.

OCI의 고성능 컴퓨팅으로 실행되는 최고의 엔지니어링 소프트웨어를 갖춘 Red Bull Ford Powertrains 개발팀은 이 도전을 즐기고 있습니다.

시뮬레이션 엔지니어인 Ward는 "Red Bull의 문화는 적합한 인재를 영입하고 적합한 도구를 제공하는 것입니다"라고 말했습니다. "우리는 파워트레인을 개발하는 과정에도 그와 같이 열린 사고방식으로 접근하였습니다. 최고의 인재들에게 최고의 작업 도구를 제공하기 위한 최고의 기술을 찾아내고자 노력했습니다. 전형적인 Red Bull 방식이었죠."

Oracle Connect 기사 더 읽어보기