Il drone di Amazon Prime Air spicca il volo con AWS e Siemens

Amazon Prime Air ha sviluppato un progetto di drone funzionante eseguendo simulazioni e utilizzando Simcenter STAR-CCM+ di Siemens con sistemi computerizzati ad alte prestazioni (HPC) su Amazon Web Services (AWS). L'accesso on demand all'infrastruttura quasi illimitata e le reti veloci per HPC scalabili su AWS hanno fatto sì che il progetto rispettasse i tempi prestabiliti. Simcenter STAR-CCM+ su AWS ha aiutato Prime Air a ottimizzare i suoi flussi di lavoro di progettazione, il che ha portato a ulteriori guadagni in termini di efficienza.

Amazon Prime Air doveva progettare e costruire un drone per le consegne senza personale. La simulazione dell'aerodinamica richiedeva due componenti principali. In primo luogo, era necessaria una soluzione di fluidodinamica computazionale (CFD) che potesse eseguire simulazioni individuali e in batch. In secondo luogo, era necessaria una infrastruttura HPC che offrisse una grande capacità di istanze on demand e che funzionasse su una rete veloce e ad elevata larghezza di banda per sostenere i flussi di lavoro.

Prime Air ha scelto Simcenter STAR-CCM+ di Siemens, parte del portfolio Simcenter, come soluzione di CFD multifisica per la progettazione aerodinamica. Simcenter STAR-CCM+ è costruito per l'efficienza parallela, che ha permesso a Prime Air di accelerare le sue simulazioni di CFD eseguendole su un elevato numero di core. Inoltre, Simcenter STAR-CCM+ ha permesso a Prime Air di ottimizzare il suo flusso di lavoro di simulazione ingegneristica. L'ampia gamma di soluzioni HPC disponibili da AWS ha fornito la flessibilità necessaria per rispettare le consegne in tempi stretti. Ha utilizzato AWS ParallelCluster, lo strumento di gestione dei cluster open source supportato da AWS, per gestire l'implementazione delle istanze ottimizzate per il calcolo di Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2).

L'utilizzo di Simcenter STAR-CCM+ su AWS ha permesso agli ingegneri di Prime Air di definire l'aerodinamica dell'aeromobile nell'intero inviluppo di volo, una campagna di simulazione costituita da migliaia di condizioni operative diverse che ha aggiunto più di 30 milioni di ore di tempo di calcolo AWS. L'analisi aggiuntiva ha contribuito ad aiutarli a identificare condizioni di volo critiche esaminate in tempo reale attraverso la visualizzazione remota e la post-elaborazione, eliminando la necessità di trasferire grandi set di dati e disporre di costose stazioni di lavoro dedicate.

I servizi HPC su AWS hanno permesso di dimensionare a un numero elevato di core e accedere alla potenza di calcolo on demand per l'analisi, senza rimanere bloccati in lunghe code. Sono stati anche in grado di ridurre le istanze dopo aver eseguito le simulazioni. Per questo motivo, Prime Air ha scelto di affidarsi ad un progetto di drone funzionante in tempi ridotti.

L'obiettivo di Prime Air è quello di consegnare tramite droni pacchi ai clienti che pesano fino a poco più di 2 chilogrammi in meno di 30 minuti. Il team di Prime Air ha progettato e costruito il proprio drone utilizzando la CFD, una branca della fluidodinamica che utilizza l'analisi numerica e i dati per risolvere problemi relativi al modo in cui i fluidi, come l'aria, si muovono in condizioni diverse intorno a un aeromobile.

Prime Air ha scelto Simcenter STAR-CCM+ di Siemens come soluzione multifisica completa per la CFD. Simcenter STAR-CCM+ è costruito per l'efficienza parallela, che ha permesso a Prime Air di accelerare le simulazioni eseguendole su un elevato numero di core. Inoltre, le interfacce del programma dell'applicazione (API) di Simcenter STAR-CCM+ hanno permesso a Prime Air di automatizzare e ottimizzare il flusso di lavoro di progettazione.

Costruire un aeromobile usando la CFD comporta la previsione digitale delle prestazioni aerodinamiche. In genere sono necessarie migliaia di queste simulazioni di CFD per generare un database aerodinamico (ADB) per garantire le prestazioni in tutte le condizioni di volo e sviluppare un sistema di controllo dell'aeromobile. La scalabilità e la velocità di queste simulazioni richiedono risorse HPC. Tuttavia, molti data center On-Premise presentano dei vincoli di capacità e disponibilità delle risorse HPC che provocano lunghe code. Gli ingegneri devono aspettare il loro turno e utilizzare soltanto le risorse assegnate, il che non lascia loro molto spazio per modificare il piano di prova una volta avviate le simulazioni.

Prime Air ha scelto di implementare Simcenter STAR-CCM+ su AWS per aumentare e ridurre la potenza di calcolo in base alle necessità. Con AWS gli ingegneri possono eseguire simulazioni senza dover aspettare in coda o pagare la capacità in eccesso. AWS offre una vasta gamma di servizi HPC che garantiscono flessibilità ai clienti quando si tratta di scegliere il modo migliore per supportare la loro applicazione e fornire il time-to-results necessario ai loro ingegneri. Prime Air ha scelto questi servizi HPC pronti all'uso, quasi illimitati e scalabili su AWS per mettersi subito all'opera e concentrarsi su quello che le riesce meglio.

L'esecuzione sul cloud permette agli ingegneri di procedere spediti, utilizzando tutti i core di cui hanno bisogno e quando ne hanno bisogno senza incorrere in costi eccessivi o rallentare coloro i quali devono contemporaneamente effettuare l'accesso.

"Su AWS possiamo operare quando vogliamo, con quanti core vogliamo, e ottenere risultati il giorno stesso. Non siamo rallentati dalla capacità", ha detto Vedran Coralic, Senior Applied Scientist di Prime Air. "E non dobbiamo pensare a quello di cui abbiamo bisogno per una simulazione prima del tempo di esecuzione. Possiamo attingere ad AWS al termine della simulazione e interrogare il flusso in tempo reale. Eseguendo Simcenter STAR-CCM+ su AWS, il mio team può muoversi alla stessa velocità del programma."

Prime Air ha progettato l'ambiente per l'esecuzione della CFD utilizzando AWS ParallelCluster, lo strumento di gestione dei cluster open source. AWS ParallelCluster semplifica l'implementazione dell'avvio dell'ambiente Simcenter STAR-CCM+ di Siemens su AWS utilizzando un file di configurazione per effettuare il provisioning di tutte le risorse nell'ambiente HPC (ad esempio cloud privato virtuale, file system condiviso ecc.). Supporta noti pianificatori di processi HPC come Slurm, che gestiscono i processi e aumentano e riducono i cluster in risposta al carico di lavoro.

Per raggiungere le velocità previste dalle simulazioni di CFD, Prime Air ha effettuato il provisioning dei cluster con istanze ottimizzate per il calcolo Amazon EC2, utilizzando le ultime novità del mercato per supportare in modo ottimale i carichi di lavoro HPC. Data l'enorme capacità di volume disponibile in AWS, Coralic ha ipotizzato di eseguire tutte le simulazioni ADB in un colpo solo su AWS. "L'esecuzione di Simcenter STAR-CCM+ su AWS ci permette di valutare rapidamente nuove idee e di dedicare più tempo a studiare i risultati, anziché aspettarli", ha detto Coralic.

Con il recente avvio delle istanze Amazon EC2 C5n, il team di Prime Air ha testato le implementazioni AWS ParallelCluster delle istanze Intel C5n.18xlarge con Elastic Fabric Adapter (EFA). EFA è un'interfaccia di rete costruita su misura da AWS che fornisce capacità di bypass del sistema operativo (OS) alle istanze Amazon EC2, permettendo così ai clienti di eseguire applicazioni con comunicazioni inter-nodo a bassa latenza e ad alta velocità effettiva su vasta scala.

"Sulla base dei benchmark iniziali, riteniamo che passare alle istanze C5n con EFA per il prossimo ADB ci permetterà di completarlo due volte più velocemente", ha spiegato Coralic, "perché possiamo aumentare orizzontalmente il doppio dei core senza sacrificare l'efficienza computazionale o aumentare significativamente il costo di calcolo."

Figura 1: Il grafico mostra che Prime Air potrà dimensionare le simulazioni future di CFD a oltre 50.000 celle/core con una perdita trascurabile di efficienza computazionale. Ciò è possibile grazie a EFA, supportato dalle istanze di calcolo di nuova generazione, C5n, come dimostra la curva verde. Senza EFA, Prime Air era in grado di ridurre solo fino a 100.000 celle/core, come dimostrano le curve blu e arancione.