Amazon Prime Air의 드론이 AWS, Siemens와 함께 비상합니다.

Amazon Prime Air는 Amazon Web Services(AWS) 기반 고성능 컴퓨팅(HPC)과 함께 Siemens의 Simcenter STAR-CCM+로 시뮬레이션을 구동함으로써 실제로 작동하는 드론을 설계했습니다. 무제한에 가까운 인프라와 확장 가능한 AWS 기반 HPC에 대한 빠른 네트워킹에 온디맨드로 액세스할 수 있어 프로젝트 기간을 준수할 수 있었습니다. AWS 기반의 Simcenter STAR-CCM+가 Prime Air의 엔지니어링 워크플로 간소화를 지원하여 추가적으로 효율을 높일 수 있었습니다.

Amazon Prime Air는 무인 배송용 드론을 설계 및 제작해야 했습니다. 공기 역학 시뮬레이션에는 2가지 기본 구성 요소가 필요했습니다. 먼저 시뮬레이션을 개별적으로는 물론 일괄적으로 실행할 수 있는 전산 유체 역학(CFD) 솔루션이 필요했습니다. 그리고 워크스트림을 지원하기 위해 대규모의 온디맨드 인스턴스 용량을 제공하고, 빠르면서 대역폭이 큰 네트워크에서 실행되는 HPC 인프라가 필요했습니다.

Prime Air는 공기 역학 설계를 위한 다중 물리 CFD 솔루션으로써 Simcenter 포트폴리오의 일부인 Siemens의 Simcenter STAR-CCM+를 선택했습니다. Simcenter STAR-CCM+는 병렬 효율성을 위해 구축되었으므로, 많은 수의 코어에서 시뮬레이션을 실행하여 Prime Air의 CFD 시뮬레이션을 가속화할 수 있었습니다. 또한 Simcenter STAR-CCM+를 통해 Prime Air의 엔지니어링 시뮬레이션 워크플로를 간소화할 수 있었습니다. AWS가 제공하는 HPC 솔루션 제품군은 촉박한 일정에 맞춰 배송하는 데 필요한 유연성을 제공했습니다. Amazon Elastic Compute Cloud(Amazon EC2) 컴퓨팅 최적화 인스턴스의 배포를 관리하는 데는 AWS 지원 오픈 소스 클러스터 관리 도구인 AWS ParallelCluster를 사용했습니다.

Prime Air 엔지니어가 AWS에서 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 항공기의 공기 역학을 전체 비행 범위에 걸쳐 특성화할 수 있었습니다. 이는 수천 개의 다양한 작동 조건으로 구성되고 총 3,000만 시간 이상의 AWS 컴퓨팅 시간에 달하는 시뮬레이션 캠페인입니다. 추가적인 분석을 통해 중요한 비행 조건을 파악할 수 있었는데, 이를 위해 원격 시각화와 사후 처리를 통해 실시간으로 더 자세한 검사를 수행하였으며 대규모 데이터 집합을 전송하고 비용이 많이 드는 전용 워크스테이션을 소유할 필요가 없었습니다.

AWS 기반 HPC 서비스를 사용하여 손쉽게 다수의 코어로 확장하고 분석 시 긴 대기열에 따른 지연 없이 온디맨드 컴퓨팅 파워에 간편하게 액세스할 수 있었습니다. 또한 시뮬레이션 실행 후 인스턴스를 축소할 수 있었습니다. 그 결과 Prime Air는 촉박한 일정에도 자신 있게 실제로 작동하는 드론 설계 단계로 넘어갔습니다.

Prime Air의 목표는 드론을 이용하여 무게가 2.3kg 미만인 물건을 고객에게 30분 이내에 배송하는 것입니다. Prime Air 팀은 CFD를 사용하여 드론을 자체 설계 및 제작했습니다. CFD란 다양한 조건에서 공기와 같은 유체가 항공기 주변에서 어떻게 움직이는지와 관련된 문제를 해결하기 위해 수리 분석과 데이터를 활용하는 유체 역학의 한 분야입니다.

Prime Air는 CFD를 위한 완전형 다중 물리 솔루션으로써 Siemens의 Simcenter STAR-CCM+를 선택했습니다. Simcenter STAR-CCM+는 병렬 효율성을 위해 구축되었으므로, 많은 수의 코어에서 시뮬레이션을 실행하여 Prime Air의 시뮬레이션을 가속화할 수 있었습니다. 또한 Prime Air는 Simcenter STAR-CCM+ 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 통해 자사의 엔지니어링 워크플로를 자동화 및 간소화할 수 있었습니다.

CFD를 활용한 항공기 제작에는 공기 역학 성능을 디지털 방식으로 예측하는 작업이 포함됩니다. 모든 비행 조건에 대한 성능을 보장하고 항공기 제어 시스템을 개발하기 위한 공기 역학 데이터베이스(ADB)를 생성하기 위해 일반적으로는 CFD 시뮬레이션을 수천 회 실시해야 합니다. 이러한 시뮬레이션의 규모와 속도를 고려할 때 HPC 리소스가 필요합니다. 그러나 대다수 온프레미스 데이터 센터에는 HPC 리소스에 대한 용량 및 가용성 제약이 있기 때문에 대기열이 길어집니다. 엔지니어들이 자신의 순서가 올 때까지 기다린 후 할당된 리소스만 활용해야 하므로, 시뮬레이션을 시작한 후 테스트 계획을 수정할 수 있는 여유가 거의 없습니다.

Prime Air는 필요에 따라 컴퓨팅 파워를 확장 및 축소할 수 있도록 Simcenter STAR-CCM+를 AWS에 배포하기로 했습니다. AWS를 사용하면 엔지니어가 대기열에서 기다리거나 과도한 용량에 대한 비용을 지불할 필요 없이 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. AWS는 애플리케이션을 지원하고 엔지니어가 필요로 하는 결과 확보 시간을 제공하기 위한 최선의 방식을 선택하는 것과 관련하여 고객에게 유연성을 보장하는 광범위한 HPC 서비스를 제공합니다. Prime Air는 즉시 사용 가능하고 제한이 거의 없으며 확장성이 우수한 AWS 기반 HPC 서비스를 선택하여 착수 시점을 앞당기고 최상의 성과를 기대할 수 있는 역량에 집중했습니다.

클라우드에서 실행하면 엔지니어가 과도한 비용을 부담하거나 동시 액세스를 필요로 하는 다른 사람의 작업을 지연시키지 않고도 필요할 때마다 필요한 만큼의 코어를 사용하여 원하는 속도를 낼 수 있습니다.

“AWS에서는 원할 때 필요한 만큼의 코어를 사용하여 당일에 결과를 얻을 수 있습니다. 용량 제한으로 인한 병목 현상이 발생하지 않습니다.” Prime Air 선임 응용 과학자 Vedran Coralic의 설명입니다. “또한 런타임에 앞서 시뮬레이션을 통해 얻어야 하는 모든 사항을 고려할 필요가 없습니다. 시뮬레이션을 완료한 후 항상 AWS에서 모든 결과를 종합하고 흐름을 실시간으로 쿼리할 수 있습니다. AWS에서 Simcenter STAR-CCM+를 실행하면 팀이 프로그램에 필요한 빠른 속도로 진행할 수 있습니다.”

Prime Air는 오픈 소스 클러스터 관리 도구인 AWS ParallelCluster를 사용하여 CFD를 실행하기 위한 환경을 설계했습니다. AWS ParallelCluster는 구성 파일을 사용해 HPC 환경의 모든 리소스(예: Virtual Private Cloud, 공유된 파일 시스템 등)를 프로비저닝함으로써 AWS에서 Siemens의 Simcenter STAR-CCM+ 환경을 시작하는 배포 과정을 간소화합니다. Slurm과 같은 인기 있는 HPC 작업 스케줄러를 다양하게 지원하므로 이를 통해 작업을 관리하고 워크로드에 대응하여 클러스터를 확장 및 축소할 수 있습니다.

Prime Air는 CFD 시뮬레이션에 필요한 속도를 달성하기 위해 당시 시중의 최신 솔루션을 사용해 Amazon EC2 컴퓨팅 최적화 인스턴스로 클러스터를 프로비저닝하여 HPC 워크로드를 최적의 방식으로 지원했습니다. Coralic은 AWS를 통해 제공되는 상당한 용량을 고려했을 때 AWS에서 한 번에 모든 ADB 시뮬레이션을 실행할 수 있겠다고 생각했습니다. “AWS에서 Simcenter STAR-CCM+를 실행하면 새로운 아이디어를 빠르게 평가하고, 결과를 조사하는 데 더 많은 시간을 할애하는 반면 결과를 기다리는 시간은 단축할 수 있다”고 Coralic은 설명했습니다.

Amazon EC2 C5n 인스턴스가 최근에 출시됨에 따라 Prime Air 팀은 Elastic Fabric Adapter(EFA)를 사용한 C5n.18xlarge 인텔 인스턴스의 AWS ParallelCluster 배포를 테스트했습니다. EFA는 AWS에서 맞춤 구축한 네트워크 인터페이스이며, Amazon EC2 인스턴스에 운영 체제(OS) 우회 기능을 제공하므로 고객이 적은 대기 시간과 높은 처리량의 노드 간 통신을 통해 대규모로 애플리케이션을 실행할 수 있습니다.

“최초의 벤치마크를 감안할 때, 다음 ADB 생성 시 EFA를 사용한 C5n 인스턴스로 이동하면 컴퓨팅 효율을 저하하거나 컴퓨팅 비용을 크게 높일 필요 없이 2배 많은 코어로 확장할 수 있으므로, 2배 빠르게 작업을 완료할 수 있을 것으로 보인다”고 Coralic은 말했습니다.

그림 1: 도표를 통해 Prime Air가 향후 CFD 시뮬레이션을 50,000셀/코어 이상으로 확장할 수 있으며, 이때 컴퓨팅 효율의 저하는 미미할 것임을 알 수 있습니다. 초록색 곡선을 통해 알 수 있듯 이러한 성과는 차세대 컴퓨팅 인스턴스인 C5n이 지원되는 EFA 덕분에 달성할 수 있습니다. EFA가 없었다면 Prime Air는 파란색 및 주황색 곡선에서 볼 수 있듯 100,000셀/코어로 축소하는 데 그쳤을 것입니다.