Amazon Prime Air 的無人機與 AWS 和 Siemens 一起翱翔天際

Amazon Prime Air 透過使用 Siemens 的 Simcenter STAR-CCM+ 及 Amazon Web Services (AWS) 上的高效能運算 (HPC)，開發了可正常運作的無人機設計。隨需存取近乎無限的基礎設施以及 AWS 上可擴展 HPC 的快速網路，確保專案按時完成。AWS 上的 Simcenter STAR-CCM+ 協助 Prime Air 簡化工程工作流程，進一步提高效率。

Amazon Prime Air 需要設計和製造用於無人送貨的無人機。模擬空氣動力學需要兩個主要元件。首先，需要計算流體力學 (CFD) 解決方案，並可執行個別和批次模擬。其次，需要 HPC 基礎設施來提供大量隨需執行個體容量，以及在快速、高頻寬的網路上執行以支援工作流程。

Prime Air 選擇 Siemens 的 Simcenter STAR-CCM+ (Simcenter 產品組合的一部分) 作為空氣動力學設計的多物理場 CFD 解決方案。Simcenter STAR-CCM+ 專為提高並行效率而建置，這讓 Prime Air 能夠透過在大量核心上執行以加快 CFD 模擬。此外，Simcenter STAR-CCM+ 允許 Prime Air 簡化工程模擬工作流程。 AWS 提供的廣泛 HPC 解決方案，提供了在緊迫時間內遞送所需的靈活性。它使用 AWS ParallelCluster (AWS 支援的開源叢集管理工具) 來管理 Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) 運算最佳化執行個體的部署。

在 AWS 上使用 Simcenter STAR-CCM+，讓 Prime Air 工程師能夠將整個飛行包線中的飛機空氣動力學特性化，這是一項包含數千個不同執行條件，AWS 總運算時間超過 3000 萬小時的模擬活動。額外的分析可協助他們識別關鍵的飛行條件，透過遠端視覺化和後續處理進一步即時檢驗，不需要傳輸大型資料集和擁有昂貴的專用工作站。

AWS 上的 HPC 服務讓他們能夠輕鬆擴展到大量核心並存取用於分析的隨需運算能力，而不用被困在冗長佇列中。還能夠在執行模擬後縮減執行個體規模。因此，Prime Air 在有限的時間內自信地轉向可運作無人機設計。

Prime Air 的目標是使用無人機，在 30 分鐘內將重量小於 5 磅包裹遞送給客戶。 Prime Air 團隊使用 CFD 來設計和製造無人機，CFD 是流體動力學的一個分支，使用數值分析和資料來解決流體 (如空氣) 如何在飛機周圍的不同條件下移動的問題。

Prime Air 選擇 Siemens 的 Simcenter STAR-CCM+ 作為其完整的 CFD 多物理場解決方案。Simcenter STAR-CCM+ 專為提高並行效率而建置，這讓 Prime Air 能夠透過在大量核心上執行以加快模擬。此外，Simcenter STAR-CCM+ 應用程式介面 (API) 讓 Prime Air 能夠自動化並簡化工程工作流程。

使用 CFD 打造飛機涉及以數位方式預測空氣動力學效能。通常需要數千個此類 CFD 模擬才能產生空氣動力學資料庫 (ADB)，以確保在所有飛行條件下都能發揮效能並開發飛機控制系統。這些模擬的規模和速度需要 HPC 資源。但是，許多內部部署資料中心對 HPC 資源具有容量和可用性限制，因而導致冗長佇列。工程師必須排隊等候，也只能使用獲分派的資源，讓他們在模擬啟動後沒有太多修改測試計劃的空間。

Prime Air 選擇在 AWS 上部署 Simcenter STAR-CCM+，以便根據需要擴展和縮減運算能力。運用 AWS，工程師無需排隊等候或為超額容量付費，即可執行模擬。AWS 提供了廣泛的 HPC 服務，讓客戶可以靈活地選擇如何最理想地支援其應用程式並交付工程師所需的成果。Prime Air 在 AWS 上選擇了這些隨時可用、幾乎無限制、可擴展的 HPC 服務，使其能夠快速上手並專注於最擅長的領域。

在雲端執行，讓工程師能夠在需要時使用任意數量的核心來盡快執行，而不會產生過多成本或減慢同時需要存取的其他人的速度。

「在 AWS，有需要的時候就可以執行、使用任意數量的核心，並在當天就獲得結果。無需受到容量限制」，Prime Air 資深應用科學家 Vedran Coralic 說。「而且在執行時間之前，不必事先考慮模擬所需的一切。程序完成後，我們可以隨時將其提取到 AWS 並即時查詢流程。透過在 AWS 上執行 Simcenter STAR-CCM+，我的團隊可以依照程式需要的速度行動。」

Prime Air 設計了使用開源叢集管理工具 AWS ParallelCluster 執行 CFD 的環境。AWS ParallelCluster 使用設定檔來佈建 HPC 環境中的所有資源 (例如虛擬私有雲端、共用檔案系統等)，簡化了在 AWS 上啟動 Siemens Simcenter STAR-CCM+ 環境的部署。它支援各種熱門的 HPC 任務排程器，如 Slurm，可根據工作負載管理任務並擴展或縮減叢集。

為了實現 CFD 模擬所需的速度，Prime Air 使用當時市場上最新的 Amazon EC2 運算最佳化執行個體來佈建叢集，以最佳地支援其 HPC 工作負載。基於 AWS 提供的龐大容量，Coralic 假設他們可以在 AWS 上一次執行完所有 ADB 模擬。「在 AWS 上執行 Simcenter STAR-CCM+ 讓我們能夠快速評估新想法，並花更多時間研究結果，減少等待的時間」，Coralic 說。

隨著最近推出 Amazon EC2 C5n 執行個體，Prime Air 團隊使用 Elastic Fabric Adapter (EFA) 測試了在 C5n.18xlarge Intel 執行個體上部署 AWS ParallelCluster。EFA 是 AWS 自訂建置的網路介面，可為 Amazon EC2 執行個體提供作業系統 (OS) 繞過功能，讓客戶能夠大規模執行具有低延遲、高輸送量節點間通訊的應用程式。

Coralic 解釋說：「根據最初的基準測試，我們相信將下一個 ADB 遷移到具有 EFA 的 C5n 執行個體，能讓我們以兩倍的速度完成它，因為我們可以擴展到兩倍的核心但不會降低運算效率或大幅增加運算成本。」

圖 1：圖中顯示 Prime Air 能夠將未來 CFD 模擬擴展到 50,000 個儲存格/核心及以上，運算效率的損失可以忽略不計。EFA 實現了這項可能，由新一代運算執行個體 C5n 支援，如綠色曲線所示。如果沒有 EFA，Prime Air 只能縮減規模到 100,000 個儲存格/核心，如藍色和橘色曲線所示。