El dron de Amazon Prime Air despega con AWS y Siemens

Amazon Prime Air desarrolló el diseño de un dron operativo mediante la ejecución de simulaciones con Simcenter STAR-CCM+ de Siemens con computación de alto rendimiento (HPC) en Amazon Web Services (AWS). El acceso bajo demanda a una infraestructura casi ilimitada y a redes rápidas para la HPC escalable en AWS garantizó que el proyecto se mantuviera dentro del plazo establecido. Simcenter STAR-CCM+ en AWS ayudó a Prime Air a optimizar sus flujos de trabajo de ingeniería, lo que derivó en una mayor eficiencia.

Amazon Prime Air necesitaba diseñar y crear un dron para avanzar con las entregas no tripuladas. Simular la aerodinámica requirió de dos componentes principales. En primer lugar, necesitaba una solución de dinámica de fluidos computacional (CFD) capaz de ejecutar simulaciones individuales y en lotes. En segundo lugar, necesitaba una infraestructura de HPC que brindara una gran capacidad bajo demanda de instancias y se ejecutara en una red rápida y de gran ancho de banda para admitir los flujos de trabajo.

Prime Air eligió a Simcenter STAR-CCM+ de Siemens, parte de la cartera de Simcenter, como su solución de multifísica de CFD para el diseño aerodinámico. Simcenter STAR-CCM+ se diseñó para ofrecer eficiencia paralela, lo que permitió a Prime Air acelerar sus simulaciones de CFD al ejecutarlas en un gran número de núcleos. Asimismo, Simcenter STAR-CCM+ permitió a Prime Air optimizar su flujo de trabajo de simulación de ingeniería. La variedad de soluciones de HPC disponibles de AWS proporcionó la flexibilidad necesaria para cumplir sus compromisos en el marco de plazos ajustados. Utilizó AWS ParallelCluster, la herramienta de administración de clústeres de código abierto con asistencia de AWS, para administrar la implementación de instancias optimizadas para la computación de Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2).

El uso de Simcenter STAR-CCM+ en AWS permitió a los ingenieros de Prime Air caracterizar la aerodinámica de la aeronave a lo largo de todo su envolvente de vuelo. Esta campaña de simulación consistió en miles de diferentes condiciones operativas y acumuló más de 30 millones de horas de tiempo de cómputo de AWS. Análisis adicionales los ayudaron a identificar condiciones de vuelo críticas, que se examinaron en más detalle en tiempo real a través de visualización remota y posprocesamiento. Esto eliminó la necesidad de transferir grandes conjuntos de datos y de adquirir costosas estaciones de trabajo que se dedicarían a esta tarea solamente.

Los servicios de HPC en AWS les facilitaron el escalado a un gran número de núcleos y el acceso a la potencia de computación para análisis bajo demanda, sin quedar trabados por colas largas. También lograron reducir verticalmente la escala de las instancias después de ejecutar las simulaciones. Como resultado, Prime Air avanzó con confianza hacia el diseño de un dron operativo en un plazo corto.

La meta de Prime Air es entregar paquetes que pesen 2,27 kg o menos a los clientes en menos de 30 minutos mediante el uso de drones. El equipo de Prime Air diseñó y creó su propio dron con CFD, una rama de la dinámica de fluidos que usa análisis numéricos y datos para resolver los problemas de cómo los fluidos, como el aire, se mueven bajo diferentes condiciones alrededor de una aeronave.

Prime Air eligió Simcenter STAR-CCM+ de Siemens como su solución de multifísica completa para la CFD. Simcenter STAR-CCM+ se diseñó para ofrecer eficiencia paralela, lo que permitió a Prime Air acelerar sus simulaciones al ejecutarlas en un gran número de núcleos. Además, las interfaces de programa de aplicación (API) de Simcenter STAR-CCM+ permitieron a Prime Air automatizar y optimizar su flujo de trabajo de ingeniería.

La construcción de una aeronave mediante CFD implica la predicción digital del desempeño aerodinámico. Por lo general, se necesitan miles de simulaciones de CFD para generar una base de datos aerodinámica (ADB) que garantice el rendimiento con todas las condiciones de vuelo y para desarrollar un sistema de control para la aeronave. La escala y la velocidad de estas simulaciones requieren recursos de HPC. Sin embargo, muchos de los centros de datos en las instalaciones poseen límites en cuanto a la capacidad y la disponibilidad para los recursos de HPC, lo que lleva a largas colas. Los ingenieros deben esperar su turno y solo utilizar los recursos que se les haya asignado, lo que no les deja lugar para modificar el plan de prueba una vez que se lanzaron las simulaciones.

Prime Air eligió implementar Simcenter STAR-CCM+ en AWS para escalar y reducir la potencia de computación según sea necesario. Con AWS, los ingenieros pueden ejecutar simulaciones sin tener que esperar en una cola ni pagar por exceso de capacidad. AWS ofrece una gran variedad de servicios de HPC que brindan flexibilidad a los clientes a la hora de elegir la mejor manera de admitir su aplicación y ofrecer el plazo que los ingenieros necesitan para obtener resultados. Prime Air eligió estos servicios de HPC escalables, casi ilimitados y listos para usar en AWS para poder comenzar a trabajar con rapidez y concentrarse en lo que hace mejor.

La ejecución en la nube permite a los ingenieros moverse tan rápido como quieran mediante el uso de tantos núcleos como necesiten y en el momento que los requieran, sin incurrir en costos excesivos ni demorar a otras personas que requieren acceso al mismo tiempo.

“En AWS, podemos realizar ejecuciones cuando queramos, con cuantos núcleos queramos y obtener resultados en el mismo día. La capacidad no nos detiene”, explicó Vedran Coralic, científico sénior de ciencias aplicadas en Prime Air. “Además, no tenemos que pensar en todo lo que vamos a necesitar de una simulación con antelación al tiempo de ejecución. Siempre podemos verla en AWS una vez que se haya completado y consultar el flujo en tiempo real. Mediante la ejecución de Simcenter STAR-CCM+ en AWS, mi equipo puede moverse tan rápido como el programa lo requiera”.

Prime Air diseñó su entorno para ejecutar la CFD mediante el uso de AWS ParallelCluster, la herramienta de administración de clústeres de código abierto. AWS ParallelCluster simplifica la implementación del entorno de Simcenter STAR-CCM+ de Siemens en AWS mediante el uso de un archivo de configuración para aprovisionar todos los recursos en el entorno de HPC (por ejemplo, nube virtual privada, sistema de archivos compartidos, etc.). Admite varios programadores de trabajo de HPC populares, como Slurm, el cual administra trabajos y aumenta y reduce la escala vertical de los clústeres como respuesta a la carga de trabajo.

Para conseguir las velocidades necesarias para sus simulaciones de CFD, Prime Air aprovisionó clústeres con instancias optimizadas para la computación de Amazon EC2, las últimas en el mercado en ese momento, para admitir sus cargas de trabajo de HPC de manera óptima. Dada la increíble capacidad disponible a través de AWS, Coralic supone que probablemente podrían ejecutar todas sus simulaciones de bases de datos aerodinámicas (ADB) en AWS en un solo intento. “Ejecutar Simcenter STAR-CCM+ en AWS nos permite evaluar ideas nuevas con rapidez y dedicar más tiempo a investigar los resultados y menos a esperarlos”, indicó Coralic.

Con el reciente lanzamiento de las instancias C5n de Amazon EC2, el equipo de Prime Air puso a prueba implementaciones de AWS ParallelCluster de instancias Intel C5n.18xlarge con Elastic Fabric Adapter (EFA). EFA es una interfaz de red personalizada de AWS que proporciona capacidades de omisión del sistema operativo (SO) a las instancias de Amazon EC2, lo que permite a los clientes ejecutar aplicaciones con comunicaciones entre nodos de baja latencia y alto rendimiento a escala.

“En función de los puntos de referencia iniciales, creemos que pasar a las instancias C5n con EFA para la próxima base de datos aerodinámica (ADB) nos permitirá completar la ejecución dos veces más rápido”, explicó Coralic, “porque podemos escalar horizontalmente hasta el doble de núcleos sin degradar la eficiencia computacional ni incrementar de manera sustancial el costo de computación”.

Imagen 1: El gráfico muestra que Prime Air será capaz de escalar sus simulaciones futuras de CFD a 50 000 celdas por núcleo y más, con mínima pérdida de eficiencia computacional. EFA hace que esto sea posible y es compatible con la nueva generación de instancias de computación, C5n, como se muestra en la curva verde. Sin EFA, Prime Air solo era capaz de reducir verticalmente la escala a 100 000 celdas por núcleo, como se muestra en las curvas azul y naranja.