Le drone d'Amazon Prime Air prend son envol avec AWS et Siemens

Amazon Prime Air a mis au point une version de drone fonctionnelle en effectuant des simulations à l'aide du Simcenter STAR-CCM+ de Siemens avec le calcul haute performance (HPC) sur Amazon Web Services (AWS). L'accès à la demande à une infrastructure quasi illimitée et à un réseau rapide pour le HPC évolutif sur AWS a permis de respecter le calendrier du projet. Simcenter STAR-CCM+ sur AWS a aidé Prime Air à simplifier ses flux d'ingénierie, ce qui a permis des gains d'efficacité supplémentaires.

Amazon Prime Air devait concevoir et créer un drone pour les livraisons sans pilote. La simulation de l'aérodynamique a nécessité deux composants principaux. Tout d'abord, il lui fallait une solution de dynamique des fluides numériques (CFD) capable d'exécuter des simulations individuelles et par lots. Ensuite, elle avait besoin d'une infrastructure HPC offrant une grande capacité d'instances à la demande et fonctionnant sur un réseau rapide à large bande passante pour prendre en charge les flux de travail.

Prime Air a choisi Simcenter STAR-CCM+ de Siemens, qui fait partie du portefeuille de Simcenter, comme solution CFD multiphysique pour la conception aérodynamique. Simcenter STAR-CCM+ est conçu pour une efficacité parallèle, ce qui a permis à Prime Air d'accélérer ses simulations CFD en les exécutant sur un grand nombre de cœurs. De plus, Simcenter STAR-CCM+ a permis à Prime Air de rationaliser son flux de simulation d'ingénierie. L'étendue des solutions HPC disponibles sur AWS a apporté la flexibilité nécessaire pour respecter les délais serrés. Prime Air a utilisé AWS ParallelCluster, l'outil de gestion de cluster open source pris en charge par AWS, pour gérer le déploiement des instances optimisées pour le calcul d'Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2).

L'utilisation de Simcenter STAR-CCM+ sur AWS a permis aux ingénieurs de Prime Air de caractériser l'aérodynamique du drone sur l'ensemble de son champ de vol, une campagne de simulation comprenant des milliers de conditions de fonctionnements différentes et totalisant plus de 30 millions d'heures de temps de calcul sur AWS. Une analyse supplémentaire leur a permis d'identifier les conditions de vol critiques qu'ils ont approfondies en temps réel grâce à la visualisation à distance et au post-traitement, éliminant ainsi la nécessité de transférer de grands ensembles de données et de posséder des stations de travail dédiées coûteuses.

Les services HPC d'AWS leur ont permis de passer facilement à un grand nombre de cœurs et d'accéder à la puissance de calcul à la demande pour leurs analyses, sans rester bloqués dans de longues files d'attente. Ils ont également pu réduire les instances après avoir effectué des simulations. En conséquence, Prime Air a pu passer en toute confiance à la conception d'un drone fonctionnel dans un délai très court.

L'objectif de Prime Air est de livrer aux clients des colis pesant 2,3 kg ou moins en moins de 30 minutes grâce à des drones. L'équipe de Prime Air a conçu et construit son propre drone en utilisant CFD, une branche de dynamique des fluides qui utilise l'analyse numérique et les données pour résoudre les problèmes liés à la façon dont les fluides, comme l'air, se déplacent dans différentes conditions autour du drone.

Prime Air a choisi Simcenter STAR-CCM+ de Siemens comme solution multiphysique complète pour la CFD. Simcenter STAR-CCM+ est conçu pour une efficacité parallèle, ce qui a permis à Prime Air d'accélérer ses simulations en les exécutant sur un grand nombre de cœurs. De plus, Simcenter STAR-CCM+ l'interface de programme d'application (API) a permis à Prime Air d'automatiser et de simplifier son flux d'ingénierie.

Construire un drone à l'aide de la CFD consiste à prédire numériquement les performances aérodynamiques. Des milliers de simulations CFD de ce type sont généralement nécessaires pour générer une base de données aérodynamiques (ADB) afin de garantir les performances dans toutes les conditions de vol et de développer un système de contrôle du drone. L'échelle et la vitesse de ces simulations nécessitent des ressources HPC. Cependant, de nombreux centres de données sur site, les ressources HPC sont soumises à des contraintes de capacité et de disponibilité qui entraînent de longues files d'attente. Les ingénieurs doivent attendre leur tour et n'utiliser que les ressources qui leur sont allouées, ce qui ne leur laisse pas beaucoup de marge de manœuvre pour modifier le plan de test une fois que leurs simulations ont été lancées.

Prime Air a choisi de déployer Simcenter STAR-CCM+ sur AWS pour pouvoir augmenter ou diminuer la puissance de calcul selon les besoins. Avec AWS, les ingénieurs peuvent effectuer des simulations sans avoir à attendre dans une file d'attente ou payer pour des capacités inexploitées. AWS propose un large éventail de services HPC qui offrent aux clients de la flexibilité lorsqu'il s'agit de choisir la meilleure façon de prendre en charge leur application et d'obtenir des résultats dont leurs ingénieurs ont besoin. Prime Air a choisi ces services HPC évolutifs, prêts à l'emploi et quasi illimités sur AWS pour démarrer rapidement et se concentrer sur ce que l'entreprise fait de mieux.

L'exécution sur le cloud permet aux ingénieurs d'aller aussi vite qu'ils le souhaitent en utilisant autant de cœurs que nécessaire, quand ils en ont besoin, sans risquer des coûts excessifs ni ralentir ceux qui ont besoin d'y accéder en même temps.

« Sur AWS, nous pouvons exécuter nos simulations quand nous le voulons, avec autant de cœurs que nécessaire, et obtenir les résultats le jour même. Nous ne sommes pas limités par la capacité », explique Vedran Coralic, expert sénior en sciences appliquées chez Prime Air. « Et nous n'avons pas à penser à tout ce dont nous aurons besoin pour une simulation avant son exécution. Nous pouvons toujours la récupérer sur AWS une fois qu'elle est terminée et interroger le flux en temps réel. En exécutant Simcenter STAR-CCM+ sur AWS, mon équipe peut avancer aussi vite que le programme le nécessite ».

Prime Air a conçu son environnement pour l'exécution de la CFD à l'aide d'AWS ParallelCluster, l'outil de gestion de clusters open source. AWS ParallelCluster simplifie le déploiement du lancement de l'environnement Simcenter STAR-CCM+ de Siemens sur AWS en utilisant un fichier de configuration pour allouer toutes les ressources dans l'environnement HPC (par exemple, un cloud privé virtuel, un système de fichiers partagé, etc.). Il prend en charge plusieurs planificateurs de tâches HPC populaires, comme Slurm, qui gèrent les tâches et permettent l'augmentation ou la diminution des clusters en fonction de la charge de travail.

Pour atteindre les vitesses nécessaires pour ses simulations CFD, Prime Air a provisionné des clusters avec des instances Amazon EC2 optimisées pour le calcul, en utilisant les plus récentes sur le marché à l'époque, afin de prendre en charge de manière optimale ses charges de travail HPC. Compte tenu de l'énorme capacité de volume disponible sur AWS, Vedran Coralic a émis l'hypothèse qu'ils pourraient probablement exécuter toutes leurs simulations ADB en une seule fois sur AWS. « L'exécution de Simcenter STAR-CCM+ sur AWS nous permet d'évaluer rapidement de nouvelles idées et de passer plus de temps à étudier les résultats et moins de temps à les attendre », indique M. Coralic.

Avec le lancement récent des instances Amazon EC2 C5n, l'équipe Prime Air a testé les déploiements AWS ParallelCluster des instances C5n.18xlarge Intel avec Elastic Fabric Adapter (EFA). EFA est une interface réseau personnalisée par AWS qui fournit des capacités de contournement de systèmes d'exploitation (OS) aux instances Amazon EC2, permettant ainsi aux clients d'exécuter des applications avec des communications entre les nœuds à faible latence et haut débit à grande échelle.

« Sur la base des premiers tests, nous pensons que le passage à des instances C5n avec EFA pour le prochain ADB nous permettra de le réaliser deux fois plus vite », explique Vedran Coralic, « car nous pouvons monter en puissance à deux fois plus de cœurs sans dégrader l'efficacité de calcul ou augmenter substantiellement le coût de calcul ».

Figure 1 : le graphique montre que Prime Air sera en mesure de mettre à l'échelle ses futures simulations CFD jusqu'à 50 000 cellules par cœur et au-delà, avec une perte d'efficacité de calcul négligeable. Tout ceci est possible grâce à EFA, qui est pris en charge par les instances de calcul de dernière génération, C5n, comme le montre la courbe verte. Sans EFA, Prime Air n'a pu réduire que jusqu'à 100 000 cellules par cœur comme le montrent les courbes bleue et orange.