Drone Amazon Prime Air dalam Kerja Sama Antara AWS dan Siemens

Amazon Prime Air mengembangkan desain drone fungsional dengan menjalankan simulasi menggunakan Simcenter STAR-CCM+ Siemens dengan komputasi performa tinggi (HPC) di Amazon Web Services (AWS). Akses sesuai permintaan ke infrastruktur yang hampir tidak terbatas dan jaringan cepat untuk HPC yang dapat diskalakan di AWS memastikan bahwa proyek tersebut berjalan sesuai jadwalnya. Simcenter STAR-CCM+ di AWS membantu Prime Air memperlancar alur kerja rekayasanya, sehingga menjadikannya lebih efisien.

Amazon Prime Air perlu merancang dan membuat drone untuk pengiriman tanpa awak. Untuk membuat simulasi aerodinamika, diperlukan dua komponen utama. Pertama, diperlukan solusi dinamika fluida komputasional (CFD) yang dapat menjalankan simulasi individu dan batch. Kedua, diperlukan infrastruktur HPC yang menawarkan kapasitas instans besar dan sesuai permintaan, serta dijalankan di jaringan yang cepat dengan bandwidth tinggi untuk mendukung alur kerja.

Prime Air memilih Simcenter STAR-CCM+ Siemens, bagian dari portofolio Siemens, sebagai solusi CFD multifisika untuk desain aerodinamis. Simcenter STAR-CCM+ dibangun untuk efisiensi paralel, yang memungkinkan Prime Air untuk mempercepat simulasi CFD-nya dengan menjalankannya dengan core dalam jumlah besar. Selain itu, Simcenter STAR-CCM+ memungkinkan Prime Air untuk mempersingkat alur kerja simulasi rekayasanya. Solusi HPC dari AWS yang beragam memberikan fleksibilitas yang diperlukan untuk menuntaskan pekerjaan sesuai jadwal yang ketat. Solusi ini menggunakanAWS ParallelCluster, alat manajemen klaster sumber terbuka yang didukung AWS, untuk mengelola deployment instans komputasi yang dioptimalkan Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2).

Dengan Simcenter STAR-CCM+ di AWS, rekayasawan Prime Air dapat membuat karakterisasi aerodinamis pesawat di seluruh cakupan penerbangannya, kampanye simulasi yang terdiri dari ribuan kondisi pengoperasian yang berbeda, dan menambahkan hingga lebih dari 30 juta jam waktu komputasi AWS. Analisis tambahan membantu mereka dalam mengidentifikasi kondisi penerbangan penting yang mereka amati lebih lanjut dalam waktu nyata melalui pasca-pemrosesan dan visualisasi jarak jauh, tanpa perlu mentransfer set data besar dan memiliki tempat kerja khusus yang memakan biaya.

Layanan HPC di AWS memudahkan mereka untuk menskalakan core dalam jumlah besar dan mengakses daya komputasi sesuai permintaan untuk analisis—tanpa harus terjebak dalam antrean panjang. Mereka juga dapat menurunkan skala instans setelah menjalankan simulasi. Hasilnya, untuk mengimbangi jadwal yang ketat, Prime Air dengan mantap memutuskan beralih ke desain drone fungsional.

Tujuan Prime Air adalah untuk mengirimkan paket seberat 5 pon atau lebih ringan dalam waktu kurang dari 30 menit ke pelanggan menggunakan drone. Tim Prime Air merancang dan membuat drone sendiri menggunakan CFD, cabang dinamika fluida yang menggunakan data dan analisis numerik untuk memecahkan masalah tentang bagaimana fluida, seperti udara, bergerak dalam kondisi berbeda di sekitar pesawat.

Prime Air memilih Simcenter STAR-CCM+ dari Siemens sebagai solusi multifisika lengkapnya untuk CFD. Simcenter STAR-CCM+ dibangun untuk efisiensi paralel, yang memungkinkan Prime Air untuk mempercepat simulasi CFD-nya dengan menjalankannya menggunakan core dalam jumlah besar. Selain itu, Antarmuka Program Aplikasi (API) STAR-CCM+ Simcenter memungkinkan Prime Air untuk mengotomatiskan dan mempersingkat alur kerja rekayasanya.

Membuat pesawat menggunakan CFD melibatkan prediksi performa aerodinamis digital. Biasanya diperlukan ribuan simulasi CFD semacam ini untuk menghasilkan basis data aerodinamis (ADB) guna memastikan performa dalam seluruh kondisi penerbangan dan mengembangkan sistem pengendalian pesawat. Skala dan kecepatan simulasi ini memerlukan sumber daya HPC. Namun, banyak pusat data on-premise memiliki keterbatasan kapasitas dan ketersediaan sumber daya HPC, yang pada akhirnya menyebabkan antrean panjang. Rekayasawan harus menunggu giliran dan hanya menggunakan sumber daya yang dialokasikan untuk mereka. Hal ini membuat mereka tidak leluasa untuk mengubah rencana pengujian setelah simulasi mereka diluncurkan.

Prime Air memilih untuk men-deploy Simcenter STAR-CCM+ di AWS agar dapat menskalakan daya komputasi sesuai kebutuhan. Dengan AWS, rekayasawan dapat menjalankan simulasi tanpa harus mengantre atau membayar kelebihan kapasitas. AWS menawarkan berbagai layanan HPC yang memberikan fleksibilitas kepada pelanggan untuk memilih dukungan terbaik bagi aplikasinya dan menghasilkan waktu proses yang dibutuhkan rekayasawan mereka. Prime Air memilih layanan HPC siap pakai, hampir tidak terbatas, yang dapat diskalakan di AWS ini untuk membantunya memulai dengan cepat dan fokus pada hal yang tepat.

Dengan berjalan di cloud, rekayasawan dapat bekerja sesuai kecepatan yang mereka inginkan dan menggunakan core sebanyak mungkin, kapan pun dibutuhkan—tanpa menimbulkan terlalu banyak biaya atau memperlambat orang lain yang memerlukan akses di waktu yang sama.

“Di AWS, kami dapat menjalankan kapan saja, dengan core sebanyak mungkin, dan mendapatkan hasil di hari yang sama. Kami tidak terhambat oleh kapasitas,” ungkap Vedran Coralic, Ilmuwan Terapan Senior (Senior Applied Scientist) di Prime Air. “Kami tidak perlu memikirkan apa saja hal yang kami perlukan, dari simulasi hingga waktu pengoperasian. Kami bisa mengambilnya dari AWS setelah selesai dan membuat kueri alurnya dalam waktu nyata. Dengan menjalankan Simcenter STAR-CCM+ di AWS, tim saya dapat bergerak sesuai dengan kecepatan yang diperlukan program.”

Prime Air merancang lingkungan untuk menjalankan CFD menggunakan AWS ParallelCluster, alat manajemen klaster sumber terbuka. AWS ParallelCluster menyederhanakan deployment peluncuran lingkungan Simcenter STAR-CCM+ dari Siemens di AWS dengan menggunakan file konfigurasi untuk menyediakan semua sumber daya di lingkungan HPC (misalnya, virtual private cloud, sistem file bersama, dll.). Hal ini mendukung berbagai penjadwal tugas HPC yang populer, seperti Slurm, yang mengelola tugas dan menskalakan klaster sesuai dengan beban kerja.

Guna mencapai kecepatan yang dibutuhkan untuk simulasi CFD-nya, Prime Air menyediakan klaster dengan instans komputasi yang dioptimalkan Amazon EC2, menggunakan versi terbaru, untuk mendukung beban kerja HPC secara optimal. Dengan besarnya kapasitas volume yang tersedia melalui AWS, Coralic menyimpulkan bahwa mereka mungkin dapat menjalankan semua simulasi ADB mereka dalam sekali jalan di AWS. “Menjalankan Simcenter STAR-CCM+ di AWS membuat kami dapat mengevaluasi ide-ide baru dengan cepat serta memiliki lebih banyak waktu untuk menginvestigasi hasil dan mengurangi waktu tunggu,” ungkap Coralic.

Dengan peluncuran instans C5n Amazon EC2 baru-baru ini, tim Prime Air menguji deployment AWS ParallelCluster dari instans Intel C5n.18xlarge dengan Elastic Fabric Adapter (EFA). EFA adalah antarmuka jaringan yang dibuat khusus oleh AWS yang menyediakan kemampuan bypass sistem operasi (OS) ke instans Amazon EC2, sehingga memungkinkan pelanggan untuk menjalankan aplikasi dengan komunikasi antar-simpul latensi rendah dan throughput tinggi dalam skala besar.

“Berdasarkan tolak ukur awal, kami percaya bahwa berpindah ke instans C5n dengan EFA untuk ADB berikutnya akan membuat kami dapat menyelesaikannya dua kali lebih cepat,” jelas Coralic, “karena kami dapat meningkatkan skala core hingga dua kali lebih banyak tanpa menurunkan efisiensi komputasi atau secara substansial meningkatkan biaya komputasi.”

Gambar 1: Plot menunjukkan bahwa Prime Air akan dapat menskalakan simulasi CFD berikutnya hingga 50.000 sel/core dan lebih, dengan penurunan yang tidak signifikan pada efisiensi komputasi. EFA memungkinkan hal ini, didukung oleh instans komputasi generasi baru, C5n, seperti yang ditunjukkan oleh kurva hijau. Tanpa EFA, Prime Air hanya dapat menurunkan skala menjadi 100.000 sel/core seperti yang ditunjukkan dengan kurva jingga dan biru.