Red Bull Ford Powertrains entwickelt einen F1-Rennwagenmotor von Grund auf neu

Die Ingenieure sind bereit. Der Test ist beendet. Der Knopf wird betätigt. Es ist so weit! Nach etwas mehr als einem Jahr Entwicklungsarbeit und Kreativität wird ein brandneuer Motor für einen Formel-1-Rennwagen zum Leben erweckt.

Mit Hilfe eines cloudbasierten Supercomputers hat das Team, das die neue Antriebseinheit für das Auto 2026 von Oracle Red Bull Racing entwickelt, etwas Bemerkenswertes geschafft: Es hat in nur etwas mehr als einem Jahr einen neuen Motorprototyp von Grund auf entworfen und gebaut. Vielmehr entwickelt das Team eine komplette Antriebseinheit: den Motor, den Turbolader und die Hybridsysteme.

Die Entwicklungsorganisation mit dem Namen Red Bull Ford Powertrains ist sich der enormen Bedeutung dieses Vorhabens bewusst. Sie entwickeln und fertigen die neue Antriebseinheit des Rennwagens für den Einsatz in der Formel 1, der Königsklasse des Rennsports – und das in weniger als vier Jahren. Zum Vergleich: Die meisten Entwicklungsprogramme für Automotoren brauchen fast doppelt so lange, um das gleiche Ziel zu erreichen. Hinzu kommt, dass das Unternehmen ohne ein bestehendes Motorenkonstruktionsteam, ohne ein Rechenzentrum für technische Simulationen und ohne eine Fabrik für den Bau des gesamten Systems begann.

Das Computing-Element war für die Entwicklungsgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. Red Bull Ford Powertrains nutzte die cloudbasierte High Performance Computing-(HPC-)Kapazität von Oracle, um mit technischen Simulationen beginnen zu können, ohne ein großes Rechenzentrum aufbauen zu müssen. Die Nutzung einer Cloud-Infrastruktur für diese rechenintensive Arbeit kann viel Zeit und Geld sparen. Wie bei Red Bull Ford Powertrains wird cloudbasiertes High Performance Computing noch viel mehr Menschen und Organisationen in anderen Branchen die Möglichkeit geben, verblüffende technische und gestalterische Leistungen zu vollbringen.

Red Bull Ford Powertrains entwirft und baut die neue Antriebseinheit rechtzeitig für die Formel-1-Saison 2026, die ein neues Hybridmotorkonzept und nachhaltige Kraftstoffanforderungen einführt. Zwar verfügt das Team jetzt über einen funktionierenden Prototyp des Motors für das Jahr 2026, aber es stehen noch viele Iterationen und Weiterentwicklungen an, bevor die Nachkommen auf die Rennstrecke kommen, ganz zu schweigen von Tausenden von Stunden an Prüfstandstests, um die Zuverlässigkeit sicherzustellen. Und für Oracle Red Bull Racing, den Titelverteidiger der F1-Meisterschaft 2022, gibt es nur einen ultimativen Maßstab für den Erfolg: den Spitzenplatz in der Fahrer- und Teamwertung.

„Red Bull wird alles tun, was nötig ist, um eine Antriebseinheit zu liefern, die eine Meisterschaft gewinnen kann“, sagt Matt Cadieux, der als CIO von Oracle Red Bull Racing das Computerteam hinter der Arbeit leitet. „Und das ist aufregend, anspruchsvoll und stressig.“

Talente einstellen und ihnen gute Werkzeuge an die Hand geben

Die Entscheidung von Oracle Red Bull Racing, eine eigene Antriebseinheit zu bauen, fiel, als der frühere Motorenhersteller des Teams, Honda, seinen Rückzug aus der Formel 1 im Jahr 2021 bekannt gab. Nach anfänglichen Gesprächen mit mehreren Herstellern entschied sich Oracle Red Bull Racing für etwas noch Ungewöhnliches: eine eigene Antriebseinheit zu entwickeln und selbst zu bauen, anstatt es von einem etablierten Motorenhersteller zu kaufen. Bald darauf schlossen sie sich einer strategischen Partnerschaft mit der Ford Motor Company an, die ihr umfangreiches Fachwissen in den Bereichen EV-Entwicklung, Steuerung und Batterietechnologie zur Unterstützung des Entwicklungsprogramms einbringen wird.

Als die Entscheidung gefallen war, begann die Arbeit. Red Bull Ford Powertrains stellte fachkundige Ingenieure ein, baute Anlagen für den Bau und die Erprobung von Motoren und anderen Komponenten und stellte die nötige Rechenleistung zur Verfügung, um die ausgeklügelten Modelle und technischen Simulationen durchzuführen, die für die Optimierung der Antriebseinheit erforderlich sind und den hohen Anforderungen der Formel 1 entsprechen.

Die Ingenieure und Konstrukteure von Red Bull Ford Powertrains nutzen Hochleistungsrechner-Cluster in der Cloud, um mögliche Konstruktionen für den neuen Motor für die beiden Red Bull-eigenen Teams (Oracle Red Bull Racing und Scuderia AlphaTauri) zu simulieren.

Die Workloads, die auf Oracle Cloud Infrastructure (OCI) auf einem Cluster von Bare-Metal-Servern gehostet werden, konzentrieren sich auf wiederholte Iterationen von Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modellen, um einige der kompliziertesten Konstruktionen im Inneren des Verbrennungsmotorteils der Antriebseinheit zu informieren. Dazu gehört auch die Simulation von Kraftstoffspritzmustern, Verbrennungsleistung und die Frage, wie sich die Form des Zylinderinneren darauf auswirkt und wie sie optimiert werden kann, um maximale Leistung zu erzielen.

Die Teammitglieder konstruieren detaillierte mathematische Modelle des Fahrzeugs, legen Anfangswerte für die zahlreichen Variablen fest und führen dann eine Simulation durch. Auf der Grundlage der Analyse dieser Simulation passen die Ingenieure das Modell an oder ändern einige der Werte und führen die Simulation erneut durch. Immer und immer wieder.

Automobilhersteller und andere technikintensive Unternehmen verfügen über eigene Hochleistungsrechnerumgebungen. Wäre das nicht der Fall gewesen, hätte der Aufbau und die Ausstattung eines neuen On-Premises-Rechenzentrums viele Monate gedauert, wodurch wertvolle Zeit verloren gegangen wäre und der Beginn der Entwicklungsarbeiten sich verzögert hätte. Stattdessen konnte Red Bull Ford Powertrains mit OCI sofort loslegen. Hinzu kommt, dass die optimale Systemkonfiguration zur Maximierung der Simulationsleistung in der Anfangszeit noch nicht endgültig feststand. OCI gab ihnen die Flexibilität, verschiedene Rechen-Ausprägungen und -konfigurationen zu bewerten.

„Wir konnten mit Hardware- und Softwarekombinationen und verschiedenen HPC-Formen experimentieren, ohne Hardware kaufen, aus Kisten packen, in Racks stellen, an das Netzwerk anschließen und die Software laden zu müssen“,so Cadieux. „Dieser ganze Prozess ist enorm zeitaufwendig.“

Die Entscheidung, eine Antriebseinheit zu entwickeln, ist ein großer Schritt für ein neues Unternehmen wie Red Bull Ford Powertrains. Damit tritt es gegen konkurrierende Hersteller an, die über jahrzehntelange F1-Erfahrung verfügen. Doch während das Ingenieurteam den Erfolgsdruck spürt, bekommt es auch die nötige Unterstützung. Der Auftrag ist klar, und die Computing-Infrastruktur und andere Instrumente sind vorhanden. Cadieux sagt, dass dieser Ansatz zur Red Bull-Philosophie passt.

„Wenn Sie einer sehr talentierten Gruppe von Menschen die nötigen Mittel an die Hand geben, um ihre Arbeit zu erledigen, schaffen Sie die Voraussetzungen für ihren Erfolg und beflügeln ihre Phantasie, ihre Innovationskraft und ihre Fähigkeit, zu gewinnen“, sagt er.

Die Arbeit der Red Bull-Motorkonstrukteure

Alle paar Jahre überarbeitet der Dachverband der Formel 1, die Fédération Internationale de l'Automobile (FIA), die Spezifikationen für den F1-Wagen. Diese Angaben beziehen sich auf viele Faktoren, darunter die Form und das Gewicht des Fahrzeugs, die Sicherheitsausrüstung und so weiter. Die FIA kann auch die Vorschriften für die Antriebseinheit ändern, was aufgrund der langen und teuren Entwicklungszeit seltener vorkommt. Die letzte große Regeländerung in diesem Bereich fand 2014 statt, und die nächste Generation der Antriebseinheit wird in der Saison 2026 eingeführt.

Ein erfolgreicher F1-Motor muss den gesamten eingespritzten Kraftstoff effizient verbrennen, um die maximale Leistung zu erzielen. Declan Ward, leitender Ingenieur für Leistungssimulation bei Red Bull Ford Powertrains, erklärt, wie er detaillierte Analysen und 3D-Modellierungen durchführt, um sicherzustellen, dass das Ansaugsystem den Kraftstoff auf die richtige Weise verdampft und vermischt und die richtige Kraftstoffmenge genau an der richtigen Stelle für die Verbrennung versprüht.

„Man will sicherstellen, dass der gesamte Kraftstoff für die Verbrennung in jedem einzelnen Zyklus in jedem Zylinder zur Verfügung steht“, sagt er. „Ein Teil des Kraftstoffs mit einem fehlgeleiteten Einspritzereignis oder Spritzbild könnte in der Auspuffanlage verloren gehen.“

So nutzen die Entwickler von Red Bull Hochleistungscomputer

Zwar sind die Spezifikationen eines F1-Rennwagens sehr detailliert, doch es gibt immer noch viele, viele Entscheidungen, die in die Konstruktion einer Antriebseinheit einfließen, einschließlich der Wahl der Materialien (Stahl-, Titan- und Aluminiumlegierungen sind an verschiedenen Stellen erlaubt), der Verbrennungsraten für den Kraftstoff, der Schmierung, der Auspuffanlage und vielem mehr.

Die Ingenieure von Red Bull Ford Powertrains nutzen OCI, um verschiedene Softwarepakete zur Strömungsmechanik für die Konstruktions- und Simulationsarbeit zur Bewertung dieser Variablen einzusetzen. Eines davon ist CONVERGE, ein beliebtes CFD-Paket von Convergent Science, das Konfigurationen für Verbrennungsmotoren, Einspritzdüsen und Sprays, Auspuffanlagen und andere Bereiche enthält, die für F1-Konstrukteure interessant sind. Das Team verwendet CONVERGE für Simulationen der Thermodynamik, der Verbrennung im Ansaugsystem, der Abgassysteme und der Kraftstoffumwandlung.

Außerdem verwendet es Simcenter STAR-CCM+ von Siemens für CFD zur Gestaltung und Simulation von Turboladern.

Wenn es um die Ausführung von rechenintensiver Software wie CFD geht, kommt es auf Geschwindigkeit an – es ist also wichtig, die neueste Hardware zu haben und die richtigen Prozessoren zu wählen. Als OCI das Team im Dezember 2022 auf die neueste Prozessorgeneration umstellte, erzielte es einen Leistungsanstieg von 10 %. Aus Sicht des Kunden ist die Implementierung von Hardware-Upgrades in OCI ein viel einfacheres Projekt als in einem lokalen Rechenzentrum.

OCI ermöglichte es Red Bull Ford Powertrains darüber hinaus, nur in die benötigte Rechnerkapazität zu investieren, anstatt in den frühen Tagen des Entwicklungsprogramms, als die Anforderungen noch nicht feststanden, eine große Vorabinvestition zu tätigen. Als sie Mitte 2021 mit dieser Arbeit begannen, so Cadieux, waren die Berechnungen noch klein. Doch seit dem Umzug in ein neues Gebäude auf dem Red Bull Technology Campus hat das Team eine große Einstellungsoffensive gestartet. „Wir begannen mit einer relativ kleinen Anzahl von OCI-Rechenressourcen“, sagt er. „Doch als das Team wuchs und das Modell immer ausgefeilter wurde, konnten wir problemlos und schnell schrittweise weitere OCI-Ressourcen bereitstellen, um mit den wachsenden Anforderungen mitzuhalten. OCI verlieh dem Team die nötige Flexibilität und bot ein Finanzmodell, bei dem wir nur für das bezahlten, was wir brauchten.“

Vorteile der Motorensimulation in der Cloud

„Die Red Bull-Kultur besteht darin, die richtigen Leute einzustellen und sie mit den richtigen Mitteln auszustatten. Wir gehen an den Antriebsstrang mit dieser Art von Offenheit heran – wir haben die beste Technologie gefunden, damit wir unseren Mitarbeitern die besten Werkzeuge für ihre Arbeit geben können. Das ist die typische Red Bull-Art.“

Die Einrichtung eines Hochleistungs-Computing-Clusters ist komplexer als die Befolgung eines Standardrezepts. Der Cluster kann aus Hunderten von Servern bestehen, die jeweils mit Multicore-CPUs und GPUs, Arbeitsspeicher, Cache, Speicher und Verbindungsleitungen mit hoher Bandbreite zwischen den Chips und zwischen den Servern ausgestattet sind. Das Team von Red Bull Ford Powertrains konnte die bestehenden Partnerschaften von Oracle mit den Anbietern von Simulationssoftware nutzen, um die optimalen Prozessoren, GPUs und Speicher für bestimmte Arbeitslasten zu ermitteln.

Der Aufbau eines On-Premises-HPC-Clusters erfordert ein umfangreiches Inventar verschiedener Hardwaretypen sowie die manuelle Arbeit, diese neu zu konfigurieren und die Software neu zu installieren und zu optimieren. Aber durch das Wissen, das Oracle und die Softwareanbieter bereits über OCI besaßen, konnten sich die Ingenieure von Red Bull Ford Powertrains „schnell dem Sweet Spot für hohe Leistung annähern“, so Cadieux.

Und sobald sich die Ingenieure auf diesen „Sweet Spot“ geeinigt hatten, konnte das Team innerhalb von etwa einer Woche HPC-Cluster-Konfigurationen auf Produktionsniveau ausführen. „Für uns wäre das ein Monat Arbeit gewesen, in dem die Leute einen Berg von Hardware ausgepackt, angeschlossen und abgebildet hätten“, so Cadieux. „Stattdessen passierte alles wie von Zauberhand in der Oracle Cloud, ohne dass wir uns darüber Gedanken machen mussten.“

Das Rennen gewinnen

Seit Mitte 2023 modelliert, entwirft, simuliert und testet Red Bull Ford Powertrains immer und immer wieder, um eine Antriebseinheit zu entwickeln und für die Saison 2026 zu produzieren.

„Bei den Formel-1-Antriebseinheiten sind wir David gegen Goliath, weil wir es mit der Macht der OEMs zu tun haben“, sagt Cadieux und bezieht sich dabei auf die etablierten Motorenhersteller für Rennteams.

Ausgestattet mit der besten Entwicklungssoftware, die auf den Hochleistungsrechnern von OCI läuft, stellt sich das Team von Red Bull Ford Powertrains gerne der Herausforderung.

„Die Red Bull-Kultur besteht darin, die richtigen Leute einzustellen und sie mit den richtigen Mitteln auszustatten“, so Ward, der Simulationsingenieur. „Wir gehen an den Antriebsstrang mit dieser Art von Offenheit heran – wir haben die beste Technologie gefunden, damit wir unseren Mitarbeitern die besten Werkzeuge für ihre Arbeit geben können. Das ist die typische Red Bull-Art.“

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