Red Bull Ford Powertrains crea un motor de automóvil de F1 desde cero

Los ingenieros están listos. La prueba está lista. Se pulsa el botón. ¡Rugen los motores! Tras algo más de un año de ingeniería y creatividad, un motor totalmente nuevo para un automóvil de Fórmula 1 cobra vida.

Con la ayuda de una supercomputadora basada en la nube, el equipo crea la nueva unidad de potencia para el automóvil 2026 de Oracle Red Bull Racing ha hecho algo extraordinario: diseñar y construir un nuevo prototipo de motor desde cero en poco más de un año. De hecho, el equipo está creando una unidad de potencia completa: el motor, el turbocompresor y los sistemas híbridos.

La organización de desarrollo, llamada Red Bull Ford Powertrains, comprende la grandiosidad de este empeño. Están diseñando y fabricando la nueva unidad de potencia de automóviles de carreras que se utilizará en la F1, la cumbre del desempeño en materia de competición, y lo están haciendo en menos de cuatro años. A modo de comparación, la mayoría de los programas de desarrollo de motores de automoción tardan casi el doble en lograr el mismo fin. Es más, empezaron sin un equipo de diseño de motores, sin un centro de datos para realizar simulaciones de ingeniería y sin una fábrica para construirlo todo.

El elemento informático ha sido fundamental para su velocidad de desarrollo. Red Bull Ford Powertrains recurrió a la capacidad de computación de alto rendimiento (HPC) basada en la nube de Oracle para comenzar a realizar simulaciones de ingeniería sin tener que construir un gran centro de datos. Utilizar la infraestructura de la nube para realizar ese nivel de trabajo de cálculo intensivo puede ahorrar mucho tiempo y dinero. Al igual que hizo con Red Bull Ford Powertrains, la computación de alto rendimiento basada en la nube hará posible que muchas más personas y organizaciones de otros sectores emprendan deslumbrantes hazañas de ingeniería y diseño.

Red Bull Ford Powertrains está diseñando y construyendo la nueva unidad de potencia a tiempo para la temporada 2026 F1, que inaugura un nuevo diseño de motor híbrido y requisitos de combustible sostenibles. Aunque el equipo ya dispone de un prototipo funcional del motor de 2026, aún quedan muchas iteraciones y desarrollos por hacer antes de que sus descendientes lleguen a la pista, por no hablar de las miles de horas de pruebas en el banco de pruebas para garantizar su confiabilidad. Y con Oracle Red Bull Racing, el equipo defensor del título del Campeonato de F1 de 2022, solo hay una medida definitiva de éxito: el primer lugar en el ranking de pilotos y equipos.

"Red Bull hará todo lo posible para ofrecer una unidad de potencia que pueda ganar un campeonato", afirma Matt Cadieux, quien, como CIO de Oracle Red Bull Racing, lidera el equipo informático detrás del trabajo. "Y eso es emocionante, desafiante y estresante".

Contratar talentos y darles excelentes herramientas

La decisión de Oracle Red Bull Racing de construir su propia unidad de potencia comenzó cuando el antiguo fabricante de motores del equipo, Honda, anunció su retiro de las carreras de F1 en 2021. Tras las conversaciones iniciales con varios fabricantes, Oracle Red Bull Racing decidió hacer algo inaudito: diseñar y construir su propia unidad de potencia en lugar de comprar una de un fabricante de motores establecido. Pronto se unieron en una asociación estratégica con Ford Motor Company, que aportará su importante experiencia en desarrollo de vehículos eléctricos, controles y tecnología de baterías para respaldar el programa de desarrollo.

Una vez tomada la decisión, empezó el trabajo. Red Bull Ford Powertrains contó con ingenieros expertos, construyó instalaciones para fabricar y probar motores y otros componentes, y puso en marcha la potencia de cálculo necesaria para ejecutar los sofisticados modelos y simulaciones de ingeniería ideales para optimizar la unidad de potencia al tiempo que cumple con los exigentes requisitos de la F1.

Los ingenieros y diseñadores de Red Bull Ford Powertrains están utilizando clusters de computación de alto desempeño en la nube para simular posibles diseños del nuevo motor tanto para los dos equipos propiedad de Red Bull (Oracle Red Bull Racing y Scuderia AlphaTauri).

Las cargas de trabajo, que se alojan en Oracle Cloud Infrastructure (OCI) en un clúster de servidores con hardware dedicado, se centran en repetidas iteraciones de modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) para informar sobre algunos de los diseños más complejos dentro de la parte del motor de combustión interna de la unidad de potencia. Esto incluye la simulación de patrones de pulverización de combustible, el rendimiento de combustión y cómo la forma del interior de un cilindro podría afectar y optimizar estos aspectos para ofrecer el máximo desempeño.

Los miembros del equipo desarrollan modelos matemáticos detallados del automóvil, establecen un conjunto inicial de valores para las numerosas variables y, a continuación, realizan una simulación. Basándose en el análisis de esa simulación, los ingenieros ajustan el modelo o modifican algunos de los valores y vuelven a realizar la simulación. Una y otra vez.

Los fabricantes de automóviles y otras empresas de ingeniería intensiva tienen sus propios entornos informáticos de alto rendimiento, pero construir y equipar un nuevo centro de datos local habría llevado muchos meses, con la consiguiente pérdida de un tiempo precioso y el retraso en el inicio del trabajo de diseño. En cambio, gracias a OCI, Red Bull Ford Powertrains pudo comenzar de inmediato. Es más, en los primeros días, la configuración ideal del sistema para maximizar el desempeño de la simulación no estaba terminada. El uso de OCI les dio la flexibilidad de evaluar diferentes unidades de computación y configuraciones.

"Pudimos experimentar con combinaciones de hardware y software y diferentes formas de HPC sin tener que comprar hardware, sacarlo de las cajas, colocarlo en racks, conectarlo a la red, cargar el software", afirma Cadieux. "Todo eso lleva muchísimo tiempo".

La decisión de desarrollar una unidad de potencia es un gran salto para una nueva organización como Red Bull Ford Powertrains. Al hacerlo, se enfrentan a fabricantes rivales que cuentan con décadas de experiencia en la F1. Sin embargo, mientras que el equipo de ingeniería siente la presión del éxito, también siente el apoyo. La misión es clara, y la infraestructura informática y otras herramientas están a su disposición. Cadieux afirma que este enfoque se ajusta a la filosofía de Red Bull.

"Si le das a un grupo de personas con mucho talento las herramientas para hacer el trabajo, las estás preparando para el éxito, y estás dando alas a su imaginación, a su innovación y a su capacidad para la victoria", afirma.

Lo que hacen los diseñadores de motores Red Bull

Cada pocos años, el órgano rector de la Fórmula 1, la Fédération Internationale de l'Automobile (FIA), revisa las especificaciones del automóvil del Campeonato de F1. Esas especificaciones abarcan muchos factores, como la forma y el peso del vehículo, el equipamiento de seguridad, etc. La FIA también puede cambiar la normativa sobre la unidad de potencia, lo que ocurre con menos frecuencia debido al largo y costoso proceso que lleva su desarrollo. El último gran cambio reglamentario en este ámbito tuvo lugar en 2014, y la unidad de potencia de nueva generación debutará en la temporada 2026.

Un motor de F1 ganador necesita quemar eficientemente todo el combustible que se inyecta en el motor para obtener el máximo rendimiento. Declan Ward, ingeniero jefe de simulación de rendimiento de Red Bull Ford Powertrains, explica cómo llevar a cabo análisis detallados y modelados en 3D para asegurarse de que el sistema de admisión de combustible vaporiza y mezcla el combustible de la manera correcta y pulveriza la cantidad adecuada de combustible en el punto exacto para la combustión.

"Debes asegurarte de que todo ese combustible está disponible a la hora de la combustión para cada ciclo en cada cilindro", dice. "Parte del combustible con un evento de inyección o patrón de pulverización erróneo podría perderse en el sistema de escape".

Cómo los diseñadores de Red Bull utilizan la computación de alto rendimiento

Aunque las especificaciones de un automóvil de carreras de F1 están muy detalladas, hay muchísimas decisiones que hay que tomar a la hora de diseñar una unidad de potencia, como la elección de los materiales (acero, titanio y aleaciones de aluminio están permitidos en varios lugares), la velocidad de combustión del combustible, la lubricación, el sistema de escape y mucho más.

Los ingenieros de Red Bull Ford Powertrains utilizan OCI para ejecutar varios paquetes de software de dinámica de fluidos computacional para el trabajo de diseño y simulación con el fin de evaluar esas variables. Uno es CONVERGE, un popular paquete CFD de Convergent Science que contiene configuraciones para motores de combustión interna, inyectores de combustible y aerosoles, escapes y otras áreas de interés para los diseñadores de F1. El equipo utiliza CONVERGE para la termodinámica, la combustión del sistema de admisión, los sistemas de escape y las simulaciones de conversión de combustible.

El equipo también utiliza Simcenter STAR-CCM+ de Siemens para CFD para el diseño y simulación de turbocompresores.

Cuando se trata de ejecutar software matemático intensivo como CFD, la velocidad es importante, por lo que contar con el hardware más reciente y elegir los procesadores adecuados también lo es. Cuando OCI trasladó al equipo a la última generación de procesadores en diciembre de 2022, obtuvo un aumento del rendimiento del 10 %. Desde el punto de vista del cliente, implementar actualizaciones de hardware en OCI es un proyecto mucho más sencillo que hacerlo en un centro de datos local.

OCI también permitió a Red Bull Ford Powertrains invertir solo en la capacidad informática que necesitaban, en lugar de realizar una gran inversión inicial en los primeros días del programa de ingeniería cuando los requisitos aún estaban evolucionando. Cuando iniciaron este trabajo a mediados de 2021, dice Cadieux, el cálculo era a pequeña escala. Pero desde que se trasladó a un nuevo edificio en el Red Bull Technology Campus, el equipo emprendió una importante campaña de contratación. "Empezamos a utilizar un número relativamente pequeño de recursos informáticos de OCI", afirma. "Pero a medida que el equipo comenzó a crecer, a medida que la sofisticación del modelo comenzó a crecer, fuimos capaces de aprovisionar más recursos de OCI de manera gradual para seguir el ritmo de las crecientes demandas. OCI proporcionó al equipo la agilidad que necesitaba, así como un modelo financiero en el que sólo pagábamos por lo necesario."

Ventajas de la simulación de motores en la nube

"La cultura de Red Bull consiste en incorporar a las personas adecuadas y dotarlas de las herramientas adecuadas. Abordamos la cadena cinemática con ese tipo de mentalidad abierta: buscamos la mejor tecnología para poder dar a nuestro personal las mejores herramientas para el trabajo. Es el estilo Red Bull".

Crear un clúster de computación de alto rendimiento es más complejo que seguir una receta estándar: el clúster puede incluir cientos de servidores, cada uno con CPU y GPU de varios núcleos, memoria, caché, almacenamiento e interconexiones de gran ancho de banda entre los chips y entre los servidores. El equipo de Red Bull Ford Powertrains pudo aprovechar las relaciones existentes de Oracle con los proveedores de software de simulación para ayudar a determinar los procesadores, GPU y la memoria ideales para cargas de trabajo específicas.

Desarrollar un clúster de HPC on-premises requiere un vasto inventario de diferentes tipos de hardware, así como el trabajo manual para volver a configurarlos, reinstalar y ajustar el software. Pero gracias a los conocimientos que Oracle y los proveedores de software ya tenían sobre OCI, los ingenieros de Red Bull Ford Powertrains "pudieron converger rápidamente en el punto ideal de alto rendimiento", afirma Cadieux.

Y una vez que los ingenieros se decidieron por ese punto ideal, el equipo estaba realizando configuraciones de clúster HPC a nivel de producción en aproximadamente una semana. "Para nosotros, eso habría supuesto un mes de trabajo, con personal desempaquetando una montaña de hardware, conectándolo y creando imágenes", explica Cadieux. "En cambio, sucedió como por arte de magia en Oracle Cloud, y no tuvimos que pensar en ello."

Con miras a la victoria

A mediados de 2023, Red Bull Ford Powertrains está modelando, diseñando, simulando y probando, una y otra vez, para terminar un diseño de unidad de potencia y fabricarlo para la temporada 2026.

"Somos David contra Goliat en las unidades de potencia de Fórmula 1, porque nos enfrentamos a la fuerza de los fabricantes de equipos originales", dice Cadieux, refiriéndose a los fabricantes de motores establecidos para los equipos de carreras.

El equipo Red Bull Ford Powertrains, equipado con el mejor software de ingeniería que se ejecuta en el sistema informático de alto rendimiento de OCI, está encantado con el desafío.

"La cultura de Red Bull consiste en incorporar a las personas adecuadas y dotarlas de las herramientas adecuadas", afirma Ward, ingeniero de simulación. "Abordamos la cadena cinemática con ese tipo de mentalidad abierta: buscamos la mejor tecnología para poder dar a nuestro personal las mejores herramientas para el trabajo. Es el estilo Red Bull."

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