Red Bull Ford Powertrains crée un moteur de F1 à partir de zéro

Les ingénieurs sont prêts. Le test est défini. Le bouton est enfoncé. Le moteur rugit ! Après un peu plus d'un an d'ingénierie et de créativité, un tout nouveau moteur pour une voiture de course de Formule 1 voit le jour.

Avec l'aide d'un superordinateur dans le cloud, l'équipe qui crée le nouveau bloc moteur pour la voiture 2026 d'Oracle Red Bull Racing a réussi l'exploit de concevoir et de construire un nouveau prototype de moteur à partir de zéro en un peu plus d'un an. En fait, l'équipe crée un groupe moteur complet : le moteur, le turbocompresseur et les systèmes hybrides.

L'équipe de développement, la Red Bull Ford Powertrains, comprend l'énormité de cette entreprise. Elle conçoit et fabrique le nouveau groupe propulseur de F1, l'épreuve reine de la course automobile, et ce, en moins de quatre ans. À titre de comparaison, la plupart des programmes de développement de moteurs automobiles prennent presque deux fois plus de temps. De plus, elle a commencé sans équipe de conception de moteur existante, sans data center pour exécuter des simulations d'ingénierie et sans usine pour tout construire.

La composante informatique s'est avérée essentielle à leur vitesse de développement. Red Bull Ford Powertrains a exploité la capacité de calcul haute performance (HPC) du cloud d'Oracle afin de pouvoir commencer à effectuer des simulations d'ingénierie sans avoir à créer un grand data center. L'utilisation de l'infrastructure cloud pour effectuer ce niveau de travail intensif en calcul lui a permis de gagner beaucoup de temps et de réaliser d'importantes économies. À l'instar de Red Bull Ford Powertrains, le calcul haute performance basé sur le cloud permettra à beaucoup d'entrepreneurs et d'entreprises dans d'autres secteurs de réaliser des exploits éblouissants d'ingénierie et de conception.

Red Bull Ford Powertrains conçoit et construit le nouveau groupe moteur de F1 à temps pour la saison 2026. Il respecte les nouvelles normes en matière de moteur hybride et de carburant durable. Bien que l'équipe dispose désormais d'un prototype opérationnel du moteur, il lui reste encore de nombreuses itérations et d'autres développements à effectuer avant que ses descendants ne montent sur la piste, sans parler des milliers d'heures de tests pour assurer la fiabilité. Et avec Oracle Red Bull Racing, l'équipe championne en 2022, il n'y a qu'une seule forme de succès : la première place au classement des pilotes et des écuries.

« Red Bull va cocher toutes les cases nécessaires pour fournir un groupe moteur capable de remporter un championnat », explique Matt Cadieux, qui, en tant que Directeur informatique d'Oracle Red Bull Racing, dirige l'équipe informatique derrière ce travail. Et c'est enthousiasmant, stimulant et stressant. »

Embaucher des talents et leur donner des outils de qualité

La décision d'Oracle Red Bull Racing de construire son propre groupe moteur a commencé lorsque l'ancien motoriste de l'équipe, Honda, a annoncé sa retraite de la F1 en 2021. Après des discussions avec plusieurs fabricants, Oracle Red Bull Racing a pris une décision inattendue : concevoir et construire son propre groupe moteur plutôt que d'en acheter un à un motoriste établi. Elle a rapidement rejoint , dans le cadre d'un partenariat stratégique, Ford Motor Company, qui s'appuiera sur son expertise substantielle dans le développement de véhicules électriques, les contrôles et la technologie des batteries pour soutenir le programme de développement.

Le travail a alors pu commencer. Red Bull Ford Powertrains a recruté des ingénieurs chevronnés, construit des installations pour assembler et tester des moteurs et d'autres composants et mis en place la puissance de calcul nécessaire pour exécuter les modèles et les simulations complexes nécessaires pour optimiser le groupe moteur tout en répondant aux normes strictes de la F1.

Les ingénieurs et concepteurs de Red Bull Ford Powertrains utilisent des clusters de calcul haute performance dans le cloud pour simuler des conceptions pour le nouveau moteur destiné aux deux écuries appartenant à Red Bull (Oracle Red Bull Racing et Scuderia AlphaTauri).

Les workloads, qui sont hébergés sur Oracle Cloud Infrastructure (OCI) sur un cluster de serveurs bare metal, se concentrent sur les itérations répétées de modèles de mécanique des fluides numérique (CFD) pour certaines des conceptions les plus complexes de la chambre de combustion du moteur. Cela comprend la simulation de modèles de pulvérisation de carburant, des performances de combustion et de la forme des cylindres pour comprendre leur influence et atteindre une performance maximale.

Les membres de l'équipe construisent des modèles mathématiques détaillés de la voiture, définissent un ensemble initial de valeurs pour les nombreuses variables, puis exécutent une simulation. Sur la base de l'analyse de cette simulation, les ingénieurs ajustent le modèle ou ajustent certaines des valeurs et réexécutent la simulation. Encore et encore.

Les constructeurs automobiles et d'autres entreprises avec une ingénierie complexes ont leurs propres environnements de calcul haute performance. Toutefois, la création d'un nouveau data center on-premises aurait pris de nombreux mois. L'équipe aurait perdu un temps précieux et le début des travaux de conception aurait été retardé. Au lieu de cela, grâce à OCI, Red Bull Ford Powertrains a pu immédiatement se mettre au travail. De plus, dans les premiers jours, la configuration système idéale pour optimiser les performances de simulation n'était pas encore établie définitivement. L'utilisation d'OCI a permis d'évaluer différentes formes et configurations de calcul.

« Nous avons pu expérimenter des combinaisons matérielles et logicielles et différentes formes HPC sans avoir à acheter du matériel, le sortir des boîtes, le mettre dans des baies, le connecter au réseau, charger le logiciel », explique M. Cadieux. « Tout cela prend beaucoup de temps. »

Développer un groupe moteur n'est pas une décision anodine pour une nouvelle équipe comme Red Bull Ford Powertrains. En effet, leurs rivaux ont des dizaines d'années d'expérience en F1. Pourtant, bien qu'elle ressente la pression sur ses épaules, l'équipe se sait aussi soutenue. Sa mission est claire et l'infrastructure informatique et d'autres outils sont en place. M. Cadieux confie que cette approche correspond à la philosophie de Red Bull.

« Si vous donnez à un groupe de personnes très talentueuses les outils pour faire leur travail, vous les mettez sur la voie vers le succès ; vous donnez des ailes à leur imagination et à leur innovation ainsi qu'à leur capacité à aller gagner », dit-il.

Le travail des concepteurs de moteurs Red Bull

L'organe directeur de la Formule 1, la Fédération Internationale de l'Automobile (FIA), révise régulièrement les spécifications pour les voitures de F1. Ces spécifications couvrent de nombreux facteurs, y compris la forme et le poids du véhicule, l'équipement de sécurité, etc. La FIA peut également modifier la réglementation sur le groupe moteur. Ce type de changement s'avère moins fréquent en raison du temps et des fonds nécessaires pour s'adapter. Le dernier changement majeur de réglementation dans ce domaine a eu lieu en 2014. Le groupe moteur de nouvelle génération fera ses débuts dans la saison 2026.

Une F1 doit consommer efficacement tout le carburant injecté dans son moteur pour obtenir des performances maximales. Declan Ward, Ingénieur senior en simulation de performance chez Red Bull Ford Powertrains, explique comment il effectue une analyse détaillée et une modélisation 3D pour s'assurer que le système d'admission de carburant vaporise et mélange le carburant de la bonne manière et en pulvérise la bonne quantité au bon endroit pour la combustion.

« Il faut veiller à ce que tout le carburant soit disponible au moment de la combustion, et ce, pour chaque cycle dans chaque cylindre », explique-t-il. « Une partie du carburant est perdue dans le système d'échappement si l'injection ou la pulvérisation n'interviennent pas au bon moment. »

Comment les concepteurs de Red Bull utilisent-ils le calcul haute performance ?

Bien que les spécifications d'une voiture de course F1 soient scrupuleusement détaillées, il reste encore de nombreux choix de conception pour le groupe moteur, par exemple les matériaux (l'acier, le titane et les alliages d'aluminium sont autorisés à divers endroits), les taux de combustion pour le carburant, la lubrification, le système d'échappement et bien plus encore.

Grâce à OCI, les ingénieurs de Red Bull Ford Powertrains exécutent plusieurs packages logiciels de dynamique des fluides informatiques pour le travail de conception et de simulation afin d'évaluer ces variables. Ils utilisent notamment CONVERGE, un package de mécanique des fluides numérique populaire de Convergent Science qui contient des configurations pour les moteurs à combustion interne, les injecteurs de carburant et les pulvérisateurs, les échappements et d'autres domaines d'intérêt pour les concepteurs de F1. L'équipe utilise CONVERGE pour la thermodynamique, la combustion des systèmes d'admission, les systèmes d'échappement et les simulations de conversion de carburant.

L'équipe utilise également Simcenter STAR-CCM+ de Siemens pour la conception et la simulation de la mécanique des fluides numérique dans les turbocompresseurs.

Pour l'exécution de logiciels mathématiques intensifs tels que la mécanique des fluides numérique, la vitesse revêt une importance toute particulière. Il est donc indispensable d'avoir du matériel à jour et de choisir les bons processeurs. Lorsqu'OCI a déplacé l'équipe vers la dernière génération de processeurs en décembre 2022, cette dernière a réalisé une augmentation des performances de 10 %. Du point de vue du client, la mise en œuvre de mises à niveau matérielles dans OCI est un projet beaucoup plus facile que dans un data center on-premises.

OCI a également permis à Red Bull Ford Powertrains d'investir uniquement dans la capacité de calcul nécessaire, plutôt que de faire un gros investissement initial dans les premiers jours du programme d'ingénierie alors que les exigences évoluaient encore. Au début du projet, à la mi-2021, se souvient M. Cadieux, le calcul était réalisé à petite échelle. Mais depuis qu'elle a emménagé dans un nouveau bâtiment sur le campus technologique de Red Bull, l'équipe a entrepris une importante campagne de recrutement. « Quand nous avons commencé, nous utilisions une quantité relativement faible de ressources de calcul OCI », se remémore-t-il. « Mais au fur et à mesure que l'équipe a commencé à s'agrandir, à mesure que la sophistication du modèle commençait à croître, nous avons pu provisionner facilement et rapidement davantage de ressources OCI en plusieurs étapes pour répondre aux demandes croissantes. OCI a donné à l'équipe l'agilité dont elle avait besoin ainsi qu'un modèle financier où nous n'avons payé que pour ce dont nous avions besoin. »

Avantages de la simulation de moteur dans le cloud

« La culture de Red Bull est de rassembler les bonnes personnes et de leur donner les bons outils. Nous approchons la conception du groupe moteur avec un état d'esprit assez ouvert ; nous avons trouvé la meilleure technologie afin de pouvoir donner à nos collaborateurs les meilleurs outils. C'est comme ça que nous travaillons chez Red Bull. »

La création d'un cluster de calcul haute performance s'avère relativement complexe. Le cluster peut comprendre des centaines de serveurs, chacun avec des CPU et des GPU multicœurs, de la mémoire, du cache, du stockage et des interconnexions à bande passante élevée entre les puces et entre les serveurs. L'équipe de Red Bull Ford Powertrains a pu tirer parti des relations existantes d'Oracle avec les fournisseurs de logiciels de simulation pour déterminer les processeurs, GPU et mémoire optimaux pour des workloads spécifiques.

La création d'un cluster HPC on-premises nécessite une grande quantité de matériel, qu'il faut configurer manuellement, en plus de dévoir installer et régler les logiciels. Toutefois, en utilisant les connaissances d'Oracle et de fournisseurs de logiciels sur OCI, les ingénieurs de Red Bull Ford Powertrains « ont pu rapidement converger vers la configuration optimale de haute performance », explique M. Cadieux.

Une fois que les ingénieurs ont mis la main sur cette configuration, l'équipe a pu exécuter des configurations de cluster HPC au niveau de la production en environ une semaine. « Il nous aurait fallu un mois de travail pour déballer la montagne de matériel nécessaire et tout connecter, vous imaginez !? », constate M. Cadieux. « Au lieu de cela, tout s'est fait comme par magie dans Oracle Cloud, et nous n'avons pas eu à y penser. »

Première place sur le podium

Depuis le deuxième semestre de 2023, Red Bull Ford Powertrains modélise, conçoit, simule et teste, encore et encore son groupe moteur pour le peaufiner et pouvoir le faire construire avant la saison 2026.

« Nous sommes comme David contre Goliath dans la course aux groupes moteurs de Formule 1, car nous sommes en lice contre de puissants équipementiers », explique M. Cadieux, une référence aux motoristes des écuries déjà établies.

Dotée du meilleur logiciel d'ingénierie exécuté sur le calcul haute performance d'OCI, l'équipe Red Bull Ford Powertrains relève ce défi avec plaisir.

« La culture de Red Bull est d'amener les bonnes personnes et de leur donner les bons outils », explique D. Ward, Ingénieur en simulation. « Nous approchons la conception du groupe moteur avec un état d'esprit assez ouvert ; nous avons trouvé la meilleure technologie afin de pouvoir donner à nos collaborateurs les meilleurs outils. C'est comme ça que nous travaillons chez Red Bull. »

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