Superpočítač nahrazující 60 000 PC

Přes 600 let by trval na běžném PC výpočet všech simulací nárazů provedených při vývoji modelu ŠKODA KODIAQ. Pro superpočítač v Datovém centru ŠKODA AUTO by to byla otázka v řádu měsíců. Jak to funguje?

17. 4. 2018 Škoda svět INOVACE & TECHNOLOGIE

Co to vlastně je superpočítač? Technicky jde o spojení velkého množství vysoce výkonných počítačů do jednoho celku, jehož jednotlivé části spolu komunikují pomocí vysokorychlostních sítí. Pro představu – jeho hardware svým výkonem nahradí zhruba 60 000 běžných osobních počítačů. Superpočítač v Datovém centru ŠKODA AUTO je nejvýkonnějším výpočetním centrem v komerční oblasti ve střední a východní Evropě. Po letošním plánovaném rozšíření spotřebuje tolik energie, kolik za rok vyprodukuje elektrárna na přehradě Les Království. Naráz může řešit několik složitých paralelních výpočtů (HPC).

„Aby mohl superpočítač výpočty provádět, je nutné do něj dostat data a mít prostor pro jejich průběžné ukládání,“ vysvětluje Michal Krupička, IT Business analytik výpočetních systémů. „Pro jeho fungování je potřeba mnoho dalších infrastrukturních serverů. Některé přijímají zadání od uživatelů a sestavují vlastní výpočetní úlohu – kde a jak se bude výpočet provádět, další část hlídá plánování úloh v čase a snaží se férově uspokojit všechny uživatele, jiný server zase neustále kontroluje případné poruchy – kde přestala fungovat paměť, odpojil se nějaký síťový kabel apod. Každá část superpočítače neustále komunikuje s databází, odkud získává informace co a jak spustit. Na oplátku posílá data o průběhu konkrétního výpočtu a efektivitě využívání zdrojů.“

Hlavními „zákazníky“ superpočítače jsou oblasti výroby a především technického výzkumu a vývoje. Numerické simulace se dnes používají ve všech fázích výzkumu a vývoje nového vozu od designu a vývoje jednotlivých konstrukčních prvků i řešení celého vozu až po vznik finálního výrobku. A vlastně i potom, když se hledají různá vylepšení pro modernizaci daného modelu. K nejdůležitějším oblastem použití výpočtů patří aerodynamika, simulace nárazových zkoušek (ať již pro posouzení funkce struktury karoserie, nebo ochrany posádky a chodců), výpočty týkající se agregátů, simulace tažení plechů, tváření za tepla a odlévání.

Technici a vývojáři můžou díky superpočítači prověřit mnohonásobně víc možností než v reálných fyzických testech, navíc v kratším čase a s nižšími náklady. Neznamená to absolutní opuštění klasických metod, ale jejich omezení na nezbytnou míru. Designéři dál pracují i s hliněnými modely, chystané auto se testuje i fyzicky, neboť i legislativa v řadě oblastí výpočetní simulace neuznává a požaduje fyzické zkoušky. Pomocí výpočetních simulací se však vývoj dá urychlit a zefektivnit.

„Pomocí počítače můžeme provádět virtuální zkoušky a simulace ještě dřív, než je k dispozici samotný reálný vůz,“ vysvětluje použití moderních technologií Tomáš Kubr, vedoucí oddělení Vývoj funkčnosti, výpočty, péče o sérii. „Můžeme se podívat i na místa struktury, kam se žádná kamera nebo čidlo nevejde. Jsme také schopni relativně rychle a efektivně měnit různé parametry. Změnit třeba několikrát tloušťku plechu na reálném voze není rozhodně triviální, rychlá ani levná záležitost.“

Počítač sám by ale nemohl fungovat bez lidské obsluhy. Výkony jeho hardware a možnosti software jsou fascinující, ovšem jenom to nestačí. „Člověk je nenahraditelný,“ říká Jan Jagrik, vedoucí oddělení aerodynamiky ve ŠKODA AUTO, jehož pracovníci superpočítači zadávají tisíce výpočtů ročně. „Superpočítač v kombinaci se sofistikovaným softwarem dokáže vygenerovat řadu výsledků a vypočítat spoustu fyzikálních parametrů, ale přemýšlet nad nimi musí expert, který pak rozhoduje o úpravách, které například vedou ke snížení aerodynamického odporu vozu.“

Během vývoje auta se provádějí nárazové testy na skutečných vozech, řádově větší část simulací ale probíhá virtuálně, na počítači. „Simulace umožňují poměrně hluboký vhled do jevů, které při nárazu probíhají,“ říká Tomáš Kubr. „Když provedu reálný crash test s fyzickým vozem, mohu následně už jen vyhodnotit výsledek a informace z čidel, které jsem předem nainstaloval. Ale ne všude je možno čidla osadit. Navíc, když se po vyhodnocení jednoho crash testu rozhodnu otestovat ještě něco jiného, změnit rychlost apod., musel bych rozbít další auto. Kdežto se superpočítačem jen změním zadání a můžu test opakovat.“

Výsledky jsou jasné – například při vývoji SUV ŠKODA KODIAQ bylo 99 procent crash testů provedeno v počítači a jen jedno procento na skutečných vozech. I zkoušky na reálných vozech jsou nicméně velmi důležité, ideálně slouží k ověření daných konstrukčních řešení i dalšímu rozvoji metodik zkoušek virtuálních.

„Pomocí těchto rovnic lze popsat proudění vzduchu v jednoduchém objemu, např. v krychli,“ vysvětluje Jan Jagrik. „Teoreticky se dá výsledek pro jednu krychli spočítat i s kalkulačkou, ale zabralo by to třeba i několik dní. Jenže na přesnou analýzu proudění kolem auta je takových krychlí potřeba přes sto milionů. A k takovému výpočtu je superpočítač nezbytná věc.“ Aerodynamika není jen o suchých číslech a konstantách, jako je např. součinitel odporu vzduchu – v praxi aerodynamika pomáhá tomu, aby řidič na každé natankování nebo v budoucnu na každé nabití dojel dál. Aerodynamika má také přímý vliv na bezpečnost – například zabraňuje tomu, aby se vůz nedostal vlivem aerodynamického vztlaku případně poryvu bočního větru do krizové situace atd.

Klimatizování a topení

Aerodynamika interiéru vozu je věda. Klimatizování a topení v autě totiž není jen otázkou pohodlí posádky, ale jsou důležité i pro zajištění její aktivní bezpečnosti. Na dlouhé cestě musí být řidič čilý, schopný rychle reagovat na nenadálé situace v provozu, nesmí mu být zima ani teplo a vzduch proudící do kabiny ho nesmí nijak obtěžovat. V zimě musí zase auto rychle rozmrznout, případně odmlžit, především v oblasti čelního skla a bočních oken, aby řidič z auta dobře viděl. „Konkrétně rozmrazování je poměrně složitý fyzikální jev, který bychom bez superpočítače mohli těžko simulovat,“ popisuje Jan Jagrik. „Vrstva ledu ležící na skle změní díky ofukování teplým vzduchem z topení dvakrát své skupenství. Poprvé z ledu na vodu a podruhé z vody na páru. Modelovat v jedné simulaci všechna skupenství není jednoduché a tohle všechno dnes umíme nejen spočítat, ale i zobrazit ve 3D.

A stále jsme u bezpečnosti. Akustika v autě opět není jen otázkou komfortu, ale řidič, kterého obtěžují v autě různé zvuky a jejich intenzita, nemůže řídit bezpečně. „Při vývoji potřebujeme virtuálně otestovat úroveň hluku v různých situacích - při akceleraci či na nerovných površích,“ říká Tomáš Kubr. „V kabině řešíme opačný problém než výrobci hudebních nástrojů – ti potřebují, aby jejich výrobky na určitých frekvencích rezonovaly a tím vydávaly tón. My potřebujeme pravý opak. K rezonancím nesmí docházet. A v tom nám superpočítač pomáhá.“

Konstrukce motorů

Neméně důležitá podmínka pasivní bezpečnosti je zabránění úniku paliva v případě nehody. Z tohoto důvodu jsou díly palivového a vstřikovacího systému na důležitých místech vyztuženy nebo naopak cíleně zeslabeny pro definování lomových ploch při nárazu. „Navrhujeme i speciální výztuhy, které při nárazu chrání problematické díly proti jejich poškození,“ říká Tomáš Král z oddělení EPO – Vývoj motoru. „Všechna tato konstrukční opatření jsou samozřejmě navrhována a ověřována výpočtem a simulací nárazu na počítači. Příprava výpočtového modelu je náročná, ale ve výsledku se nakonec vyplatí. Simulací je totiž možné rychle ověřit různá konstrukční řešení. Výpočty datového centra nám ušetří čas na výrobu a reálné testy vozů ve vývojové fázi. V nárazové zkoušce na reálném vozidle pak výpočtem ověřené konstrukční opatření otestujeme.“