V Formuli 1 tekmujejo računalniki

Računalniki so danes nepogrešljiv sestavni del Formule 1. Pomembnega dela ne opravljajo le v dirkalniku, kjer spremljajo podatke iz stotin senzorjev, da se avto v hipu odziva na spremembe v okolici, temveč zlasti v raziskovanih laboratorijih. Moderni dirkalniki so rezultat petabajtov podatkov in milijonov ur procesorskega časa. Toda začelo se je na pisalnih mizah.

Ko je Mednarodna avtomobilistična zveza (FIA) davnega leta 1950 organizirala prvo sezono Formule 1, so bili računalniki dobesedno še v povojih. Prvi programirljivi računalnik EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) je bil star leto dni, njegov prvi dosežek po večurnem vnašanju programa pa je bil izpis kvadratov vseh celih števil od 1 do 99. Impresivno, a za inženirje neuporabno.

Inženirji so še vse desetletje dirkalnike načrtovali na pisalnih mizah s svinčniki in krivuljniki, vozila pa so bila povsem mehanična. Ključni vir informacij o obnašanju dirkalnika je bil voznik, od katerega je bil odvisen tudi izid na dirki. Voznik je moral ob težavah sam ugotoviti, kaj mu želi dirkalnik povedati.

V 60. letih so bili računalniki že dovolj razviti, da smo z njimi leteli na Luno. Apollo Guidance Computer je tekel s frekvenco 2,048 MHz in je s 4 kB pomnilnika in shrambo 74 kB varno pripeljal Apollo na Mesec. Hewlett-Packardov računalnik 2116 z 10 MHz in 4 kB pomnilnika je bil prvi računalnik, namenjen rabi doma ali v pisarni. Prihod računalnikov v Formulo 1 je postajal neizogiben.

V 70. letih smo imeli na domačih mizah Apple II in Atari 800, v dirkalnike pa je McLaren pripeljal telemetrijo. Mikroračunalniki v dirkalniku so spremljali 14 podatkov o trenutnem stanju vozila, s čimer je bilo mogoče kasneje analizirati dogajanje.

Omejitve simulacij CFD

Formula 1 je znana po natančnih predpisih in številnih omejitvah, med katerimi ne manjkajo niti določbe glede rabe računalnikov. V obdobju, ko testiranje ni dovoljeno, ne smejo poganjati niti simulacij CFD (computational fluid dynamics) na superračunalnikih. V pravilih je natančno opredeljeno, kaj so omejene simulacije CFD (kadar gre za aerodinamiko), kaj so simulacije CFD dogajanja v motorju in kaj so neomejene simulacije CFD (za optimizacijo metodologije na vsaj 30 mesecev starih geometrijah brez kasnejših sprememb).

Simulacija CFD se sme poganjati le na pri FIA priglašenih sistemih. Pravila na primer celo natančno popisujejo uporabo funkcije AVX v procesorjih Sandybridge in Ivybridge, razliko med dvojno in enojno natančnostjo pri zapisu števil s plavajočo vejico in kako se izračuna računska moč takega računalnika. Eno jedro Sandy Bridge brez AVX šteje kot 4 operacije s plavajočo vejico na sekundo (flops), z AVX pa kot 8 flops.

V nadaljevanju pravila opisujejo, kako se določi, koliko računskega časa smejo ekipe porabiti za simulacije CFD. Določena je zgornja meja za testiranje (25 ur vetrovnika na teden), ki zajema CFD in dejanske teste v vetrovniku. Razdelitev med obe možnosti je prepuščena moštvu – več CFD, manj vetrovnika in nasprotno. Ekipe morajo po vsakem osemtedenskem obdobju za testiranje posredovati zapisnike (log files) o izrabi svojih računalnikov.

Teste v vetrovnikih čedalje bolj nadomeščajo simulacije CFD. Slika: Renault Sport Formula One Team/ArsTechnica.

Na veliko pa so računalniki v svet Formule 1 vstopili v 80. letih, ko so postali dovolj majhni in zmogljivi, da so bili uporabni. Vse več moštev je uporabljajo čedalje kompleksnejše sisteme za nadzor posameznih vidikov vozila, a so bili lokalni. Povezave z boksi niso imeli, zato so lahko inženirji šele po postanku pretočili podatke iz računalnikov. Prvi sistemi so hranili le podatke enega kroga, kasneje pa se je zmogljivost povečala.

Poleg telemetrije so računalniki na primer začenjali nadzorovati vbrizg in vžig goriva, s čimer so zmanjšali porabo goriva (v drugi polovici 80. let je bila količina goriva za dirko omejena, dolivanje pa prepovedano), povečali so moč motorja in podaljšali vzdržljivost. Leta 1985 je voznik na armaturno ploščo dobil elektronski podatek o količini preostalega goriva.

Konec 80. let so dirkalniki začeli prenašati podatke v bokse tudi brezžično. Povezava je bila daleč od današnjih 3G ali Wi-Fi; ko je dirkalnik peljal po startni ravnini mimo garaž, je prek radijske povezave poslal telemetrijo inženirjem.

Šele v 90. letih je računalnik dobil popoln primat v motošportu in ga do danes ni izpustil. Tedaj so dirkalniki dobili tehnologije, izmed katerih številne uporabljajo tudi osebni avtomobili. Dirkalniki so dobili aktivno vzmetenje (preizkušali so ga že desetletje prej, a šele leta 1992 je zaživelo pri Williamsu), servovolane, pomoč pri zaviranju, sisteme proti zdrsavanju pogonskih koles in kopico senzorjev, ki so detajlno popisoval telemetrijo, inženirji v laboratorijih pa so jo secirali. Vse to so krmilili računalniki.

Elektronska pomagala so imela pestro zgodovino, saj so v različnih trenutkih pravila prepovedovala različne tehnologije. V Formuli 1 sta bila namreč vedno dva tabora. Člani prvega so želeli, da je Formula 1 znanilec vseh prihajajočih novosti in tehnološko najnaprednejše avtomobilistično tekmovanje, drugi tabor pa je zagovarjal znižanje hitrosti, zmanjševanje vpliva tehnologije na rovaš večjega vpliva sposobnosti dirkačev in s tem zaviranje tehnologije. Toda razvoj so lahko le upočasnili, niso pa ga mogli ustaviti.

Virusi niso neznanka

Čedalje več računalnikov pa predstavlja tudi čedalje večjo nevarnost, da gre kaj narobe. Ekipi Marussii je leta 2014 na testiranjih pred začetkom sezone v Bahrajnu v štirih predvidenih dneh uspelo odpeljati le 29 krogov. En dan se je dirkalnik ustavil po vsega treh krogih.

Razlog je bil trojanski konj, ki ga je nekdo izmed zaposlenih pomotoma prenesel v svoj računalnikih v boksu. To je ekipo stalo skoraj ves dan testiranja. Težavo so kasneje odpravili, a so skupno odpeljali bistveno manj krogov od pričakovanj. Virus ni bil edini razlog, saj so imeli še druge računalniške težave s senzorji, kar dodatno kaže, da so moderne Formule računalniki na štirih kolesih.

Danes je Formula 1 visokotehnološki šport, kjer imajo najbogatejši na voljo najzmogljivejše računalnike in najpametnejše ljudi. Oblaki, »big data«, strojno učenje in simulacije so sestavni del visokooktanske karavane.

Superračunalniki

Zgodba s superračunalniki v Formuli 1 je podobna, kot so bile uvedbe vseh drugih novosti. Neko moštvo je našlo področje, ki ni bilo precizno regulirano, zato je pravila interpretiralo po svoje. Kmalu so sledila še druga moštva, nato pa se je FIA zganila in področje natančno uredila. Cikel se je nato ponovil.

Pred približno desetimi leti so se moštva začela namesto k vetrovnikom zatekati k računalniškim simulacijam CFD (computational fluid dynamics). Tedaj ni bilo omejitev niti glede uporabe vetrovnikov niti glede računske moči. Bogate ekipe so lahko vsako leto podvojile računsko moč, s tem pa so imele bistveno prednost pred manjšimi. FIA je zato kmalu uvedla omejitve.

Oglejmo si primer. Renaultova ekipa je lani postavila superračunalnik z 18.000 jedri, ki ima dva tisoč procesorjev Intel Xeon. Pravila določajo, da lahko moštva uporabljajo največ 25 teraflopsov v dvojni natančnosti in ne smejo uporabljati grafičnih procesorjev (pravilo je očitno ostanek nekih drugih časov). V pravilih je določeno, kako se za potrebe pravil izračuna hitrost posameznega jedra, zato moštva iščejo različne optimizacije, ki niso del te enačbe. Hiter pomnilnik ali hiter vzporedni dostop do diskov (ki ne odžira ciklov za pisalno-bralne operacije) je primer, kako pospešiti računalnik, pri tem pa nominalno še vedno ostati pod mejo 25 teraflopsov.

Zanimivo, da je regulirano le računalniško preizkušanje aerodinamike, drugi vidiki pa ne. Pri oblikovanju avtomobilskih delov (CAD), njihovi izdelavi (CAM) in simulacijah njihovega delovanja v motorju ni nobenih omejitev. Uporablja se lahko karkoli in kadarkoli.

In včasih to pomeni, da se dolgo časa obdrži kak zastarel, nepraktičen kos programske opreme. V Renaultu so še nedavno uporabljali 77.000 vrstic veliko Excelovo preglednico, v kateri so bili vsi sestavni deli dirkalnika, šele zdaj so prestopili na Dynamics 365 v oblaku.

Ključna je komunikacija. Še pred dvajsetimi leti so imeli v boksih prenosnik s kartico PCMCIA za povezavo z internetom prek ISDN. Nekatere ekipe so imele več povezav, a to kljub vsemu ni zadoščalo za nič drugega kakor brskanje po internetu in pošiljanje pošte. Danes so povezave 100 Mb/s.

Večje ekipe imajo tudi tisoč zaposlenih. Izmed njih jih sme biti v boksih največ 60. Večina je torej na sedežu, do tja pa imajo hitre širokopasovne povezave z vsakega dirkališča. Tu kakšnih omejitev o količini prenesenih podatkov ni, zato se veliko odločitev med dirko sprejema v tisoče kilometrov oddaljenih pisarnah.

Telemetrija z vozil pa je strogo regulirana. Nekaj sto senzorjev na dirkalniku si mora za komunikacijo z boksi deliti povezavo, ki je omejena na 2 Mb/s in je enosmerna. V drugo smer, torej do dirkalnika, pa prispejo le besede, ki jih po radijski povezavi posluša voznik. Oddaljeno krmiljenje in nastavitve dirkalnikov so trenutno preveč tudi za najbolj goreče zagovornike tehnologije. Računalnik v dirkalniku (ECU) lahko sprejema podatke nekoliko hitreje (10 Mb/s), a imajo moštva do njih dostop šele po dirki.

Ko povezava pade

Na lanski veliki nagradi Azerbajdžana so imele ekipe nemalo težav, ki jih gledalci niso opazili. Visok tovornjak je med vožnjo pretrgal optični kabel, ki je skrbel za povezavo moštev na dirkališču s svojimi štabi v domačih državah.

Franz Tost iz ekipe Scuderia Toro Rosso je za Business Insider povedal, da med dirkami od 15 do 17 inženirjev spremlja vsako ped avtomobila iz Faenze v Italiji. Tam analizirajo obrabo materiala in nadzorujejo potek dirke. Ko se je povezava prekinila, so lahko le nemočno poklicali v Baku: kdaj bodo podatki? Vsak konec tedna jih dobijo skoraj terabajt in jih trajno shranijo.

In obdelava teh podatkov je eno izmed še nereguliranih področjih. Moštva lahko po dirki z njimi počno, ker želijo. Renault že preizkuša, kako se obnese strojno učenje AML (Azure Machine Learning). Tako želijo postaviti dober model za izrabo pnevmatik, ki ga potem uporabljajo v simulatorjih. To je le en primer, saj to in še kaj drugega analizirajo tudi druge ekipe, a nihče ni ravno zgovoren.

Senzorji

Na veliki nagradi Brazilije, ki je bila zadnja dirka v sezoni 2012, je Sebastian Vettel potreboval uvrstitev na stopničke, da bi si zagotovil zmago v skupnem seštevku. Že v četrtem zavoju prvega kroga se je zapletlo, ko ga je oplazil Brunno Senna, da se je Vettel zavrtel in trčil s Sergiom Pérezom. V boksih so se spogledali: je konec? Dirkalnik se je še peljal, toda nihče ni vedel, ali bo zdržal vso dirko. Inženirji so začeli mrzlično tipkati po terminalih. Pregledali so telemetrijo z avtomobila in še pred koncem kroga natančno poznali obseg škode na dirkalniku. Ni bil več uravnotežen, a je bil vozen. V naslednjih desetih krogih so pognali simulacije in ugotovili, kako spet uravnotežiti dirkalnik in kako spremeniti strategijo, da bo Vettel dosegel dovolj točk. Vettel je po 10 krogih zapeljal v bokse, kjer so mu zakrpali dirkalnik. Vettel je na koncu končal na šestem mestu – dirka je bila zaradi dežja in nesreč tudi v nadaljevanju polna preobratov – in ker najbližji zasledovalec Fernando Alonso ni dobil dirke, je Vettel postal svetovni prvak.

Toda kako je inženirjem uspelo tako hitro ugotoviti obseg škode in pripraviti strategijo? Odgovor so podatki. Veliko podatkov. Na dirkalnikih kar mrgoli elektronike. Na modernih najdemo tudi do dvesto senzorjev, ki zapisujejo informacije o skorajda vsakem delu vozila. Samo v motorju jih je kakšnih petdeset, ki spremljajo temperature, tlak, časovne zamike in podobno. Potem jih je še nekajkrat toliko drugod, kjer merijo zračni tlak, zračni pretok, temperature gum in zavor, pritisk itd. Vse podatke sproti dobivajo tehniki v boksih, prenašajo pa se tudi na sedeže ekipe, kjer jih spremljajo inženirji, da lahko svetujejo tudi na daljavo.

Dirkači pogosto pravijo, da dirkajo po občutku. Inženirji pa dodajo, da je to mogoče, ker dirkači pač le – dirkajo. Prilagajanje zakrilc, nastavitve in tlak v pnevmatikah, spremembe podvozja, amortizerji ipd. pa se vsi nastavljajo glede na podatke iz senzorjev. Tu ni več prostora za občutek.

Telemetrija z dirkalnika prikazuje frekvenco vrtenja motorja (1), hitrost dirkalnika (2), pospešek (3), prestavo (4), plin (5) in zavore (6). Slika: Carol McDonald, MapR Technologies.

Tudi telekomunikacijski giganti so pomemben del motošporta, je za ZDNet pojasnila Zoe Chilton iz moštva Aston Martin Red Bull. Njihov partner je AT&T, ki poskrbi, da na dirkaški konec tedna pravočasno prenesejo okrog pol terabajta podatkov na sedež v Veliko Britanijo. Ključni del je povezava SD-WAN, ki zagotavlja zanesljivo komunikacijo med inženirji na dirki in tistimi doma. Pogosto morajo sprejemati odločitve v nekaj sekundah. Ali voznika poslati v bokse ali iti še en korak po stezi? Zakasnitev pri prenosu podatkov iz Melbourna v Avstraliji do sedeža v Veliki Britaniji je 300 milisekund, drugod pa je še krajša. To ni luksuz, to je nuja, če želijo biti konkurenčni. AT&T tako prispe na dirkališče že več tednov pred dirko, da postavijo vso potrebno infrastrukturo za nemoten prenos podatkov.

Dirkanje ni več po občutku, temveč po podatkih, je slikovito dejal vodja Mercedesovega moštva Toto Wolff. Odločitve tudi med dirko sprejemajo glede na podatke s senzorjev. Pri tem ni dovolj zgolj nabrati podatke s tisoč senzorjev, temveč jih je treba znati analizirati.

Strežniki na dirkališčih

Zato prihajajo zmogljivi strežniki tudi v bokse na dirkališča. Ekipa Red Bull na primer na vsakem prizorišču postavi svoje strežnike in manjši podatkovni center, da obdeluje vse podatke z avtomobila. Chiltonova je dejala, da gre za strežnike HPE SimpliVity. Druge ekipe uporabljajo kaj drugega, a to ni pomembno. Ti strežniki rabijo za obdelavo in skladiščenje podatkov, dokler jih ne pospravijo na trajnejše mesto. Z IBM-ovo programsko opremo in Citrixovim VDI (Virtual Desktop Infrastructure) postavijo virtualne računalnike s strežniki v tovarnah, do katerih imajo dostop neposredno iz boksov.

Eden redkih posnetkov strežnikov v boksih je Red Bullov sistem z dirke v Sočiju leta 2015. Slika: Sky

Predvidevali bi, da med dirko računsko moč uporabljajo za simulacijo nastavitev dirkalnika. Toda to ni vse. Ves čas se preračunavajo tudi mogoči razpleti dirke glede na vožnjo vseh drugih tekmovalcev – tudi do 20.000 možnosti na dirko. Na podlagi teh simulacij se postavlja strategija, kdaj v bokse, kdaj zamenjati pnevmatike, kdaj dotočiti gorivo itd. Časi, ko je Jean Todt iz izkušenj ocenil, kdaj bi Schumacherja poslal v bokse, so mimo. Moštva danes trajanje postanka s sekundno natančnostjo izračunajo vnaprej.

Pomen računalnikov se bo večal

Zajemanje podatkov z dirkalnika je rešen problem, saj več sto senzorjev v eni dirki ustvari več sto gigabajtov podatkov. Glavni izziv je obdelava teh podatkov. V prihodnosti bo v Formuli ena zrasla pomembnost obdelave velikih količin podatkov (big data), kjer se pričakuje uporaba strojnega učenja (machine learning), superračunalnikov, storitev v oblaku. Ker je to početje težko nadzorovati, ga FIA najbrž pragmatično ne bo strogo regulirala.

Razumevanje gore teh podatkov pa ne bo pomagalo le pri izboljševanju dirkalnikov, temveč tudi pri izdelavi še bolj realističnih simulatorjev, virtualni resničnosti in organizaciji realističnih e-športnih tekmovanj v Formuli ena. Uradna serija Formula 1 E-Sports je letos začela drugo sezono, v njej pa bodo sodelovale tudi uradne ekipe iz bencinske različice.