Введение
Компания AMD является спонсором “Феррари” и технологическим партнёром команды Sauber, поэтому она пригласила нашу редакцию на американский Гран-при в Индианаполисе (Formula 1 US Grand Prix), который проходил несколько недель назад. Так как гонки “Формулы 1” (F1) являются воплощением технического совершенства и настоящим праздником для энтузиастов, мы не смогли их пропустить.
Если вы не никогда слышали о “Формуле 1”, поясним: эти гонки являются самыми престижными в мире (американцы думают несколько иначе, предпочитая Nascar и Indycar). В гонках F1 участвуют десять команд и крупнейшие производители двигателей/машин, создающих самые быстрые и совершенные гоночные болиды. По итогам ежегодного чемпионата присуждается звание победителя как среди гонщиков, так и среди производителей.
Гонка Formula 1 US Grand Prix 2005 собрала более 150 000 зрителей.
В отличие от гонок Indy Racing League (IRL), в “Формуле 1” участвуют более подготовленные команды, да и формула открытая. Менее строгие правила и ограничения быстро привели к повышению бюджетов и поистине захватывающим технологиям, использующимся в машинах. “Формула 1” представляет собой не только состязание мастерства гонщиков, но и битву инженеров. Некоторые технологии “Формулы 1” затем переходят в обычные автомобили.
Производители машин и двигателей, а особенно спонсоры команд, вкладывают просто немыслимые деньги в “Формулу 1”. Приведём один пример: на команду Panasonic-Toyota уходит более $500 миллионов в год. Успех в соревновании используется в рекламных целях и немало поднимает имидж производителя машин. К примеру, большая часть репутации “Феррари” как производителя эксклюзивных спортивных машин была заработана именно благодаря победам в F1. Позднее компании BMW, “Мерседес”, “Ягуар” и “Тойота” перенесли свои достижения в F1 на массовые линейки автомобилей.
Два гоночных болида “Феррари F1” около гаража команды во время практики.
В нашей статье мы эксклюзивно заглянем за кулисы гонки, а также расскажем о жизни одной из самых известных команд. Как технологии влияют на успех соревнования?
Основа: дизайн болида и спецификации
На первый взгляд, размеры и спецификации болидов F1 напоминают машины Indy. В обоих линейках машины строятся по дизайну с открытым рулём и используют двигатели, которые сегодня ограничены максимальным объёмом 3,0 литра (V8 в IRL, V10 в F1). Двигатели Indy ограничены 10 000 об/мин и дают около 700 лошадиных сил. Машины F1 не имеют такого ограничения, поэтому их двигатели достигают 20 000 об/мин и 950 л.с.
Рубенс Баррикелло (Rubens Barrichello) в гонках Ferrari F2005.
По правилам болиды F1 должны весить не менее 600 кг. Без водителя и топлива вес машины обычно составляет около 480 кг. Подобные спецификации приводят к впечатляющим параметрам – ускорение от 0 до 100 км/ч обычно достигается за 1,8 с, а до 200 км/ч – менее чем за 4 секунды. Максимальная скорость современных болидов F1 составляет около 400 км/ч. Даже владельцы Ferrari Enzo – одной из самых быстрых машин – покрываются гусиной кожей, наблюдая за болидами F1.
Жак Вильнёв (Jacques Villeneuve) в Sauber C24.
Двигатели Sauber C24 для сезона 2005 были поставлены “Феррари” за $20 миллионов. 3-литровый V10 даёт около 920 л.с.
Разработкой болидов F1 занимаются компьютеры
Для команд IRL шансы победить уравнены, поскольку все болиды используют стандартный корпус от Dallara и Panoz, а также стандартные двигатели от Chevrolet, Honda и Toyota. Что же касается команд F1, то они каждый год тратят миллионы долларов на разработку шасси и покупку двигателей. Это объясняет разницу в мощности машин, в форме корпуса и технологиях, использующихся для улучшения мощности, обслуживания и связи.
Каждая команда F1 постоянно занимается улучшением аэродинамики корпуса и двигателей. Во время сезона изменения в болид не вносятся, но разработка модели для следующего сезона начинается не меньше, чем за год до выпуска. Перед тем, как болид в первый раз выйдет на тестовую трассу, новая машина бывает закончена процентов на 90, причём все компоненты (и машина в целом) тщательно протестированы через компьютерную симуляцию.
По информации Вилли Рампфа (Willy Rampf), технического директора швейцарской команды Sauber, команды F1 сегодня используют вычислительную гидрогазодинамику (CFD), поскольку она позволяет экономить время и затраты. Компания недавно закупила суперкомпьютер на 540 процессорах AMD под названием “Albert” (в честь Альберта Эйнштейна), который занимается анализом результатов тестов в аэродинамической трубе и разработкой определённых частей машины, типа передних и задних крыльев, а также тормозной системы. “Только на одну разработку системы охлаждения тормозов могут уйти сотни тысяч долларов, – сказал Рампф. – Проблема заключается в том, что тормозные диски могут выдержать температуру 1000 градусов Цельсия, но суцпорт – только 200 градусов. Симуляция помогает проверить, насколько хорошо тормоза справятся с трассой типа Монреаля, где на тормозную систему налагается максимально возможная нагрузка. Albert дал примерно в 20 раз большую вычислительную мощность, чем предыдущая система.” Комплект тормозов стоит около $10 000. А на один сезон требуется 90 комплектов – считайте сами.
Передняя тормозная система “Феррари F2005”.
Торможение с 320 до 50 км/ч на дистанции 50 метров может легко сжечь тормозные диски. Болид Renault F1 входит в узкий поворот на трассе в Монреале (2005).
Разработкой болидов F1 занимаются компьютеры, продолжение
Хотя Рампф и отказался комментировать программное обеспечение Sauber в деталях, технический директор “Феррари” Дитер Гюндель (Dieter Gundel) сообщил нам, что количество данных, генерируемых F1, идеально подходит для 64-битной архитектуры. По сравнению с 220 работниками Sauber F1, в команде у “Феррари” работает более 1000 человек, причём всё программное обеспечение разрабатывается внутри компании. По информации Гюнделя, “Феррари” использует Windows и 64-битные приложения. Вряд ли стоит отдельно упоминать, что команда в полной мере задействует преимущества спонсорства AMD, получая доступ к самому передовому 64-битному “железу”.
Вили Рампф (Willy Rampf), технический директор команды Sauber F1.
Огромный штат команды “Феррари” и большой ежегодный бюджет в $350 миллионов позволяет “вылизать” практически любую деталь машины. Скажем, та же Sauber владеет аэродинамической трубой, однако персонал компании проводит только один тест в день, пять дней в неделю. “Феррари” же проводит три теста в день, 365 дней в году. Получаемые данные существенно помогают процессу разработки. Перед сборкой практически вся машина уже доступна на экране компьютера. “Машины F1 трудно разрабатывать с точки зрения аэродинамики”, – утверждает Гюндель. Реальное тестирование машины очень дорого: при этом не только требуется собрать машину, но и послать на трассу около 50 специалистов, а также вертолёт с медицинским персоналом на случай аварии. Именно поэтому “Феррари” отказалась от сборки машин без предварительной компьютерной симуляции.
Дитер Гюндель (Dieter Gundel), технический директор команды “Феррари F1”.
Цикл разработки перед каждым сезоном включает 19 различных машин – одна для каждой трассы.
Каждые несколько лет в F1 меняются ограничения, и, как правило, в сторону уменьшения мощности двигателя. К примеру, в 1986 болиды F1 использовали мощные двигатели примерно на 1350 л.с., но в последующие годы мощность была уменьшена с помощью разных механизмов, к примеру, аспирационного двигателя. В 1995 объём двигателя был уменьшен до 3 литров, в результате чего мощность уменьшилась до 700 л.с. Но, с помощью компьютеров, двигатели должны в этом году развить мощность до 1000 л.с. В следующем году, как ожидается, правила уменьшат объём двигателя до 2,4 литра V8, что даст мощность до 730 л.с.
Готовимся к гонке
Основные приготовления к гонке начались за несколько недель до события. Два производителя шин, Bridgestone и Michelin, взяли образцы асфальта и провели симуляцию нескольких видов резины для различных погодных условий.
Насколько критичен и важен анализ на ранней стадии, можно оценить по Индианаполису. Michelin и Bridgestone получили схожие результаты анализа, однако инженеры Michelin недооценили давление, которое должна выдержать задняя левая шина при скоростном повороте с повышением высоты. Компания решила использовать самые скоростные, но менее надёжные шины, в то время как Bridgestone выбрала более надёжные, которые на 0,3 секунды медленнее самых скоростных. Но, как выявила квалификация, Michelin ошиблась с выбором. Их шины смогли продержаться только 10 кругов, хотя трасса состояла из 73 кругов.
Так как ограничения F1 не позволяют менять шины во время трассы, а Michelin уже не успевала выпустить новые шины, семь из десяти команд и 14 из 20 машин не смогли участвовать. Поэтому 150 000 зрителей гонки Indy получили самый скучный заезд F1 за всю 55-летнюю историю.
Михаэль Шумахер (Michael Schumacher) за болидом.
До гонки всё выглядело обыденным. Три заезда практики позволяют командам подобрать правильные шины и сделать какие-либо незначительные модификации машины. По информации представителя Sauber, результаты в подобных заездах имеют второстепенное значение. В то же время, команды пытаются показать себя хорошо, чтобы удовлетворить интересам спонсоров. Ситуация становится серьёзнее за один день до гонки, во время квалификации, когда пилоты болидов соревнуются за стартовое положение, причём после квалификации нельзя вносить никаких изменений в болид – включая шины и топливо.
Готовимся к гонке, продолжение
“Феррари” готовят к практике в гараже.
Дитер Гюндель из “Феррари” сообщил, что к моменту поступления болида на трассу большая часть конфигурации уже выполнена. Хотя команды приносят с собой целые гаражи материалов (даже небольшая команда Sauber доставила 27 тонн материалов, используя транспортный Boeing 747), работы по настройке предстоит немного. “Когда мы приезжаем на трассу, мы уже прекрасно себе представляем конфигурацию болида. Обычно мы приезжаем с двумя вариантами конфигурации”, – сказал Гюндель. В этом большую роль играет симуляция, включая передние и задние крылья, которые специально создаются для конкретной трассы.
Гонщик Sauber Жак Вильнёв (Jacques Villeneuve) ожидает своей очереди на практику в гараже Sauber.
Команды Sauber и Ferrari сообщили нам, что они полностью доверяют компьютерной симуляции и анализу. “Общая конфигурация слишком сложна, чтобы вносить какие-либо личные ощущения, – объяснил Рампф. – Наша симуляция очень и очень близка к реальности”. И Гюндель соглашается: “Когда водитель приближается к повороту на скорости 300 км/ч, он верит в нас. Даже если он думает, что компьютер рассчитал неправильные данные, он будет делать то, что порекомендовал компьютер”.
Пит-стопы многократно отрабатываются командами. На иллюстрации показан реальный пит-стоп во время гонки в Индианаполисе.
Телеметрия – очень важный ИТ-элемент
Связь и наблюдение за болидом F1 (под названием “телеметрия”) в последние годы приобрели огромное значение. Датчики в болиде F1 непрерывно передают данные в гараж, что позволяет их отслеживать и анализировать. Гюндель подчеркнул важность этого этапа для всей системы: “Конечно, всё зависит от ситуации и окружения, и болид может вполне пройти гонку без телеметрии. Но мы бы не начали гонку, если бы телеметрия не работала”.
Центр телеметрии “Феррари” рядом с трассой.
Телеметрия вблизи: 30 компьютерных экранов отображают данные, полученные от двух гоночных болидов.
Данные, отсылаемые датчиками машины, всегда анализируются в реальном времени и показывают возможные изменения, которые следует внести в машину во время пит-стопа. К примеру, каждый болид Sauber использует 17 датчиков, за которыми следят пять системных инженеров, а также 20 ПК в отдалении от трассы. “Феррари” использует 150 датчиков, до 10-15 инженеров и 30 компьютеров телеметрии. Кроме того, “Феррари” устанавливает постоянную спутниковую связь с “виртуальным гаражом” в итальянском Маранелло (Maranello). Во время посещения гаража “Феррари” и станции телеметрии мы насчитали 52 компьютера, включая три лабораторных ПК, используемые Shell для анализа топлива. Впрочем, мы не учитывали многочисленные ноутбуки.
Телеметрия – очень важный ИТ-элемент, продолжение
По информации Гюнделя, ограничения F1 позволяют отсылать данные только в одном направлении – от машины к пит-стопу. Если бы была возможна обратная связь, то команда смогла бы вносить изменения “на лету”. Команда использует “от 1000 до 2000 каналов”, причём пропускная способность беспроводной связи позволяет получить “килосэмплы в секунду”, то есть множество тысяч данных в секунду. Каждую гонку команда получает “гигасэмплы данных” – миллиарды массивов данных на машину и трассу, которые необходимо анализировать в реальном времени. Именно здесь на помощь приходит 64-битное программное обеспечение. Как сказал Гюндель, “оно позволяет автоматизировать обработку мегасэмплов данных”.
Именно здесь данные собираются и анализируются: комната совещаний команды “Феррари”.
В телеметрии важную роль играет каждый сенсор, в том числе и самые необычные (по крайней мере, для рядовых водителей), которые располагаются внутри шин, и те, которые отслеживают работу аэродинамических частей. Как нам сказал Рампф, команды F1 используют датчики, размещаемые внутри внутренней стенки шин, которые регистрируют не только давление воздуха и температуру, но ещё и оставшийся слой протектора и температуру асфальта.
Кроме того, измеряется и прижимающее усилие автомобиля. “Мы знаем, как каждый элемент влияет на прижимающее усилие болида. Если в прижимающем усилии произошли изменения, мы сможем определить, какая часть работает не так, как нужно. Точно так же, если произойдёт любая малейшая неприятность, датчики скажут нам, какую часть придётся заменить”, – объяснил Рампф. “Феррари” отказалась предоставить детальную информацию о датчиках.
Руль F1 – вы ещё жалуетесь на переполненную приборную панель?
По мере того, как в наши машины проникает всё больше электронных “игрушек”, у водителей начинают возникать претензии по поводу переполненной приборной панели. Как считают многие водители, подобное чрезмерное заполнение приборной панели отвлекает их и на высокой скорости заставляет искать нужную клавишу среди сотен других.
А теперь представьте: все клавиши приборной панели были перенесены в центр рулевого колеса. При этом вы находитесь в тесной кабине, на вас надеты огнеупорный комбинезон, шлем и очки. И, конечно, вам приходится разбираться со всем этим управлением на скорости не в 100 км/ч, а все – 350 км/ч.
Руль Sauber C24 спереди…
…и сзади. Отчётливо видны большие рукоятки сцепления и коробки передач.
Каждая команда в F1 использует рули собственной разработки. Они обладают многими сходствами: рули съёмные, изготовлены из угольного волокна и используют компьютер, близкий к КПК. К примеру, у “Феррари” используется один из самых сложных рулей – он содержит 26 разных клавиш и переключателей, а также дисплей. Руль Sauber имеет “всего” 18 клавиш и переключателей. Команды отказались сообщить цену рулей, но представитель Sauber всё же добавил: “На эти деньги можно купить небольшой “Мерседес”.
Руль F1 – вы ещё жалуетесь на переполненную приборную панель?, продолжение
Как вы можете представить, функции, к которым имеет доступ пилот болида F1, намного сложнее тех, которые присутствуют в стандартных спортивных моделях. И это несмотря на то, что в high-end машинах сегодня используется до 70 микропроцессоров, а в машине F1 – всего от 10 до 15. Михаэль Шумахер, один из двух пилотов “Феррари F1” и семикратный чемпион мира F1, выделил немного времени, чтобы рассказать нам про руль болида.
На руле есть несколько простейших клавиш, например, клавиша “drink” (пить), которая выдвигает трубку для питья, встроенную в комбинезон. Другие – рукоятки для сцепления и коробки передач, для ускорения и ограничения оборотов двигателя, для аварийного выключения двигателя, торможения двигателям, для регулировки дифференциала, тягового усилия, конфигурации крыльев и проскальзывания колёс. Уникальной для “Феррари” является клавиша “overboost”, которая обеспечивает кратковременное дополнительное ускорение, к примеру, во время обгона другой машины. Конечно же, руль использует систему “drive-by-wire”, то есть он физически не подключён к машине, а передаёт всю рулевую информацию через компьютер.
Руль “Феррари” очень сложен – все его функции в деталях пояснил гонщик…
…Михаэль Шумахер.
Преимущество болидов F1 заключается и в функции “памяти”, которую используют большинство команд. Как объяснил Саубер Рампф, гонщик может сохранить сложные настройки машины, включая дифференциал, регулировку тягового усилия, торможение двигателем, а также регулировки крыла для каждого поворота трассы. Как только настройки будут сохранены, датчики в машине распознают, какой поворот будет следующим. Электроника отслеживает множество данных типа уровня “G”, которые позволяют определить нужный поворот и внести в конфигурацию машины соответствующие настройки.
Что касается трассы в Индианаполисе, то на ней присутствует 13 поворотов, что теоретически приводит к 13 конфигурациям каждой машины. “Вы можете вдавить педаль газа в дно машины, но болид и не подумает сойти с трассы, поскольку скорость будет автоматически регулироваться через торможение двигателем”, – пояснил Рампф. Просто торжество технологии!
Заключение
Немало зная о спортивных машинах и следя за каждым соревнованием F1, я был глубоко удивлён огромной ролью информационных технологий в гонках F1. В то же время, мы не перестаём высоко оценивать мастерство пилотов – оно продолжает играть весомую роль.
Sauber и “Феррари” признают, что роль гонщиков очень важна, и они должны быть “на ты” с машиной. К примеру, как упомянул Рампф, гонщик F1 испытывает немалые физические нагрузки: ускорение превышает 5G во время торможения и 4G на поворотах. Кроме того, водителю по-прежнему приходится управлять торможением. Конечно же, пилоты болидов F1, как и другие гонщики, рискуют своей жизнью на каждой трассе, несмотря на все вовлечённые технологии. Способности и навыки гонщика продолжают в огромной степени влиять на исход состязания, хотя, наверное, уже не так сильно, как десять или двадцать лет тому назад.
Конечно же, AMD очень гордится ролью спонсора и оснащает команду “Феррари” своими самыми передовыми продуктами. Сложно сказать, в какой мере AMD и продукты компании влияют на успех “Феррари”. В тоже время, мы обнаружили логотип “Intel” на задних крыльях двух болидов “Тойота”, причём на том же самом месте, где находится логотип AMD на машинах “Феррари”. Хотя “Тойота” в этом году показала себя очень хорошо, она отстаёт от “Феррари” в состязании производителей. Мы не будем делать вывод, что чипы AMD намного лучше Intel, но у нас на руках есть, по крайней мере, один пример, когда техасский производитель смог обойти Intel в маркетинге. И мы имеем в виду не только Индианаполис, где “Феррари” AMD победила в гонке шести машин, когда “Тойота” Intel так и осталась на пит-стопе из-за провальных шин Michelin.
AMD и Intel вновь состязаются между собой, но на этот раз в “Формуле 1”. По крайней мере, сегодня AMD спонсирует “Феррари”, которая обошла…
…спонсируемые Intel болиды “Тойота”. Обратите внимание, что логотипы компаний расположены на одних и тех же местах болидов.
Мы выражаем благодарность Ларе Родини (Lara Rodini) и Тревису Булларду (Travis Bullard) от AMD за помощь в создании этой статьи. Конечно же, мы благодарим команды “Феррари” и Sauber, которые смогли ответить на наши вопросы и помогли приобщиться к гонкам F1.
