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[F1專欄]超級電腦將成F1賽事要角 |
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| 記者/Hunter Hsu |
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空氣動力學對F1比賽車輛的重要性早已不亞於引擎和傳動系統，但先進的風洞設備不但建構成本高昂、使用成本也讓中小型隊伍吃不銷，在FIA積極推動F1賽事降低比賽費用的大方向下，預料未來實體風洞在F1賽壇的發揮空間將越來越小。剛成立的幾支F1新軍看準了這個發展潮流，決定大力發展計算流體力學技術，隨著超級電腦的成本繼續降低，電腦取代實體風洞的那一天不會太遠！
 | | | 風洞模型的尺寸大小與否與最終測試結果的可信度有很大關連。 |
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在1960年代以前的F1比賽中，車輛科技水準的高低對比賽結果的影響並不大：只要擁有 (買到) 一顆馬力不算小而且性能穩定的引擎，搭配上通常是車手親自設計的車身、一台F1的參賽車輛就這麼誕生了！在那個年代比賽勝利與否的關鍵在車手本身、各名次之間的差距也很小！以1969年Jackie Stewart拿下世界冠軍的Monza站GP大賽為例：第一到第四名的差距分別為0.08、0.09、0.02秒 (總和只有0.19秒、真難為了裁判)。風洞 (Wind Tunnel)？？那是設計戰鬥機用的玩意、當時的賽車人聽都沒聽過。
但隨著1978年的Lotus車隊與1979年的Ferrari車隊就率先應用了地面效應 (Ground Effect) 原理後，空氣動力學對於F1賽車性能的影響日漸加大。上個世紀80年代後期至90年代初期是各式各樣高科技進入F1比賽的高峰期，當時新上任的FIA主席Mosley似乎也鼓勵各車隊使用這些裝置。以1993年車手Alain Prost那輛替他拿下第四座世界冠軍的FW15賽車 (Williams車隊) 來作為範例，7年前 (80年代中期) 利用風洞進行車身的初期設計已經是所有車隊的基本程序、再加上利用電腦進行的Computational Fluid Dynamic運算，如此可以精確地預測出流經車身附近任何一處的空氣性質。
車身內則裝置了ABS (防鎖死煞車系統，使煞車鎖死輪胎的機會降到最低)、TCS (尋跡控制系統，防止後輪發生Spin的現象、使車輛能在彎道中展現100％的加速性能) 與Active Ride System (主動懸吊系統，讓車輛在任何時刻都可以保持與地面相同的高度、這可以發揮最佳的空力性能) 這三大系統，更不要提全自動的變速箱與可程式化的輔助煞車系統！此時一位車手與一位電腦操作員已經沒有太大的差別。1990年代開始，F1車隊開始投入大量金錢於全比例風洞設備，頂級勁旅更擁有不只一座風洞進行24小時全天候運轉，希望能比競爭對手更快推出效率更佳的空力套件，當時的F1賽事實質上已成為各隊科技團隊的競技場。
然而大量使用風洞設備的代價亦不低，頂級風洞的造價都超過一億英鎊，收購二手設備或興建小型風洞的成本也在3,000~4,000萬英鎊左右。這還沒有算上24小時不停機的營運及員工成本。許多人開始研究是否有風洞實驗的替代品？1970年代崛起的半導體科技大幅改變了我們的生活，模擬 (Simulation、指建立數學模型、透過數學運算仿效真實情況) 技術的應用因此更加廣泛，在F1世界也不例外。CFD科技就是一例：工程師嘗試利用數值方法解出流體力學Navier-Stoke方程式 (流體力學的最高指導原則) 已經有將近100年的歷史，這被稱之為「虛擬風洞」或是「攜帶式風洞」的技術在理論上可以提供和真實風洞一樣的效果 (甚至更精確)，卻不必進行打造模型或是養一大堆技師這些複雜手續，假設最近吵的轟轟烈烈的奈米技術可以繼續前進、電腦晶片界的「摩爾定律」速度不會減慢，20年後所有的風洞都可以退休。
 | | | 對於特殊區域的空氣動力效率測試，CFD較傳統風洞擁有不少優勢。 |
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CFD技術還有許多發展潛力：風洞技術在近幾年雖然取得了穩定的進步，但真實賽車必須在幾個不同的維度上轉動，車隊仍然不能在風洞內模擬賽車在轉彎時所受到的真實狀況。這就意味著完全理解空力套件和輪胎在過彎的過程，以及對車輛的空力效率的影響是很難達到的目標，加上還要考慮氣候和風力的影響以及賽車轉彎時滑動的現象會影響車身周圍氣流的變化。而CFD可用來計算出車輛上某一部分對另一部分所產生的影響，例如前翼的改變會如何影響？車碟盤冷卻裝置，或者車手的頭盔會如何阻擋流入引擎的氣流。電腦能夠有效預測空氣和流體運動的溫度，而這對於冷卻裝置的位置與性能和設要求來說非常重要。
過去超級電腦因為成本太高只能應用於國防用途，例如軍方用超級電腦模擬核武試爆的效能，或者推算戰鬥機在各種氣流中所遭受的壓力，但隨著硬體成本降低，軟體整合數萬顆處理器的能力提高，相關應用開始走入民間。以搜索引擎龍頭Google為例，該公司擁有的超級電腦平均每秒要處理一萬筆搜尋 (一天要處理超過8億6000萬筆搜尋)，這台電腦還免費供應Google用戶使用2.5G的電子信箱空間 (目前已有超過5000萬戶申請)。為了放置這台世界上最強大的「超級電腦」 (High Performance Technical Computer) 及解決相關的散熱問題，Google另蓋了一座四層樓高的冷卻塔。根據國際數據資訊 (IDC) 估計，2009年超級電腦的出貨量是三年前的2.2倍；而隨著出貨量的成長，超級電腦平均單價也持續下滑，今年超級電腦的平均單價約為4萬2000美元，僅為三年前售價的66％。
 | | | 2007年BMW-Sauber車隊啟用的「Albert 2」超級電腦由512個Intel雙核處理器提供動力。 |
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隨著超級電腦的運算能力不斷提升，成本卻快速降低，過去被視為不可能即時完成的運算任務現在都已成為現實。CFD技術進入F1賽壇的起始可源自1990年代，但受限於當時電腦運算速度、僅能簡單分析車身各部為的空氣壓力，1992年首次出現可處理達到6萬個網格 (mesh cell) 的系統，3年後可處理的網格數進步至1百萬個。2003年Sauber車隊推出的「Albert 1」超級電腦可處理超過3000萬個網格。2007年BMW-Sauber車隊啟用的「Albert 2」超級電腦由512個Intel雙核處理器提供動力。它從理論成為現實是由於在過去幾年裏電腦性能的飛快進步。它的計算能力是Albert 1的五倍，計算速度也快三倍，它每秒能夠進行12,288,000,000,000次運算，單一模擬任務可處理達到1億個網格 (mesh cell)。Albert 2被認為是當時歐洲工業用途的計算能力最強的電腦，世界排名則是第三名。如果包括全球軍事和特殊研究的電腦進行排位，Albert 2仍然可以排到第60位。這對於一款「僅」10米長的超級電腦來說已經非常優秀。
 | | | BMW Sauber車隊空氣動力總監Willem Toet卻認為第二座風洞絕對是時間和金錢的浪費。 |
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最近剛易主的BMW-Sauber車隊是第一支將CFD列為發展重點的F1比賽隊伍，當對手們將所有資源投入興建最先進風洞設備時，BMW Sauber車隊空氣動力總監Willem Toet卻認為第二座風洞絕對是時間和金錢的浪費。明年即將參加F1賽事的Virgin車隊科技總監Nick Wirth也抱著相同看法，過去他在設計ALMS系列賽比賽車輛時已證明了CFD技術的潛力：「Acura賽車的奇跡的背後正是電腦模擬和CFD技術，我們選擇CFD是因為它便宜而高效。在資金有限的情況下，這項技術相比其他技術而言是最佳的空氣動力學解決方案」。長期來看，投入資源在CFD電腦模擬技術可謂明智之舉，FIA極力希望減少F1車隊預算，實現減少預算的一個方法就是限制F1車隊的風洞使用時間，隨著超級電腦搭配雲端技術，未來整支F1車隊的空氣動力學實驗設備裝在一只手提袋內也絕非痴人說夢。
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