Physik Olympiade 2014
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- Felix Eberhardt
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1 Physik Olympiade 2014 Rechenpower und Massen von Daten in der Physik - Gestern und Heute - Dr. Volker Gülzow IT-Gruppe Hamburg, den 27. April 2014
2 Volker Gülzow IPhO Seite 2
3 Da erhält man als erste Antwort... Volker Gülzow IPhO Seite 3
4 Volker Gülzow IPhO Seite 4
5 Das ist falsch! Volker Gülzow IPhO Seite 5
6 Volker Gülzow IPhO Seite 6
7 Volker Gülzow IPhO Seite 7
8 Volker Gülzow IPhO Seite 8
9 Bild: Germanischer Lloyd Volker Gülzow IPhO Seite 9
10 Volker Gülzow IPhO Seite 10
11 Ein Beispiel aus der Klimaforschung (M.Böttinger et al, DKRZ, Hamburg) Volker Gülzow IPhO Seite 11
12 Und hinter allem steckt Physik! Volker Gülzow IPhO Seite 12
13 Die Beobachtung > Galileo Galilei ( ): erste brauchbare Teleskop für die Astronomie Volker Gülzow IPhO Seite 13
14 Die Theorie Volker Gülzow IPhO Seite 14
15 Das Experiment: Teilchenphysik gestern: Das Microskop space resolution microskope: Micrometer (10-6 m) Volker Gülzow IPhO Seite 15
16 DESY: Theorie und Experiment Großforschungseinrichtung des Bundes Ca Mitarbeiter/innen Photo: DESY Volker Gülzow IPhO Seite 16
17 Die Struktur der Materie Mensch: Entfernung zu benachbarten Sternen z.b. Sirius: km Molekül: Mond Photo: NASA Proton: Kathedrale Photo: Bertrand Graphics: DESY Volker Gülzow IPhO Seite 17 Quark: Tischtennisball
18 CERN & LHC (Large Hadron Collider) > Proton-Proton Accelerator > 14 TeV Collisionsenergy > 1232 supraconducting Dipolmagnets > 600 Mio Collisions per sec! Graphics: CERN Volker Gülzow IPhO Seite 18
19 LHC Accelerator Photo: CERN Volker Gülzow IPhO Seite 19
20 ATLAS Experiment Volker Gülzow IPhO Seite 20 Photo: CERN
21 Events in der Teilchenphysik Volker Gülzow IPhO Seite 21
22 Volker Gülzow IPhO Seite 22
23 DESY Light Source O(1000) Unique Users Per Year Numerous Types of Measurement Station Spread Across Several Different Facilities Volker Gülzow IPhO Seite 23
24 Beispiele aus den Photon Science Volker Gülzow IPhO Seite 24
25 Zahlen und Zahlensysteme > Erste Anfänge Volker Gülzow IPhO Seite 25
26 Suan-pan/Abakus Volker Gülzow IPhO Seite 26
27 Der Rechenschieber Grundlage sind die Logarithmen und sein Killer Volker Gülzow IPhO Seite 27
28 Erste mechanische Rechenmaschinen Wilhelm Schickard (Tübingen) Erste Rechenmaschine zum Addieren und Subtrahieren von 6-stelligen Zahlen Volker Gülzow IPhO Seite 28
29 Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Ein Universalgelehrter -> Infinitesimalrechnung -> Das Dualsystem (Darstellung in Summe aus 2er Potenzen) Beispiel: 43 = 1x *2 4 +1*2 3 +0*2 2 +1*2 1 +1*2 0 -> (Dual) 1 Bit = Ein/Aus Schalter 1 Byte (Octet) = 8 Bit 1 Wort = typisch 4 oder 8 Byte Die Staffelwalzenmaschine Volker Gülzow IPhO Seite 29
30 Mechanische Taschenrechner der 60er Volker Gülzow IPhO Seite 30
31 Die Zuse Z1 Erster frei programmierbarer Rechner der Welt Bleche 1 Hertz Taktrate 22 bit Wortlänge 64 Worte Speicher Antrieb: Staubsaugermotor Konrad Zuse ( ) Volker Gülzow IPhO Seite 31
32 Zuse Z3 (1943) Ca Fernmelderelais Taktrate: 5 Hertz Binäres Zahlsystem Wortlänge: 22bit Addition: 0,8 s Mult/Div: 3 s Speicher: 64 Zahlen Leistungsaufnahme: 4 KW Programmsteuerung über gelochte Filmstreifen Volker Gülzow IPhO Seite 32
33 Mark-1 Howard Aiken (1944) 10 Operationen/s 15m lang, 2,2m hoch Gewicht: 35t Programmeingabe: Lochstreifen Entwickelt für ballistische Berechnungen Aiken 1947: "Only six electronic digital computers would be required to satisfy the computing needs of the entire United States." Volker Gülzow IPhO Seite 33
34 Eniac (1945) ~ Röhren Dezimalsystem Größe: 40 Racks Gewicht: 27t Leistungsaufnahme: 150KW Leistung: 5000 Add/s ~400 Mult/s,~40 Div/s Volker Gülzow IPhO Seite 34
35 Telefunken TR440 Ca. 1 Mips Memory: 1,5 MB 46 Installationen Volker Gülzow IPhO Seite 35
36 Programme in Schuhkartons Volker Gülzow IPhO Seite 36
37 Der Lochkartenwebstuhl (1805) Joseph-Maria Jacquard erfindet den automatisierten Webstuhl -> führte zum Aufstand der Weber (G.Hauptmann) Volker Gülzow IPhO Seite 37
38 Das DESY-RZ in den 70ern Volker Gülzow IPhO Seite 38
39 Maschinenraum um 1980 Racks heute Volker Gülzow IPhO Seite 39
40 Volker Gülzow IPhO Seite 40
41 online Computing Volker Gülzow IPhO Seite 41
42 Elektronikentwicklung Volker Gülzow IPhO Seite 42
43 Im Labor Volker Gülzow IPhO Seite 43
44 Tapes MB 200MB x ~ Heute: Cartridges GB Aktuell: GB Bibel: 4 MB also rund 600/2500 mal auf einem Cartridge Volker Gülzow IPhO Seite 44
45 Bandlaufwerke um 1980 Volker Gülzow IPhO Seite 45
46 Das Tape Volker Gülzow IPhO Seite 46
47 Computerarbeitsplatz in den 80igern Volker Gülzow IPhO Seite 47
48 Datenverbindungen 1858/1866 erstes transatlantisches Telephonkabel 1969 Arpanet (Militär/Universitäten) 1982 TCP/IP Protokoll 1983 EARN (Europa) 1991 WWW wurde von T-B-Lee am Cern erfunden Volker Gülzow IPhO Seite 48
49 Neue Wege: Apple PC (1976) Volker Gülzow IPhO Seite 49
50 PC s Commodore C64 IBM-PC 1981 Atari ST 1985 Volker Gülzow IPhO Seite 50
51 Einheiten: 1 z.b.: 1 Meter 1000 = 10 **3 Kilo 1000 m = 1 km, z.b.: Entfernung DESY EEZ = 10 **6 Mega 1 Millionen Meter (1000km) = 10 **9 Giga z.b.: eine Millionen km (Erde Mond ~ km) = 10 **12 Tera z.b. fast Entfernung Erde Sonne = 10 ** = 10 ** = 10 ** = 10 **24 Peta Exa Zetta Yotta z.b. fast Entfernung Erde Sirius Ausdehnung Universum >10 ** 26 m Volker Gülzow IPhO Seite 51
52 Die LHC Experimente: eine Herausforderung an die IT CMS Data: Datarate GBytes/s => 20 Petabyte/Jahr Data processing: PC s ATLAS ~ 5000 physicists world wide LHCb Volker Gülzow, DESY IPhO Page 52 Gülzow : Sun TOP, 52
53 LHC Experimente: Datenvolumen ~ 20 PB/Jahr 6 cm Balloon (40 Km) CD Stapel, 1 Jahr LHC data! (~ 35 Km) 50 CD-ROM = 35 GB Concorde (15 Km) Mt. Blanc (4.8 Km) Volker Gülzow, DESY IPhO Page 53 53
54 GridKA DESY Each layer: Specialised for certain tasks e.g. T2: -Analysis -User access -AOD storage DESY Grid: Serves Atlas&CMS ILC & Calice DESY HERA-Experiments Hamburg&Zeuthen
55 WLCG Grid & Clouds Feb-2007 Volker Gülzow IPhO Seite 55
56 Big Data, das neue Modewort Volker Gülzow IPhO Seite 56
57 Computing in der Physik heute: > Kein Computing: Keine Wissenschaft > Umfangreiche Analysis Softwareentwicklungen für die Experimente (frameworks) > Umfangreiche Softwareentwicklungen für darunter liegende Schichten > High Performance Computing für Simulationen > Nutzung neuester IT-Technologien, z.b. GPU > Management großer Grid-und Cloud Lösungen > Entwicklung von Netzwerkkonzepten > Hardwareentwicklungen für Detektoren, z.b. read out chips etc >. Volker Gülzow IPhO Seite 57
58 Und jetzt: Computer überall? Volker Gülzow IPhO Seite 58
59 Warum Physik? Physik > ist ein fantastisches Gedankengebäude > lehrt auf sehr strukturierte Art analytisch zu denken > liefert ein Fundament und Baukasten für alle weiteren Natur- Wissenschaften > und hat damit ein reiches Anwendungsfeld > findet überall statt, die Grundlagen müssen in der Schule gelegt werden und > Grundlagenforschung von heute ist die Basis von Anwendungen von morgen Volker Gülzow IPhO Seite 59
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