Computergrundlagen Computergestützte Physik

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1 Computergrundlagen Computergestützte Physik Maria Fyta Institut für Computerphysik Universität Stuttgart Wintersemester 2017/18

2 Computerphysik? Ein Werkzeug das komplexe Probleme der Physik numerisch lösen kann Moderne Computersimulationen Theoretische Analyse (oder analytische Theorie) Computer Programmierung Bausteine Computer Hardware Software: 1. Betriebsystem 2. Programmiersprachen 3. Umgebung für die Problemlösung M. Fyta Computergrundlagen 2/10

3 Hardware für das Rechnen Desktops CPU, GPU Speicher Clusters (Rechnerverbund) CPU, GPU (Anzahl von) Speicher schnelle Netzwerk Verbindung zwischen der (Rechen-)Knoten. Supercomputer: Top 500 supercomputers Exascale Supercomputer (click) Quelle: A.L. Godunov, M. Fyta Computergrundlagen 3/10

4 Warum Computerphysik? Physik: untersucht wie die Natur arbeitet. Oft: Gleichungen benötigt Modelle zur Beschreibung der Natur. Genaue analytische Lösungen meist nicht möglich. Computerphysik wenn: physikalische Probleme analytisch nicht lösbar, viele Daten bearbeiten werden müssen. Quelle:projects.iq.harvard.edu M. Fyta Computergrundlagen 4/10

5 Computerphysik: Anwedungen Weiche Materie (Kolloide, Lösungen, Gele, usw.) Kondensierte (Festkörper) Physik (elektronisch hochkorrelierte Systeme, usw.) Materialphysik (Eigenschaften von Materialien) Biophysik (DNA Prozesse, Lipide, usw.) Meteorologie (Klimasimulationen, usw.) Astrophysik ( Ausbreitung von Galaxien, Evolution eines massereichen Sterns, usw.) usw. M. Fyta Computergrundlagen 5/10

6 Computerphysik: Methoden Quantenmechanische (ab initio, Dichtenfunktionaltheorie) Atomistische (Molekulardynamik) (deterministik) Stochastische (Monte Carlo) Mesoskopische (Gitter-Boltzmann, Dissipative Partikel Dynamik) Multiskalige & vergröberte M. Fyta Computergrundlagen 6/10

7 Wahl der Simulationsmethode Zusammenspiel: System/Eigenschaften Zeit/Längenskalen Rechenkapazitäten/Genauigkeit Wichtig: Systemgröße (Koordinaten, usw.) Wechselwirkungen (Potentiale, Kraftfelder) Modell (Näherungen) M. Fyta Computergrundlagen 7/10

8 Programmiersprachen für den Simulationscode Gängig in Physik: C, C ++, Python, (Fortran) Viele alte Codes (in Fortran) werden in Python umgeschrieben ABER die wichtigste Ideen sind Sprache-unabhängig. Quelle: Top 10 Programming Languages, IEEE Spektrum 2014 M. Fyta Computergrundlagen 8/10

9 Computerphysik - Beispiele Abbildungen Ladungsdichte: Silizium Kristall Quelle: cmth.ph.imperial.ac.uk Videos Lennard-Jones Gas click ( Stromlinien: Flugzeug Quelle: Science, 301, (2003) Entwicklung der Galaxien click ( Blutfluss durch eine menschliche Arteriole click (The International Journal of Cardiovascular Imaging 25(2), 289 (2009)). M. Fyta Computergrundlagen 9/10

10 Computerphysik - Arbeitsweise Problem setzen & organisieren (Literatur suchen), geeignete Methode für die Lösung finden, den Code dazu schreiben oder vorhandene Codes finden: kommerzielle Codes (oder mit akademische Lizenz) frei zugängliche Codes Simulation aufsetzen (Koordinaten, Parameter, etc.), Daten analysieren & visualisieren, mit Experimenten/Theorie vergleichen oder Richtlinien/Lösung geben, aufschreiben & veröffentlichen. M. Fyta Computergrundlagen 10/10

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