Physik Olympiade 2014 Rechenpower und Massen von Daten in der Physik - Gestern und Heute - Dr. Volker Gülzow IT-Gruppe Hamburg, den 27. April 2014
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Da erhält man als erste Antwort... Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 3
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Das ist falsch! Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 5
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Bild: Germanischer Lloyd Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 9
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Ein Beispiel aus der Klimaforschung (M.Böttinger et al, DKRZ, Hamburg) Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 11
Und hinter allem steckt Physik! Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 12
Die Beobachtung > Galileo Galilei (1564-1642): erste brauchbare Teleskop für die Astronomie Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 13
Die Theorie Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 14
Das Experiment: Teilchenphysik gestern: Das Microskop space resolution microskope: Micrometer (10-6 m) Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 15
DESY: Theorie und Experiment Großforschungseinrichtung des Bundes Ca. 2500 Mitarbeiter/innen www.desy.de Photo: DESY Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 16
Die Struktur der Materie Mensch: Entfernung zu benachbarten Sternen z.b. Sirius: 10 14 km Molekül: Mond Photo: NASA Proton: Kathedrale Photo: Bertrand Graphics: DESY Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 17 Quark: Tischtennisball
CERN & LHC (Large Hadron Collider) > Proton-Proton Accelerator > 14 TeV Collisionsenergy > 1232 supraconducting Dipolmagnets > 600 Mio Collisions per sec! Graphics: CERN Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 18
LHC Accelerator Photo: CERN Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 19
ATLAS Experiment Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 20 Photo: CERN
Events in der Teilchenphysik Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 21
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DESY Light Source O(1000) Unique Users Per Year Numerous Types of Measurement Station Spread Across Several Different Facilities Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 23
Beispiele aus den Photon Science Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 24
Zahlen und Zahlensysteme > Erste Anfänge Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 25
Suan-pan/Abakus Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 26
Der Rechenschieber Grundlage sind die Logarithmen und sein Killer Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 27
Erste mechanische Rechenmaschinen Wilhelm Schickard 1592-1635 (Tübingen) Erste Rechenmaschine zum Addieren und Subtrahieren von 6-stelligen Zahlen Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 28
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) Ein Universalgelehrter -> Infinitesimalrechnung -> Das Dualsystem (Darstellung in Summe aus 2er Potenzen) Beispiel: 43 = 1x 2 5 + 0*2 4 +1*2 3 +0*2 2 +1*2 1 +1*2 0 -> 101011 (Dual) 1 Bit = Ein/Aus Schalter 1 Byte (Octet) = 8 Bit 1 Wort = typisch 4 oder 8 Byte Die Staffelwalzenmaschine Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 29
Mechanische Taschenrechner der 60er Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 30
Die Zuse Z1 Erster frei programmierbarer Rechner der Welt 30.000 Bleche 1 Hertz Taktrate 22 bit Wortlänge 64 Worte Speicher Antrieb: Staubsaugermotor Konrad Zuse (1910-1995) Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 31
Zuse Z3 (1943) Ca. 2500 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 27.4.2014 Seite 32
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 27.4.2014 Seite 33
Eniac (1945) ~17.500 Röhren Dezimalsystem Größe: 40 Racks Gewicht: 27t Leistungsaufnahme: 150KW Leistung: 5000 Add/s ~400 Mult/s,~40 Div/s Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 34
Telefunken TR440 Ca. 1 Mips Memory: 1,5 MB 46 Installationen Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 35
Programme in Schuhkartons Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 36
Der Lochkartenwebstuhl (1805) Joseph-Maria Jacquard erfindet den automatisierten Webstuhl -> führte zum Aufstand der Weber (G.Hauptmann) Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 37
Das DESY-RZ in den 70ern Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 38
Maschinenraum um 1980 Racks heute Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 39
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online Computing Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 41
Elektronikentwicklung Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 42
Im Labor Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 43
Tapes 1950-1990 1MB 200MB x ~10.000 Heute: Cartridges 2.500 GB Aktuell: 10.000 GB Bibel: 4 MB also rund 600/2500 mal auf einem Cartridge Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 44
Bandlaufwerke um 1980 Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 45
Das 44.444 Tape Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 46
Computerarbeitsplatz in den 80igern Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 47
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 27.4.2014 Seite 48
Neue Wege: Apple PC (1976) 1976 1983 1981 1993 Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 49
PC s Commodore C64 IBM-PC 1981 Atari ST 1985 Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 50
Einheiten: 1 z.b.: 1 Meter 1000 = 10 **3 Kilo 1000 m = 1 km, z.b.: Entfernung DESY EEZ 1.000.000 = 10 **6 Mega 1 Millionen Meter (1000km) 1.000.000.000 = 10 **9 Giga z.b.: eine Millionen km (Erde Mond ~ 400.000 km) 1.000.000.000 = 10 **12 Tera z.b. fast Entfernung Erde Sonne 1.000.000.000.000 = 10 **15 1.000.000.000.000.000 = 10 **18 1.000.000.000.000.000.00 0 = 10 **21 1.000.000.000.000.000.00 0.000 = 10 **24 Peta Exa Zetta Yotta z.b. fast Entfernung Erde Sirius Ausdehnung Universum >10 ** 26 m Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 51
Die LHC Experimente: eine Herausforderung an die IT CMS Data: Datarate 0.1 1 GBytes/s => 20 Petabyte/Jahr Data processing: 200 000 PC s ATLAS ~ 5000 physicists world wide LHCb Volker Gülzow, DESY IPhO 27.4.2014 Page 52 Gülzow : Sun TOP, 52
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 27.4.2014 Page 53 53
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
WLCG Grid & Clouds... 02-Feb-2007 Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 55
Big Data, das neue Modewort Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 56
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 27.4.2014 Seite 57
Und jetzt: Computer überall? Volker Gülzow IPhO 27.4.2014 Seite 58
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 27.4.2014 Seite 59