Computerorientierte Physik VORLESUNG und Übungen

• Vorlesung

Zeit: Di., 8.30 – 10.00 UhrOrt: Hörsaal 5.01, Institut für Experimentalphysik, Universitätsplatz 5, A-8010 Graz

• Übungen:

als Projektarbeiten in GruppenBesprechung nach der Vorlesung

INHALTSVERZEICHNIS

1 Einleitung 3

1.1 einige Beispiele 31.1.1 Das Notebook als NF-Messplatz 31.1.2 Bewegungsanalyse mit GPS 31.1.3 Messablaufkontrolle übers Internet 31.1.4 Simulation eines Kfz 3

1.2 Grundlagen 31.2.1 Wichtige Hardwaregruppen und ihre Kommunikation 31.2.2 Softwarekonzepte 3

2 Computerunterstützte Datenerfassung 3

2.1 Digitalisierung und Abtasttheorem 3

2.2 Schnittstellen 42.2.1 Parallele Schnittstellen (LPT, IEEE, etc.) 42.2.2 Serielle Schnittstellen (RS232, USB, etc.) 42.2.3 Spezielle Schnittstellen (IDE, SCSI, etc.) 4

2.3 Real-time Verfahren 4

3 Datenfilterung und Datenreduktion 4

4 Darstellung von physikalischen Daten (Visualisierung) 4

5 Steuern und Regeln 4

6 Simulation und Modellierung 4

6.1 Etwas numerische Mathematik 4

6.2 Simulation von Bewegungsvorgängen (Mechanik) 5

6.3 Simulation quantenmechanischer Vorgänge 5

6.4 Simulation statistischer Vorgänge 5

Einleitung: GrundlagenHardwaregruppen und ihre Kommunikation

CPU

Control Bus

Daten Bus

Adress Bus

Clock

Memory Peripherie

Interrupt DMA PIA SIA

Heutige Prozessoren

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Netzbetrieb Akkubetrieb

Üb

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ind

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Blockgröße [kB]

CPU - Memory

Heutige Festplatten

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[kB

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Konfiguration

Festplatte

Preisentwicklung CPU Celeron 2GB

Preisentwicklung Memory 256MB

Preisentwicklung Festplatte 40GB

Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 204010-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

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Abm

ess

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[m]

Jahr

1. Moore´sches Gesetz Daten von Prozessoren

1. Moore´sche Gesetz (G.Moore, IEDM Tech. Dig.11, 1975)

J.Birnbaum, R.S.Williams in Phys.Today 53, 38(2000)http://www.aip.org/web2/aiphome/pt/vol-53/iss-1/captions/p38cap3.html

Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie

2. Moore´sches Gesetz (G.Moore, 1975)

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 204010-3

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101

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Mill

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en

US

$

Jahr

Markt Investitionen

2.Moore´sches Gesetz

J.Birnbaum, R.S.Williams in Phys.Today 53, 38(2000)http://www.aip.org/web2/aiphome/pt/vol-53/iss-1/captions/p38cap4.html

Wirtschaftliche Grenzen

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 20400

20

40

60

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100

Ge

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]

Jahr

Erzielbarer Gewinn: %100.

[%]

Markt

InvestMarktGewinn

Grenzen konventioneller Halbleitertechnologie

K.L.Wang, J.Nanosci.Nanotech. 2002, 2, 235

Generelle physikalische Grenzen der Miniaturisierung

Konventionelle Informationsverarbeitung

Energie pro Bitmanipulation:

Unschärferelation:

tE

Irreversible thermod. Maschine: 2lnkTE (R.Landauer)

tc

dkTE

(R.Feynman)

(Heisenberg)

ZusammenfassungLimits der Miniaturisierung

• Fluktuationen der Dotierung

• Wärmeproblem

• Aufwand an Verbindungen

Single Electron Device

Niedrige TemperaturenReversible MaschinenQuantencomputer

Zellulare Automaten

Physik und Längenskalen

Bloch:

relativ. Teilchen:

klassisches Teilchen:

de Broglie: L

hn

hp

2

22

2

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m

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L

chncpE

ikxeL

nk2

mit

Physik von nano-Systemen

Richard Feynman (1918-1988)theor. Physiker, Cornell University

1959 APS Meeting: ""There is plenty of room at the There is plenty of room at the bottombottom" "

"I can hardly doubt that when we "I can hardly doubt that when we have some control of the have some control of the arrangement of things on a small arrangement of things on a small scale we will get an enormously scale we will get an enormously greater range of possible properties greater range of possible properties that substances can have." that substances can have."

http://archives.caltech.edu

Beispiel Nanolithographie

H. Craighead, Cornell Nanofabrication Facility Ithaca, New York

NanomanipulationNanopinzette (P.Kim and Ch.Lieber, Science 286, p2148, 1999)

im AFM

Sharon-Ann Holgate in New Scientist Vol.164 Issue 2217 (1999) p.18 http://www.newscientist.com/

Selbstorganisation

Ge auf Si

K.L.Wang, J.Nanosci. Nanotech., Vol.2, No.3/4 (2002)

Verschiedene Phasen des Kohlenstoffes

• Graphit• Diamant• Hexagonaler Diamant• Nano-Phasen

C60 C70 Nanotube SWCNT

Richard E. Smalley

Aufrollen einer Graphitschicht

(10,5) SWCNT(10,5) SWCNT

Graphite – 2D structure Graphite – 2D structure

Nano-Mechanik http://www.imm.org

“Molecular dynamics” Simulation

Quelle: Nasa, http://people.nas.nasa.gov/~globus/papers/MGMS_EC1/simulation/paper.html

Übungsaufgaben• Strahlung eines Handy (Empf. Bestellt)

• Temperaturprofil der Atmosphäre (Termin?)

• Raster-Tunnelmikroskop (Bestellung)

• Erschütterungsüberwachung (Termin?)

• Solarzellennachführung (Termin?)

SoftwareProzessorspezifische Vorgaben

Interrupttable

Reset(FFF)FFFF0

000

3FF

Memory

Segment Descriptoren

PagingTables

Softwareprinzipieller Aufbau eines

Betriebssystems

BIOS

Kernel

Shell Benutzeroberfläche

System Routinen, z.B. Diskverwaltung, etc.

Hardware spezifische Input/OutputRoutinen, Interruptroutinen, etc.

Multitasking und Multiuser

Anforderung an Systemroutinen: reentrance

Memory Management: Zugriffsberechtigung, Privilegien

Prozessorbefehle: Sonderbefehle für Superuser

Task Management: Priorities

User Verwaltung: Taskzuordnung, UID, GID, Passwords