History of Digital Amplifier

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1 Computers for Physics An Introduction 2004/2 학기물리전산물리학 2 윤영운 서강대학교물리학과 Computers for Physics 1

2 컴퓨터와물리학약사 Computers for Physics

3 컴퓨터의발전 컴퓨터혁명 1946 ENIAC U Pennsylvania, Philadelphia, USA -> 년대 PC/ 워크스테이션, 슈퍼컴퓨터, 인터넷 / 웹 컴퓨터 - Man of the Year, Time, > 21 세기? 신경컴퓨터양자컴퓨터 DNA 컴퓨터광학컴퓨터 Computers for Physics 3

4 초기컴퓨터하드웨어의발전 BC 이전 - tablets, 주판알 1623 W. Schickard - 천문학계산을위한첫계산기계 1833 C. Babbage - 전기계식, 디지탈, 기억및프로그램가능한계산기고안 - 그러나만들어지지않음 American Census - Punch Card 기계 1919 T. J. Watson - IBM 의창업 1939 Bell Labs - 첫이진 (binary) 계산기 * Stibitz - 부동점 (Floating point) 산술 * x ENIAC 의등장 최초의전전자식범용계산기인 ENIAC 컴퓨터 개발 모클리, 에커트등무명의물리학자가소규모로시작, 개발 IBM 컴퓨터 첫저장프로그램을가진컴퓨터 8 시간마다계산에러 1 개발생. Computers for Physics 4

5 ENIAC Electronic Numerical Integrator and Computer John W. Mauchly ( ) J. Presper Eckert ( ) 30ftx30ft room 4 men for maintenance 30ton, 10,000 Hz Clock Computers for Physics 5

6 컴퓨터와물리학의접목 난수생성과몬테카를로방법을이용한모의실험 예 : [0.1] 에서의난수생성 년대 Los Alamos 의핵물리연구그룹의공헌 1947 울람, 폰노이만 - 난수를사용한중성자확산의시늉에이용 그후핵연구, 우주선샤워등확률적현상, 결정의성장, 스핀모형등에응용 대형컴퓨터의발전과거대과학계산 1950 년대이후대용량 IBM 컴퓨터 1980 년대이후의 Cray 를비롯한슈퍼컴퓨터 Giga flops~terra flops Computers for Physics 6

7 The Fastest Computer in the World? Used to be a vector computer, now the top ranker are mostly massively clustered computer Top 500 computer are announced at the web, List of Sept, 2005 Rank Site Country/Year Computer / Processors Manufacturer R max R peak 1 DOE/NNSA/LLNL United States/2005 BlueGene/L eserver Blue Gene Solution / IBM IBM Thomas J. Watson Research Center United States/2005 BGW eserver Blue Gene Solution / IBM NASA/Ames Research Center/NAS United States/2004 Columbia SGI Altix 1.5 GHz, Voltaire Infiniband / SGI The Earth Simulator Center Japan/2002 Earth-Simulator / 5120 NEC Barcelona Supercomputer Center Spain/2005 MareNostrum JS20 Cluster, PPC 970, 2.2 GHz, Myrinet / 4800 IBM ASTRON/University Groningen Netherlands/2005 eserver Blue Gene Solution / IBM Lawrence Livermore National Laboratory United States/2004 Thunder Intel Itanium2 Tiger4 1.4GHz - Quadrics / 4096 California Digital Corporation Computational Biology Research Center, AIST Japan/2005 Blue Protein eserver Blue Gene Solution / 8192 IBM Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Switzerland/2005 eserver Blue Gene Solution / 8192 IBM Sandia National Laboratories United States/2005 Red Storm, Cray XT3, 2.0 GHz / 5000 Cray Inc Computers for Physics 7

8 Earth Simulator 35 TFlops Computers for Physics 8

9 Earth Simulator The Earth Simulator, the most powerful supercomputer ever built, was designed for a single purpose: to create a virtual twin of our home planet. The Earth Simulator runs at more than 35 trillion calculations per second, almost five times faster. Located at a vast, newly built facility in Yokohama, the Earth Simulator is the size of four tennis courts. The price tag? Around $350 million. Computers for Physics 9

10 컴퓨터의대중화 Microprocessor 의등장과 Desktop 컴퓨터의보급 1971 년 Microprocessor 의등장 1980 년대워크스테이션의출현과 PC 혁명 PDP11, VAX, Microvax, SUN, IBM, Macintosh, PC 높은가격대성능비 우수한그래픽스및편리한사용자환경 현재의컴퓨터 PC - 개인용도 PC/Macintosh - Workstation - 개인용 + 과학계산용 / 네트워크용 SUN, HP Minicomputer/Mainframe - 서버용, 큰계산, 많은사용자, 집중적자원관리 IBM,... 슈퍼컴퓨터 - 거대과학계산, 벡터 / 병렬계산 Cray2S, CrayT3E, HP Exemplar X/32 - Gflops x CPU 수 ~ Terra flops Computers for Physics 10

11 Earth Simulator Computers for Physics 11

12 Typhoon near Philippines Computers for Physics 12

13 네트워크와인터넷시대의개막 Computer Network 의구축과인터넷의성장 1958 년 ARPA 설립, 1972 ARPAnet ( 패킷전송방식 ), 1973 TCP/IP 프로토콜 핵전쟁이발발할경우통신두절을막기위해시작 년초 Ethernet ( 근거리통신망 ), 1969 년 UNIX 운영시스템 1983 년진정한의미의인터넷탄생 (TCP/IP protocol 의통일, LAN 의표준화 ) 1980 년대이후전자메일, 파일전송, 고퍼, 네트워크뉴스, 공개게시판 1989 년 CERN 에서의 WWW 개발 (HTTP 응용프로토콜 ) 입자물리학자들이공동연구를위해처음개발 1993 년 NCSA 의웹브라우저인모자이크 ( 넷스케이프의전신 ) 개발 1994 년넷스케이프창립및웹브라우저의상업화 정보통신혁명과사이버공간의발전 미디어와통신망의결합 - 인터넷전화, 인터넷 TV, 케이블방송망 쌍방향통신의보편화 - 주문형방식 사이버공간 - 통신과컴퓨터의결합된미디어의발달 전자상거래, 전자민주주의, 전자출판, 사이버모임 Computers for Physics 13

14 컴퓨터와물리학소개 Computers for Physics

15 컴퓨터와물리학 컴퓨터와물리학 물리 : 초기컴퓨터개발의원동력 ENIAC, MC, WWW 컴퓨터 : 물리연구방법의패러다임을바꿈. 이론물리학, 실험물리학에이은제 3 의가지로서의전산물리 시각화, 모의실험 전산물리 Computational Physics 란? 좁은의미 : 수치해석도구와모의실험을통해물리문제를해결함. 넓은의미 : 컴퓨터의도움으로물리문제를해결하기위한모든활동. 예 : 사무자동화도구의이용 예 : 고성능컴퓨터를디자인하고만드는것 Computers for Physics 15

16 전산물리의중요성 가상실험 으로인한물리연구패턴의빠른변화 Desktop Experiment 실험실에서할수없는실험을함. 고위험, 고비용, 너무복잡한현상, 불가능또는재현할수없는자연현상 예 : 중성자확산, 가속기실험, 단백질접힘, 다체계, 뭇알갱이계, 별송이 고해상도시각화도구를이용한효율적데이터처리. 시각은엄청난정보를축적, 모자라는직관력보완. 전산물리의결과는그림으로재현, 인쇄, 발표됨. 인터넷을통해연구자간빠른정보교환및 resource 의효율적관리 Tex, LaTeX, RevTeX, KPSTeX, 아래한글, MS Word, PowerPoint, PostScript,... , ftp, telnet, WWW, HTML, 인터넷 이론물리의한계극복및물리의영역확충 Third Branch 전산물리가이론물리의보조도구가아니라새로운패러다임을창출함 예 : 전산통계물리학, 양자색소역학, 비선형동역학, 카오스, 복잡계 물리교육을위한새로운미디움제공. Teaching Innovation Computers for Physics 16

17 전산물리로풀어야하는문제들 천체물리 : 중력에의한 975 만개의입자의운동에대한모의실험과시각화 고체물리 : 외부자기장이가해진탄소나노튜브끝의전자밀도분포 Computers for Physics 17

18 분자동역학 (Molecular Dynamics) 전산물리로풀어야하는문제들 A heterogeneous nucleation of a vapor bubble on a solid surface was simulated by the molecular dynamics method. Liquid argon between parallel solid surfaces was gradually expanded, until a vapor bubble was nucleated. Computers for Physics 18

19 고에너지연구와컴퓨터 Tracks CERN Control Room KEK Belle 실험 : 1 억개신호가 DST 에저장 -> 개희귀사건감지 Computers for Physics 19

20 비선형동역학 : Ikeda 끌개 Ikeda Computers for Physics 20

21 컴퓨터와물리교육 컴퓨터를통한물리교육의새로운가능성. 컴퓨터가상실험도구를이용한온라인실험. 멀티미디어자료를이용한시청각교육. Interactive Engagement 교육의세계적추세에부응. 컴퓨터의쌍방향성을이용하여주입식보다학생들의능동적참여를유발함. 새로운세대에게물리에대한흥미유발을도움. 인터넷과컴퓨터에익숙한새로운세대의특성에맞추어교육. 프로그래밍부담을줄이고물리탐구에초점을맞출수있는도구를이용. 컴퓨터와물리학 연구, 물리학과첨단기술 8 권 10 호 (1998) Computers for Physics 21

22 미래의컴퓨터와물리학 계산 Computation 의중요성의확대 넓은의미의계산 : 입력 -> 출력을수반하는모든현상예 : 뇌의인지과정 물리학은 21 세기의컴퓨터발전방향과더불어성장할것임 신경컴퓨터 병렬계산, 복잡계과학, 생물리학, 뇌과학과의접목 양자컴퓨터 나노과학및정보보안 / 암호론과접목 광학컴퓨터 빠른속도, 광역연결망, 광학및광전자학과의접목 DNA 컴퓨터 고집적기억, 병렬계산, 생체복잡성, 생명공학과의접목 미래의전산물리 이론및실험물리학의강력한원군으로물리학의르네상스재현 예 : 생의학, 금융공학, 기상예측, 뇌과학 물리학의패러다임변화의주축? Material중심의대상-> 알고리듬과방법론변화의주축 Hardware Software Computers for Physics 22

23 컴퓨터를이용한물리연구의허상 컴퓨터를이용한물리연구의어려움 컴퓨터를이용하여좋은물리를하는것이어렵다. 컴퓨터를이용한연구는엄밀한검증이어렵다. 컴퓨터에서나온결과를맹신한다. 생각하는것보다훨씬많은시간을프로그래밍하는데쓴다. 컴퓨터는다만계산도구임. (Intellectually neutral) 사용자에따라그유용성이달라짐. Computers cannot think by themselves! It is a physicist who does physics! 전산물리의목표중하나는물리학자를 computer-literate 로만들어장벽을넘어새로운세상을탐구할수있도록도와주는것임. Computers for Physics 23

24 강의목표 컴퓨터를이용한물리학연구의기초를배움. 현대과학에서의컴퓨터의역할, 물리학에서의컴퓨터이용에대해간단히소개함. 실제물리문제들을컴퓨터로쉽게모의실험함. 물리학의문제들에대한직관적이해를도모함. 컴퓨터를이용한실제물리학연구에익숙해지게함. 쉽게물리학의복잡다양한물리현상을탐구할수있는도구를제공. Computers for Physics 24

25 강의전략 PHYSICIA MATLAB 의그래픽사용자환경을이용한물리시 뮬레이션도구를이용. 프로그래밍에대한과도한부담없이현대물리학의흥미있는문제를탐구. 그과정에서컴퓨터와컴퓨터환경, 수치계산방법, MATLAB 을익힘. Motto 예제를통해배우기, 어깨너머로배우기, 무작정따라하기 I hear and I forget. I see and I remember. I do and I understand. Computers for Physics 25

26 MATLAB MATLAB matrix laboratory high-performance language for technical computing LINPACK/EISPACK 용으로시작, 벡터 / 행렬처리가쉬움. 오랜기간많은사용자, 특히대학과기업의학생 / 연구자, 에의해진화 계산, 시각화, 프로그램을사용하기쉬운사용자환경으로통합 자연스런수학적언어로표현, 해결함. Toolbox 라는특성화된응용도구를통해공학 / 기술적응용에많이이용. 신호처리, 제어, 신경망, 퍼지논리, 웨이블릿 많이사용되는곳 수학및계산, 알고리듬개발, 모형화및시뮬레이션 데이터분석, 탐구, 시각화, 과학기술그래픽스,GUI 를이용한응용도구개발 참고문헌 : The Math Works Inc, MATLAB: User Guide, Computers for Physics 26

27 PHYSICIA PHYSICIA MATLAB을이용한물리시뮬레이션도구모음교육개발연구센터지원으로물리 212용으로개발 책임자 : 김승환프로그램 : 손승우, 매뉴얼 : 정아미개발된모듈 Nonlinear Pendulum Forced, damped oscillator Three-body Problem Fish in a Pond Logisitic Map Random Walks & Fractal Growth Random Walks & Diffusion Diffusion Limited Aggregation (DLA) Sandpile & Self-organized Criticality Sandpiles Entropy (K.C. Lee) Computers for Physics 27

28 1. 다음을알아보자. Home Work 우리나라에서가장빠른수퍼컴퓨터는무엇인가? 우리학교에서가장빠른컴퓨터는무엇인가? 각각내가가진 PC보다얼마나큰연산능력을가졌나? 대략그차이를추산하고그렇게추산한이유를설명하시오. 2. 우리학과에서컴퓨터를이용해서연구하는연구실을찾아서컴퓨터가어떻게활용되고있는지알아보고간략히요약하여기술하여보자. 그연구실에서주로사용되는컴퓨터관련전문기술은어떤것인가? Computers for Physics 28