Tehnoloģiju radīšanaTehnoloģiju radīšana≈≈

olimpiāžu uzdevumu risināšana*olimpiāžu uzdevumu risināšana*

* plazmas fiziķa skatījumā

Juris Venčels

2016

Plazma – jonizēta gāze (elektroni, joni utt..)

- Plazmas uzturēšanai nepieciešami īpaši apstākļi

+ To iespējams kontrolēt ar elektromagnētisko lauku

Pielietojumi

Joma, kurā es darbojos

Holla dzinējs (Hall thruster)

Mērķis:* Satelītu orbitālā ātruma uzturēšana* Aparātu sūtīšana tālu kosmosā

Princips:* Enerģija no saules paneļiem* Jonizē gāzi (Xe, Kr), iegūst plazmu* Elektrisks lauks paātrina jonus* Magnētisks lauks “savalda” elektronus

Dzinējspēks: 1mN – 1NEfektivitāte: <70%Darba ilgums: 3 gadi

+ Ļoti efektīvs- Niecīga jauda

Jaudīga raķetenogādāaparātukosmosā10km/s

Holladzinējspaātrinalīdz50km/s

Plazmas eksperimenti ir ļoti dārgi un laikietilpīgi

Tipisks piemērs

ITER (latīņu v. - “ceļš”) = starptautisks kodolsintēzes izpētes projekts

Kodolsintēze – kodolu saplūšanas process, kas notiek uz Saules un citām zvaigznēm

Mērķis - uzbūvēt eksperimentālu reaktoru

Celtniecība ≈10 gadi, ≈$15 miljardi

Cilvēks

Eksperimentus daļēji var aizstāt ar “skaitliskiem eksperimentiem”

Skaitliskie eksperimenti = datorsimulācijas

Balstās uz fizikas likumiem, to vienkāršojumiem un skaitliskām metodēm

Piemērs:

Pozitīvas (+) un negatīvas (-) daļiņas kustība magnētiskajā laukā

m – daļiņas masav – ātrumsx – koordinātesF – magnētiskais laukst – laiks

Formulē problēmu

Programmē

Apraksti to arvienādojumiem

Risini

Analizē rezultātu

Parasti datorsimulācijas notiek tā:

Jāizvēlas pēc iespējas vienkāršāks fizikas modelis, kas apraksta problēmu līdz pieņemamai precizitātei

Fizikas vienādojumi tiek diskretizēti – padarīti vienkāršāki priekš skaitlisko aprēķinu veikšanas

C++, Fortran, Python, Matlab, Mathematica ...

Lielākoties aprēķini veikti ar vairākiem procesoru kodoliem, lietots tiek viss - klēpjdatori, darba stacijas un superdatori

Grafiki, skaitļi, bildes un video

Vienādojumu iegūšana, risināšana ar simboliskajām paketēm

Vieglas, ātras problēmas80% Pildspalva un papīrs20% Wolfram Alpha

Sarežģītas problēmas30% Pildspalva un papīrs70% Wolfram Mathematica

Prasmes, kuras 10x atmaksājušās

Ar matemātikas paketēm un pareizu pieeju var atrisināt sarežģītas problēmas ļoti īsā laikā

Katrai programmēšanas valodai ir +/-

Šis ir tipisks komplekts fiziķim..un ne tikai

C++ - Sarežģīta, nepieciešams kompilēt+ Augstas veiktspējas aprēķini

Python + Viegli apgūt+ Aprēķini, statistika, grafiki

Mathematica - Maksas programma+ Simboliskie aprēķini, grafiki

R + Statistika, datu analīze, grafiki

Pat visjaudīgākie datori pasaulē spēj simulēt tikai nelielu daļu fizikas

* Modeļi tiek vienkāršoti* Mazsvarīgi procesi ignorēti

Milzīga datorsimulācija>260.000 procesoru kodoli

Bieži datorsimulācijas ir pieticīgas, rezultāti attēloti grafikos

Tās veiktas ar klēpjdatoriem, darba datoriem vai nelieliem superdatoriem

Tranzistoru skaits

Frekvence

Jauda (siltums)

Veiktspēja

Paralēlie aprēķini

* izmanto ≈60 gadus* personālajos datoros ≈10 gadus

Procesora veiktspēju nosaka* frekvence* kodolu skaits* …

Galvenā problēma – daudz siltuma

- Frekvences pieaugums apstājies- Kodola veiktspēja apstājusies+/- Jaudas pieaugums apstājies+ Kodolu un tranzistoru skaits aug+ Kopējā veiktspēja aug

1 procesors – 6 kodoli

Mūra likums – tranzistoru skaits procesoros dubultojas aptuveni divos gados

Superdators – BeskowStokholma, Zviedrija

3352 procesori (53632 kodoli)RAM - 104.7 TB

Izmanto zinātnei un industrijai2014. g. novembrī – 32. ātrākais pasaulē

Paralēlo aprēķinu piemērs

Sareizināt skaitļus no 1 līdz 1000000 izmantojot 2 procesorus

1*2* … *1000000

1*2* … *500000 500001* … *1000000

= R1 = R2

Proc 1 Proc 2

Rezultāts = R1*R2

Eksperimentāla kodolsintēzes iekārtaGeneral Fusion, Kanāda750 MB/s

Lielie dati un mašīnmācīšanās (big data & machine learning)

* Datu apjoms aug eksponenciāli

* Datu ir vairāk nekā pieejamās atmiņas

* Datu ir vairāk nekā cilvēki spēj apstrādāt

Risinājums – iemācīt datorus apstrādāt datus

Eksperimenta parametri + zināms rezultāts

Jauni parametriProgramma(algoritms)

Rezultāts

Nobeigumā - dažas atziņas

Olimpiāžu tipa uzdevumus risina inženieri, programmētāji, zinātnieki utt... turklāt par to labi maksā

Jāapgūst programmēšanas pamati + paralēlo aprēķinu pamati

Datu apjoms aug eksponenciāli, tos visus nav iespējams saglabāt

Pavisam droši – cilvēki nekad nepārstās izgudrot, radošums un tehnoloģijas nekad neizsīks

Nākotnes cilvēki strādās profesijās un lietos tehnoloģijas par kurām mēs šobrīd pat nenojaušam

Praktiskā daļa

* Aplūko piemērus, ko prot WolframAlphahttps://www.wolframalpha.com/examples/

* TutorialsPoint ļauj rakstīt un darbināt vienkāršas programmashttp://www.tutorialspoint.com/codingground.htm

Piemērs

* Izvēlies Python

* Uzraksti šo programmu

*

* Terminālī ieraksti savu vārdu un spied “Enter”

* Sper nākamos soļus programmēšanā http://www.learnpython.org/

vards = raw_input('Ka tevi sauc?\n')print 'Labdien, %s.' % vards

Pielikums

Latvijā nesen radītas tehnoloģijas

matemātika + programmēšana + elektronika + fizika

* Bezpilota aparāti (UAV)http://www.uavfactory.com/

* Kvadrokopterihttps://www.airdog.com/

* Mašīnmācīšanāshttp://www.kleintech.net/

* Robotihttp://www.sumo-boy.com/

Atsauces

[2] Kas ir plazma? http://www.aetherandbeyond.com/main/education/what-is-plasma.html[3] Saule un Zemes magnetosfēra https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetosphere Ziemeļblāzma http://fjordtravel.no/destinations-norway/see-the-northern-lights-in-norway/ Neona lampa http://www.wired.com/2012/12/dec-11-1910-neon-lights-the-city-of-light/ Plazmas lampa https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_globe Groglass stikls, Latvija http://www.groglass.com/ ITER kodolsintēzes rekators https://www.iter.org/ NASA/JPL Deep Space 1 kosmiskais kuģis https://www.sciencedaily.com/releases/2013/02/130213114717.htm[4] ITER projekta dalībvalstis un reaktors https://en.wikipedia.org/wiki/ITER[5] NASA raķetes vizualizācija http://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/multimedia/gallery/bolden_2.html NASA jonu dzinējs, video https://www.youtube.com/watch?v=0Kl-vromzaQ Holla dzinējs http://pag.ipplm.pl/?id=hall[6] Skaitliskās metodes daļiņu kustības simulācijām https://www.particleincell.com/2010/es-pic-method/[8] Bārts Simpsons, WolframAlpha http://www.wolframalpha.com/input/?i=Bart+Simpsons-like+curve[10] Ļoti liela kodolsintēzes simulācija https://www.alcf.anl.gov/articles/mira-supercomputer-simulations-give-new-edge-fusion-research[12] Beskow superdators https://www.pdc.kth.se/resources/computers/beskow[13] General Fusion kodolsintēzes reaktora modelis http://www.generalfusion.com/ Lielie dati http://www1.unece.org/stat/platform/display/msis/Big+Data