Ke Kemiantekniikan tietotekniikka Luento 1

Transkriptio

1 Ke Kemiantekniikan tietotekniikka Luento 1 Kimmo Klemola February 13, 2007 Kimmo Klemola 1 Kevät 2007 Luennoitsijana yliassistentti Kimmo Klemola, teknillisen kemian laboratorio, huone 2437 etunimi.sukunimi@lut.fi Assistenttina Azita Soleymani, Teollisuusprosessien suunnittelun ja kehittämisen laboratorio, huone 2359 etunimi.sukunimi@lut.fi February 13, 2007 Kimmo Klemola 2 Luento 1 1

2 Kemiantekniikan osasto Sovellettu kemia Teknillinen kemia Epäorgaaninen ja analyyttinen kemia Orgaaninen kemia Fysikaalinen kemia Kemian tuotantotekniikka Erotustekniikka Tuote- ja prosessikehitys Puunjalostustekniikka Paperitekniikka Membraanitekniikka ja teknillinen polymeerikemia February 13, 2007 Kimmo Klemola 3 Perusopinnot February 13, 2007 Kimmo Klemola 4 Luento 1 2

3 Tuote- ja prosessikehityksen laboratorio February 13, 2007 Kimmo Klemola 5 Teknillisen kemian laboratorio February 13, 2007 Kimmo Klemola 6 Luento 1 3

4 Kemiantekniikan tietotekniikka February 13, 2007 Kimmo Klemola 7 Kursin aikataulu, luennot, harjoitukset ja kotitehtävät 2007 Luentoajat 3. ja 4. periodi - to klo sali 1383 Kotitehtäviä kultakin osa-alueelta Käytännön oppimisen on tarkoitus hoitua kotitehtävien kautta. Kotitehtäviä koskeva opetuspäivystys keten mikroluokassa, kete 1. kerros, myöhemmin ilmoitettavat ajat. Voi kysyä muulloinkin Kimmo Klemolalta ja assistentti Azita Soleymanilta. Kursin kotisivulla pyritään antamaan mahdollisimman ajantasaista informaatiota. Kotitehtävät jaetaan kotisivujen kautta. February 13, 2007 Kimmo Klemola 8 Luento 1 4

5 Kurssin sisältö Yleistä tietokoneista, mallituksesta, tietotekniikasta ja laskennasta; minkälaista mallitusta ja laskentaa kemianteollisuudessa ja prosessiteollisuudessa tarvitaan ja käytetään. Windows-käyttöjärjestelmä (Windows XP) Tekstinkäsittely - Microsoft Word Microsoft PowerPoint Taulukkolaskenta - Microsoft Excel Numeerinen laskenta - Polymath ja Matlab (regressio, differentiaaliyhtälöiden ratkaiseminen, epälineaariset ja lineaariset yhtälöryhmät eli käytännön työkalut) Ohjelmointi, esimerkkinä Fortran-kieli February 13, 2007 Kimmo Klemola 9 Kurssin aikataulu 2007 (voi muuttua) Mallitus laskenta Luento Mallitus laskenta Luento Case CFD: Advanced modelling in chemical engineering, Dr. Azita Soleymani Mallitus laskenta Luento3 ja käyttöjärjestelmä Windows XP Microsoft Word Microsoft PowerPoint Microsoft Excel (1) Huom!!!! ei luentoa (tenttiviikko) Microsoft Excel (2) Polymath (1) Polymath (2) Tenttipäivä Matlab (1) Matlab (2) Fortran Mikroluokka (kete)? February 13, 2007 Kimmo Klemola 10 Luento 1 5

6 Tietokone Seuraavaan esitykseen taustaksi mainittakoon, että tehokas nykyaikainen pöytäkone (PC) pystyy noin nopeuteen X flops = X (=noin 10?) gigaflops (flop = floating point operations per second, laskutoimitusta sekunnissa) February 13, 2007 Kimmo Klemola 11 Tietokoneen kehityksen aikajana 3000 ekr Kiinalaiset keksivät helmitaulun. Nykytekniikan hitaimpia siemenen itämisiä on ollut tietokoneella. Jos lähdetään helmitauluista, tulee itämisaikaa viitisen tuhatta vuotta, jos laskukoneesta (Pascal), tulee aikaa yli 300 vuotta. (Osmo A. Wiio, Tekniikan maailma 20/2003) Blasie Pascal kehitti mekaanisen laskukoneen Charles Babbagen (engl.) mekaaninen ja ohjelmoitava tietokone Hollerithin reikäkorttikone 1930-luku Englannissa, Saksassa ja Yhdysvalloissa tehtiin kokeiluja elektronisella tietokoneella Colossus valmistui Englannissa avaamaan saksalaisten salakoodia. Colossus purettiin sotasalaisuutena sodan jälkeen. February 13, 2007 Kimmo Klemola 12 Luento 1 6

7 Tietokoneen kehityksen aikajana 1944 Harvardin (IBM:n) Mark I valmistui ENIAC-tietokone valmistui ( tyhjöputkea, 500 flops), tyhjöputkien aika alkoi Transistorit alkavat syrjäyttää tyhjöputkia TKK:n ja Helsingin yliopiston yhteishanke ESKOtietokoneen rakentamiseksi 1958 Ensimmäinen kaupallinen tietokone Suomeen (Postipankki). February 13, 2007 Kimmo Klemola 13 Tietokoneen kehityksen aikajana Ensimmäiset supertietokoneet (CDC megaflops) Gordon Moore (*1929, kemisti!!) julkaisee artikkelin, jossa hän ennustaa tietokoneen laskentakapasiteetin (transistorien pakkaustiheyden mikropiireissä) kaksinkertaistuvan 18 kuukauden välein. Nykyään arvioidaan, että Mooren laki pitää kutinsa noin vuoteen , jolloin atomitason rajoitteet tulevat vastaan Gordon Moore ja Robert Noyce perustavat Intelin Internetin edeltäjä ARPANET luodaan USA:ssa sotilaskäyttöön, jotta hallitus voisi kommunikoida ydinsodan jälkeen Ensimmäinen mikroprosessori (Intel 4004) 1973 Suomen ensimmäinen mikrotietokone (Intel prosessori) Digelius Finland Oy:hyn Ensimmäinen todellinen mikrotietokone Altair. February 13, 2007 Kimmo Klemola 14 Luento 1 7

8 Tietokoneen kehityksen aikajana 1975 Microsoft perustetaan. UNIX-käyttöjärjestelmä Ensimmäinen Applen tietokone. Cray 1, jota monet pitävät ensimmäisenä supertietokoneena (160 megaflops = flops) DEC:n (Digital) pääjohtaja Ken Olsen: Ei ole mitään syytä miksi kenelläkään olisi tarvetta saada tietokone kotiinsa DOS-käyttöjärjestelmä MS-DOS-käyttöjärjestelmä. IBM:n ensimmäinen PC. IBM:n mikrotietokoneista tulee vähitellen standardi, jonka kanssa muut valmistajat, ohjelmat ja oheislaitteet ovat yhteensopivia. Ensimmäinen raahattava Osborne 1 (11 kg, ei ollut akkua). February 13, 2007 Kimmo Klemola 15 Tietokoneen kehityksen aikajana 1982 ARPANETistä käytetään 1. kertaa nimitystä Internet Ensimmäinen todellinen kannettava Data Generalin DG/One (3,5 in diskettiasema, akku, nestekidenäyttö ynm) Microsoftin Windows-käyttöjärjestelmä. February 13, 2007 Kimmo Klemola 16 Luento 1 8

9 Tietokoneen kehityksen aikajana 1985 Cray Y-MP supertietokone, suorituskyky nykyisen PC:n luokkaa Intel 386-prosessori 1989 Intel prosessori. Internet korvaa ARPANETin Elokuussa suomalainen opiskelija Linus Torvalds lähettää Usenetin uutisryhmään seuraavan viestin: Hello everybody out there using minix- I'm doing a (free) operating system (just a hobby,won't be big and professional like gnu) for 386(486) AT clones. Linux-käyttöjärjestelmä on syntynyt WWW (World Wide Web) syntyy Intel Pentium-prosessori. Ensimmäinen WWW-selain Mosaic Intel Pentium II 1999 Intel Pentium III 2001 Intel Pentium Japanissa valmistui Earth Simulator-supertietokone, joka oli maailman tehokkain (35,86 teraflops = flops), laskemaan mm. ilmastonmuutosta. February 13, 2007 Kimmo Klemola 17 Tietokoneen kehityksen aikajana 2004 USA:n energiaministeriön tilaama IBM Blue Gene/L on maailman tehokkain supertietokone (70,72 teraflops) IBM Blue Gene/L-supertietokoneen on tarkoitus koostua miljoonasta rinnakkaisesta tehokkaasta Pentiumprosessorista. Sen ainoa tehtävä on mallintaa ihmisen proteiinin laskostumista. Luonto selviytyy tehtävästä sekunnin murto-osissa. Blue Geneltä kuluu tehtävään vuosia. Nopeus 360 teraflops eli noin 10 kertaa tehokkaampi kuin Earth Simulator ja tehokkaampi kuin 500 nykyään tehokkainta supertietokonetta yhteensä (kevään 2005 tietoa) Blue Gene/P:n on tarkoitus olla suoritusnopeudeltaan 1. petaflopin tietokone ( flops). Super Grid. Supertietokoneiden verkko Mooren laki tietoverkoille on tarkoittanut liikenten kasvua kaksinkertaiseksi joka vuosi Vuonna 2015 liikenne on kertainen vuoteen 2005 verrattuna Mooren laki pitänee kutinsa noin vuoteen 2020 eli mikroprosessorien suoritusnopeus tuplaantuu 18 kuukauden välein. Sen jälkeen transistorien pakkauksessa tulevat atomitason rajoitteet vastaan Kvanttitietokoneiden aika. (?) February 13, 2007 Kimmo Klemola 18 Luento 1 9

10 Supertietokoneet Supertietokoneella tarkoitetaan omana aikanaan huomattavan laskentakapasiteetin omaavaa tietokonetta. Supertietokoneita käytetään mm. seuraaviin tarkoituksiin: Sään ennustaminen Ilmastolaskelmat, ilmastonmuutoksen ennustaminen Molekyylimallinnus molekyylien rakenteen ja ominaisuuksien ennustaminen kidemuodot synteesitiet merkitystä erityisesti lääkekehityksessä Virtauslaskenta (CFD) sään ennustaminen on virtauslaskennan merkittävin sovellus lentokoneen ja autojen suunnittelu (tuulitunnelit ynm) prosessiteollisuuden laitteiden ja prosessien suunnittelu lääketiede, virtaukset verisuonistossa Ydintekniikka, ydinräjähdyksen simulointi Salaus, salakoodaus Biotekniikka, esim. ihmisen genomin kartoitus February 13, 2007 Kimmo Klemola 19 Supertietokoneet Supertietokoneiden teho perustuu nykyään rinnakkaislaskentaan, jossa huomattava määrä tavallisia prosessoreita on yhdistetty toisiinsa. Supertietokoneissa haasteena on mm: Prosessorien kommunikointi*, tiedonsiirtonopeus, algoritmit Käyttöjärjestelmä Jäähdytys, tarvitaan nestejäähdytystä February 13, 2007 Kimmo Klemola 20 Luento 1 10

11 Miksi Blue Gene? Mitä järkeä on rakentaa 400 miljoonan dollarin Blue Gene tutkimaan vain ihmisen proteiinin laskostumista? IBM pyrkii kehittämään huipputehokkaan supertietokoneen myös edullisesti, saadaan siis teknistaloudellista tietoa ja hyötyä. Laskostumishäiriöt ovat merkittävässä osassa monissa sairauksissa, esimerkiksi Alzheimerin tauti ja hullun lehmän tauti, ja ilmiön tunteminen auttaa taudin ennaltaehkäisyssä, hoidossa ja lääkekehityksessä. Muita merkittäviä tauteja, joiden ongelmiin voidaan löytää ratkaisuja ovat: HIV hepatiitti February 13, 2007 Kimmo Klemola 21 Supertietokoneet TOP 10 11/2006 February 13, 2007 Kimmo Klemola 22 Luento 1 11

12 PC-mikrotietokone February 13, 2007 Kimmo Klemola 23 Mitä PC sisältää Keskusyksikkö Central processing unit (CPU) - Keskusyksikössä tapahtuu käskyjen tulkinta ja suoritus. Keskusyksikköön sisältyvät ohjausyksikkö, aritmeettislooginen yksikkö, rekisteri ja näitä yhdistävät tiedonsiirtoväylät. Mikroprosessori eli keskusyksikkö on tietokoneen aivot, joka koordinoi muita hardware-laitteita ja valvoo kaikkea mitä tietokone tekee. Esimerkiksi Intel Pentium 4 HT 3.0 GHz, jossa kellotaajuus 3,0 gigahertziä (verrannollinen nopeuteen). Muisti Memory Muisti sisältää dataa. February 13, 2007 Kimmo Klemola 24 Luento 1 12

13 Mitä PC sisältää Tietokoneessa on useanlaista muistia: Työmuisti, suorasaantimuisti Random-access memory (RAM) Varastoi väliaikaisesti tietoa, jota tietokone paraikaa työstää. Lukumuisti, kiintomuisti Read-only memory (ROM) - Muisti, johon ei voi kirjoittaa sen ollessa kytkettynä käyttävään laitteistoon. Se säilyttää sisältönsä käyttöjännitteen katketessa. Kestomuisti, jota tietokone käyttää tärkeän muuttumattoman tiedon säilyttämiseen. Kovalevy Hard disk Pysyvä massamuisti. BIOS Basic input/output system (BIOS) ROM-tyypin muisti, jota tietokone käyttää, kun se kytketään päälle. Välimuisti, kätkömuisti, Cache Caching - Pieni ja nopea laitteen suorituskykyä lisäävä apumuisti, joka sijaitsee prosessorin ja päämuistin välissä. Virtuaalimuisti, näennäismuisti Virtual memory Kovalevyllä oleva muistitila, jota ruuhkatilanteessa käytetään RAM-muistin tavoin datan väliaikaiseen tallentamiseen ja käyttämiseen. Mikäli kone joutuu ottamaan virtuaalimuistin käyttöön, se näkyy toimintojen hidastumisena. February 13, 2007 Kimmo Klemola 25 Mitä PC sisältää Emolevy Motherboard - Piirilevy, johon voidaan liittää yksi tai useampia komponenteilla varustettuja piirilevyjä eli kortteja. Keskusyksikkö ja muistit ovat usein emolevyllä. Esimerkiksi äänikortti on joko emolevyllä tai liitettynä siihen johtimilla. Virtalähde Power supply - Huolehtii tietokoneen virran saannista. Kovalevy Hard disk Pysyvä massamuisti, jossa on tyypillisesti tiedostot ja ohjelmat. Käyttöjärjestelmä Operating system - Tietokoneen hallinnassa käytettävä ohjausohjelmista koostuva kokonaisuus. Mahdollistaa käyttäjälle tietokoneen kanssa kommunikoinnin. Äänikortti Sound card Tietokone käyttää äänikorttia äänen nauhoittamiseen ja toistamiseen muuttamalla analogisen äänen digimuotoon ja toisinpäin. Grafiikkakortti Graphics card Muuttaa tietokoneen kuvadatan sellaiseksi, että kuva näkyy monitorilla (näytöllä). February 13, 2007 Kimmo Klemola 26 Luento 1 13

14 Miksi tietotekniikkaa kemian- ja prosessiteollisuudessa: Edut ylipäänsä valtavat Lisää yleisesti tehokkuutta ja työn tuottavuutta Nopeuttaa suunnittelua, työhön perehdyttämistä Tuotanto ja prosessit saadaan optimoitua Rahaa, energiaa, raaka-aineita kuluu vähemmän (tai rahaa tulee enemmän) Pystytään korvaamaan kallista koetoimintaa Pystytään tekemään asioita, joita ei muutoin pystyttäisi tekemään (hyvin monimutkaiset ihmiselle hallitsemattomissa olevat kokonaisuudet, valtavaa laskentatehoa vaativat tehtävät ) Tiedon hallinta, siirto, haku jne jne February 13, 2007 Kimmo Klemola 27 Esimerkki käsin laskettavissa olevasta ongelmasta Kemianteollisuuden prosessit -kurssin kotilasku (jos yksinkertainen systeemi) Kierrätys Syöttö Tuote Reaktori Erotus February 13, 2007 Kimmo Klemola 28 Luento 1 14

15 Teollisuuden prosessi käsin laskeminen hankalaa February 13, 2007 Kimmo Klemola 29 Mallituksesta ja prosessiteollisuuden tietotekniikasta, laskennasta ja ohjelmista Lähde: State of Mathematical Modelling and Simulation in the Finnish Process Industry, Universities and Research Centres Kimmo Klemola Ilkka Turunen Tekes-raportti 2001 February 13, 2007 Kimmo Klemola 30 Luento 1 15

16 February 13, 2007 Kimmo Klemola 31 Missä kaikkialla käytetään kemian- ja prosesiteollisuuden mallitusta ja laskentaa? Prosessiteollisuus Kemian teollisuus (Chemical and specialty chemical industry) Hienokemian teollisuus (Fine chemicals industry) Öljyn jalostus ja petrokemian teollisuus (Oil refining and petrochemicals industry) Elintarviketeollisuus (Food and drink industry) Jätteiden käsittely ja jäteveden puhdistus (Waste management and water treatment sector) Sellu- ja paperiteollisuus (Pulp and paper industry) Metallurginen teollisuus (Metallurgical industry) Lääketeollisuus (Pharmaceutical industry) Biotekniikka (Biotechnology) Muovi-, polymeeri- ja kumiteollisuus (Plastics, polymer and rubber industry) Maaliteollisuus (Paint and coating industry) Prosessiteollisuuden laitetoimittajat (Process equipment manufacturers) Rakennustarviketeollisuus (Construction and building material industry) Energiateollisuus (Energy industry) Insinööri- ja konsulttitoimistot (Engineering and consulting companies) February 13, 2007 Kimmo Klemola 32 Luento 1 16

17 Missä kaikkialla käytetään kemian- ja prosesiteollisuuden mallitusta ja laskentaa? Yliopistot ja tutkimuskeskukset Lappeenrannan teknillinen yliopisto Helsingin teknillinen korkeakoulu Tampereen teknillinen yliopisto Åbo Akademi Kuopion yliopisto Jyväskylän yliopisto Turun yliopisto Oulun yliopisto Helsingin yliopisto Joensuun yliopisto VTT - Valtion teknillinen tutkimuskeskus CSC Tieteellinen laskenta Oy (CSC - Scientific Computing Ltd) KCL - Keskuslaboratorio February 13, 2007 Kimmo Klemola 33 Millä tasoilla laskennan ja tietotekniikan työkaluista on hyötyä kemianteollisuudessa? February 13, 2007 Kimmo Klemola 34 Luento 1 17

18 Tehdas koostuu yksikköoperaatioista ja yksikköprosesseista jotka muodostavat prosessin ja prosesseja. Alla erään prosessin lohkokaavio (flowsheet) February 13, 2007 Kimmo Klemola 35 Yksikköoperaatio Useassa prosessissa esiintyvää prosessin osaa, jossa esiintyy samankaltainen fysikaalinen muutos, kutsutaan yksikköoperaatioksi. Tyypillisiä yksikköoperaatioita ovat tislaus, uutto, pumppaus, sekoitus, seulonta, murskaus ja lämmönsiirto February 13, 2007 Kimmo Klemola 36 Luento 1 18

19 Yksikköprosessi Useassa prosessissa esiintyvää prosessin osaa, jossa esiintyy samankaltainen kemiallinen muutos so. kemiallinen reaktio, kutsutaan yksikköprosessiksi. Tyypillisiä yksikköprosesseja ovat nitraatio, halogenaatio, hapetus, alkylaatio, esteröinti ja polymerointi. February 13, 2007 Kimmo Klemola 37 Luento 1 19