Ke3130900 Kemiantekniikan tietotekniikka Luento 1 Kimmo Klemola 18.01.2007 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
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
Tuote- ja prosessikehityksen laboratorio February 13, 2007 Kimmo Klemola 5 Teknillisen kemian laboratorio February 13, 2007 Kimmo Klemola 6 Luento 1 3
Kemiantekniikan tietotekniikka February 13, 2007 Kimmo Klemola 7 Kursin aikataulu, luennot, harjoitukset ja kotitehtävät 2007 Luentoajat 3. ja 4. periodi - to klo 15-17 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 http://www2.lut.fi/kete/teke/teke/ketetite/ketetite.htm pyritään antamaan mahdollisimman ajantasaista informaatiota. Kotitehtävät jaetaan kotisivujen kautta. February 13, 2007 Kimmo Klemola 8 Luento 1 4
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) 18.01. Mallitus laskenta Luento1 25.01. Mallitus laskenta Luento2 01.02. Case CFD: Advanced modelling in chemical engineering, Dr. Azita Soleymani 08.02. Mallitus laskenta Luento3 ja käyttöjärjestelmä Windows XP 15.02. Microsoft Word 22.02. Microsoft PowerPoint 01.03. Microsoft Excel (1) Huom!!!! 08.03. ei luentoa (tenttiviikko) 15.03. Microsoft Excel (2) 22.03. Polymath (1) 29.03. Polymath (2) 05.04. Tenttipäivä 12.04. Matlab (1) 19.04. Matlab (2) 26.04. Fortran 03.05. Mikroluokka (kete)? February 13, 2007 Kimmo Klemola 10 Luento 1 5
Tietokone Seuraavaan esitykseen taustaksi mainittakoon, että tehokas nykyaikainen pöytäkone (PC) pystyy noin nopeuteen X 000 000 000 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). 1642 Blasie Pascal kehitti mekaanisen laskukoneen. 1833 Charles Babbagen (engl.) mekaaninen ja ohjelmoitava tietokone. 1886 Hollerithin reikäkorttikone 1930-luku Englannissa, Saksassa ja Yhdysvalloissa tehtiin kokeiluja elektronisella tietokoneella. 1943 Colossus valmistui Englannissa avaamaan saksalaisten salakoodia. Colossus purettiin sotasalaisuutena sodan jälkeen. February 13, 2007 Kimmo Klemola 12 Luento 1 6
Tietokoneen kehityksen aikajana 1944 Harvardin (IBM:n) Mark I valmistui. 1946 ENIAC-tietokone valmistui (18 000 tyhjöputkea, 500 flops), tyhjöputkien aika alkoi. 1950 Transistorit alkavat syrjäyttää tyhjöputkia. 1954-60 TKK:n ja Helsingin yliopiston yhteishanke ESKOtietokoneen rakentamiseksi 1958 Ensimmäinen kaupallinen tietokone Suomeen (Postipankki). February 13, 2007 Kimmo Klemola 13 Tietokoneen kehityksen aikajana 1960-65 Ensimmäiset supertietokoneet (CDC 6600 10 megaflops). 1965 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 2015-2018, jolloin atomitason rajoitteet tulevat vastaan. 1968 Gordon Moore ja Robert Noyce perustavat Intelin. 1969 Internetin edeltäjä ARPANET luodaan USA:ssa sotilaskäyttöön, jotta hallitus voisi kommunikoida ydinsodan jälkeen. 1971 Ensimmäinen mikroprosessori (Intel 4004) 1973 Suomen ensimmäinen mikrotietokone (Intel 8008- prosessori) Digelius Finland Oy:hyn. 1975 Ensimmäinen todellinen mikrotietokone Altair. February 13, 2007 Kimmo Klemola 14 Luento 1 7
Tietokoneen kehityksen aikajana 1975 Microsoft perustetaan. UNIX-käyttöjärjestelmä. 1976 Ensimmäinen Applen tietokone. Cray 1, jota monet pitävät ensimmäisenä supertietokoneena (160 megaflops = 160 000 000 flops). 1977 DEC:n (Digital) pääjohtaja Ken Olsen: Ei ole mitään syytä miksi kenelläkään olisi tarvetta saada tietokone kotiinsa. 1980 DOS-käyttöjärjestelmä. 1981 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. 1984 Ensimmäinen todellinen kannettava Data Generalin DG/One (3,5 in diskettiasema, akku, nestekidenäyttö ynm). 1985 Microsoftin Windows-käyttöjärjestelmä. February 13, 2007 Kimmo Klemola 16 Luento 1 8
Tietokoneen kehityksen aikajana 1985 Cray Y-MP supertietokone, suorituskyky nykyisen PC:n luokkaa. 1986 Intel 386-prosessori 1989 Intel 80486-prosessori. Internet korvaa ARPANETin. 1991 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. 1992 WWW (World Wide Web) syntyy. 1993 Intel Pentium-prosessori. Ensimmäinen WWW-selain Mosaic. 1997 Intel Pentium II 1999 Intel Pentium III 2001 Intel Pentium 4 2002 Japanissa valmistui Earth Simulator-supertietokone, joka oli maailman tehokkain (35,86 teraflops = 35 860 000 000 000 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). 2005 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). 2007 Blue Gene/P:n on tarkoitus olla suoritusnopeudeltaan 1. petaflopin tietokone (1 000 000 000 000 000 flops). Super Grid. Supertietokoneiden verkko. 2015 Mooren laki tietoverkoille on tarkoittanut liikenten kasvua kaksinkertaiseksi joka vuosi Vuonna 2015 liikenne on 1000- kertainen vuoteen 2005 verrattuna. 2020 Mooren laki pitänee kutinsa noin vuoteen 2020 eli mikroprosessorien suoritusnopeus tuplaantuu 18 kuukauden välein. Sen jälkeen transistorien pakkauksessa tulevat atomitason rajoitteet vastaan. 2020- Kvanttitietokoneiden aika. (?) February 13, 2007 Kimmo Klemola 18 Luento 1 9
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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