Ivo van Stokkum
Informatie, communicatie, computers en wij
Informatie, Communicatie, Computers en Wij
Inhoud •
Inleiding
•
Informatie
•
Communicatie
•
Computers en wij
•
En verder …
uitdaging: berekening eiwitvouwing
Faculteit Exacte Wetenschappen Hans Spoelder† Ivo van Stokkum
Definities
Informatie ‘gebeurtenis in een omringende wereld’
Communicatie
Technologie
‘overdracht van informatie’
Computers ‘(autonome) Informatie verwerkende systemen’
Trends
Wij ‘autonome informatie verwerkende systemen die communiceren’
Inleiding
Moore's Law Marching On PC Magazine, August 19, 2002 It happens like clockwork. Every odd year, Intel introduces a new manufacturing process; soon after, it produces desktop CPUs that are far smaller and faster than ever before, proving once again that company co-founder Gordon Moore was dead right: The number of transistors on CPUs doubles every 18 months or so. In 1999, the company introduced its 0.18µ process, a means of building chips whose smallest features are only 0.18 millionths of a meter wide. In 2001, it introduced the 0.13µ process. This week, it announced its new 90-nanometer process, slated for use with mainstream processors by the end of 2003. Surpassing even its name, the process can etch devices into silicon that are only 0.05 millionths of a meter wide. ...
Intel Drives Moore's Law Forward with 65 Nanometer Process Technology [August 30, 2004]
Fall 2006 Conroe 65 nm processor, uses less power Exponentiële groei
45nm and 32nm, due in 2007 and 2009 ???
1
Ivo van Stokkum
Die door blijft gaan … ?
Informatie, communicatie, computers en wij
Inleiding Type nieuw produkt Doorbraak Nieuwe lijn Major revisie Minor revisie
1990: gemiddelde ontwikkelingstijd 49 maanden 35 maanden 22 maanden 10 maanden
1995: gemiddelde ontwikkelingstijd 42 maanden 29 maanden 18 maanden 8 maanden
Dus: binnen uw studie valt er een
‘doorbraak’ in de it-technologie
Inleiding
De Toekomst
Ontwikkeling gaat al 20 jaar exponentieel maar grenzen aan de groei komen in zicht Met de huidige technologie in dit decennium in de problemen. Nauwe correlatie met de economie http://www-ics.ee.ic.ac.uk/surp98/report/sp24/index.html
Moore in 2002 on new applications enabled by increasing chip capacity: Difficult question. In 1980 I would have missed the PC, in 1990 the Internet. Speech recognition by computers would profoundly change the way people work with machines and interact with one another. The power of a network of powerful machines that couple humans together, I think is going to have an impact that is far beyond my comprehension.
Informatie Gebeurtenis in een omringende wereld
2
Ivo van Stokkum
Informatie, communicatie, computers en wij
http://www.sims.berkeley.edu/research/projects/howhttp://www.sims.berkeley.edu/research/projects/how-muchmuch-infoinfo-2003/
Informatie verdubbelt elke 3 jaar De laatste decennia is er een sterke steiging van de hoeveelheid informatie, zowel gedrukt als in electronische vorm
Informatie
Shannon
“The mathematical theory of communication”, 1949
In woorden
“Informatie en waarschijnlijkheid hebben een omgekeerd evenredige relatie”
1 NY Times on Sunday = evenveel informatie als een mens in de middeleeuwen in een heel leven tot zich nam
Informatie
Informatie
I i = log 2 (1 / pi ) = − log 2 ( pi ) sensor
I gemiddeld
=
∑
piIi
i
wereld signaal bv: dobbelsteen: 2.58 bits per uitkomst
NB.: zonder sensor is informatie overdracht onmogelijk
Informatie Gezicht
Inform atie (bits) 3⋅10 5
Gehoor Tast
2 - 5⋅10 4 2⋅10 5
Warm te
2⋅10 5
Reuk Sm aak
10 - 100 10
Informatie Receptoren 10 7 (kleur) 10 8 (schemer) 1-3⋅10 4 5⋅10 5 (druk) 3⋅10 5 (pijn) 1⋅10 4 (hitte) 3⋅10 5 (kou) 10 7 10 7
Zenuw aansluiting 1 – 2⋅10 5 T221
1 – 2⋅10 4 1⋅10 4 1⋅10 4 2⋅10 3 2⋅10 3
Bron: J.H. van Bemmel en M.A. Mussen (Eds) Handbook of Medical Informatics, Springer 1977
3
Ivo van Stokkum
Informatie, communicatie, computers en wij
Informatie
Informatie
Energie In
Signaal In
Logic Device
Signaal Uit
Second law of thermodynamics:
No process is possible whose sole result is the absorption of heat from a reservoir and the conversion of this heat into work
Wat maakt het proces Onomkeerbaar ?
Informatie
Challenge: Computing for the Life Sciences
Consequentie:
Een beslissing nemen kost ‘warmte’ en hoe meer beslissingen (clock frequentie) hoe meer warmte.
Prognose
2010: Chip met 800 miljoen transistoren 180 Watt (vergelijk mens 80 Watt) Rond 2017 (Moore in 1997) problemen met huidige technologie
Nog haalbaar
Factor 105 tot fysische limiet
Protein folding
Physical time for simulation
10–4 seconds
Typical time-step size
10–15 seconds
Number of MD time steps
1011
Atoms in a typical protein and water simulation
32000
Approximate number of interactions in force calculation
109
Machine instructions per force calculation
1000
Total number of machine instructions
1023
One year Clock cycle
3
Warmte Afvoer
Gaining insight into protein science and protein folding mechanisms Simulating (thousands of) macromolecules Silicon cells …
Interdisciplinary: Mathematics, Physics, Chemistry, Computer Science, Biology Method: molecular dynamics: integrating Newton’ Newton’s law F=m.a F=m.a for all atoms where F depends on all atoms!
http://www.research.ibm.com/bluegene/ http://researchweb.watson.ibm.com/journal/sj/402/allen.html
107
second 10-9 second
Three years * 106 processors = 3 * 3 107 * 106 * 109 = 1023
Table 1 The computational effort required to study protein folding is enormous. Using crude workload estimates for a petaflop/second capacity machine leads to an estimate of three years to simulate 100 microseconds.
Blue Gene now 512 or more nodes 65536 processors 114114-281 Teraflops (1012 floating point operations / s) fastest supercomputer not yet fast enough … wordt gebruikt voor de grootste radiotelescoop: radiotelescoop: http://www.lofar.nl http://www.lofar.nl
4
Ivo van Stokkum
Informatie, communicatie, computers en wij
Dedicated chip
Communicatie
Voor Moleculaire Dynamica MDGrape-3 petaflop in 2006, 350 MHz, 20 berekeningen parallel op chip http://mdgrape.gsc.riken.jp slechts 0.3 Watt/gigaflop vergelijk 14 Watt/gigaflop Pentium 4
Overdracht van informatie
Communicatie
Communicatie
Eindige snelheid
Model volgens Shannon
Kan de informatie invalideren
Eindige bandbreedte
Niet alles kan overgedragen worden
Opstarttijd Zelfde effect
Source Source
Kanaal Kanaal
Codering
Ruis Rui s
gedachte
Verminking van de informatie
Decodering
gedachte
Ruis
Communicatie
Target Target
spraak
gehoor
Compressie
Discreet versus analoog (beperk de invloed van ruis) switched versus continu (maak efficiënt gebruik van capaciteit) Gecomprimeerd versus normaal (maak gebruik van voorkennis)
Origineel GIF: 45K TIF: 77K
JPEG: 3.9 K (25%)
JPEG: 8K (75%)
JPEG: 5.6K (50%)
JPEG: 2,5 K (8%)
JPEG: 2,0 K (5%)
5
Ivo van Stokkum
Informatie, communicatie, computers en wij
Communicatie
Probleem: Te traag van staart naar kop
Communicatie
Hersenen: 0.5 - 2.0 m/s (20 - 40 msec)
Netwerk technologie
HTML
(verbinding)
(ontwikkeling door CERN) (taal)
Internet
Browser
(Mosaic NCSA) (viewer)
speciaal: 100 m/s http://www.netvalley.com/intval1.html
Communicatie
Communicatie
browser Origineel
HTML
daemon
http local
daemon
link
Communicatie
http
source
GIF JPEG XMB TIFF PICT Rasterfile MPEG Avi QuickTime AU WAV MP3 PostScript Acrobat ….
Image Image Image Image Image Image Movie Movie Movie Audio Audio Audio Document Document ……
Any Any Unix Any Any SUN Any Microsoft Apple SUN Microsoft Fraunhofer Inst. Any Any ….
Communicatie
6
Ivo van Stokkum
Informatie, communicatie, computers en wij
Communicatie
Communicatie Standaard MPEG 1 MPEG 2 MJPEG H2.61
Kwaliteit Med-High High High Poor
Compressie 35:1 40:1 20:1 200:1
Data rate 1.2 Mbit/s 2-60 Mbit/s 3 Mbit/s 50 Kbit/s
Compressie: gebruik van voorkennis over de informatiestructuur
Computers & Wij
Computers & Wij
Uitdaging Communiceer de informatie tussen Computers en Mensen op een voor de mens natuurlijke manier
(Autonome) Informatie verwerkende systemen
vb. Userinterface Visualisatie Virtual Reality
November/December 2000.
Computers & Wij
Standard display
Computers & Wij
Virtual reality
Visuele Informatie Overdracht
tiled display
Augmented reality
7
Ivo van Stokkum
Computers & Wij
Informatie, communicatie, computers en wij
FEW Surf Project
Operationeel sinds 2002 (S1.11) http://www.icwall.nl
Ontwikkelingen
Connectiviteit
Groei
User interface
Miniaturisatie
Mobiel, omnipresent, internet
blijft exponentiële groei doorgaan ?
Auditief, tactiel domein (VR)
Toenemende integratie met mens
8
