Физические основы информационных технологий

Курс посвящен изучению устройств вычислительной техники с точки зрения базовых физических законов. К данным устройствам можно отнести: микросхемы (процессоры, оперативная память, флэш память и другие полупроводниковые устройства); системы отображения и ввода информации; печатающие устройства; квантовые компьютеры; линии передачи данных; смарт-карты. Работу каждого узла вычислительной техники можно связать с каким-либо физическим законом. В представляемом курсе делается упор не только на пояснение принципа работы устройства, но и на анимационные ролики, направленные на детальное изучение физических законов.

В ходе курса предусмотрено выполнение четырех лабораторных работ и двух тестовых заданий.

Курс включает:

• тематические видеолекции;
• тестовые задания на оценку;
• лабораторные работы.

Предусмотрено итоговое контрольное тестирование по содержанию всего курса.

Курс рассчитан на 14 недель изучения. Недельная учебная нагрузка обучающихся по курсу составляет 6 – 8 часов (в зависимости от сложности раздела). Общая трудоемкость курса – 3 зачетных единицы.

1. Л. Н. Токарев. Физические процессы в электрических устройствах. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007
2. А. А. Барыбин. Электроника и микроэлктроника. М.: Физматлит, 2006.
3. А. В. Афанасьев. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы. М.: Физматлит, 2006.
4. А. Ю. Гринев. Оптические устройства в радиотехнике. М. Радиотехника, 2005.

Курс рассчитан на бакалавров 3-го года обучения, освоивших базовые курсы физики, математики, информационных технологий. Может быть использован для повышения квалификации специалистами в области информационных технологий.

Тема 1. Основы электромагнитной теории волноводов
  1.1. Уравнения Максвелла
  1.2. Волноводы. Дисперсионные уравнения
  1.3. Источники электромагнитных волн

Тема 2. Распространение электромагнитных волн в волноводах
  2.1. Типы мод в волноводах
  2.2. Численное решение дисперсионных уравнений, дисперсионные кривые
  2.3. Фазовая и групповая скорости
  2.4. Потери энергии в волноводе
  2.5. Анимации. Типы мод в волноводе
  Л/р №1 Дисперсионные кривые

Тема 3.  Оптоволоконные линии
  3.1. Оптический диапазон электромагнитных волн, оптические волноводы
  3.2. Искажение импульса в оптических волноводах
  3.3. Распространение св. волн в слоистых средах
  Л/р №2. Искажение сигнала в волноводе

Тема 4. Флэш-память
  4.1. Полевые транзисторы
  4.2. Конструкция и принцип работы ячейки памяти
  4.3. Физические законы функционирования флэш-памяти
  Л/р №3. Формирование последовательности импульсов

 Тема 5. Магнитные носители информации
  5.1. Ферриты и ферромагнетики, гистерезис
  5.2. Принцип работы ячейки памяти
  5.3. Информация на винчестере. Запись и чтение информации

Тема 6. Жидкокристаллические экраны
  6.1. Устройство ЖКД
  6.2. Виды поляризации. Стереоэкраны
  6.3. Дисплеи E-Ink
  6.4. Анимации. Ячейка стереоэкрана

Тема 7.  Сенсорные экраны
  7.1. Принцип работы резистивных экранов
  7.2. Принцип работы емкостных экранов
  7.3. Граничные условия. Силовые линии и эквипотенциали
  7.4. Анимации. Изменение силовых линий электростатического поля

Тема 8.  Полупроводниковые приборы
  8.1. Полупроводники. Диоды
  8.2. Транзисторы
  8.3. Операционный усилитель
  8.4. Цифровая схемотехника
  8.5. Анимации. Демонстрация работы полупроводниковых устройств

Тема 9.  Печатающие устройства
  9.1. Лазерный принтер, акустооптический эффект
  9.2. Струйный принтер
  9.3. Сублимационные принтеры

Тема 10. Квантовые компьютеры. Квантовая телепортация
  10.1. Современные вычислительные проблемы
  10.2. Квантовая запутанность
  10.3. Кубит
  10.4. Принцип работы квантового телепортационного канала
  10.5. Анимации. 1 – Квантовый компьютер; 2 – Запутанные фотоны

Тема 11. Смарт-карты
  11.1. Устройство смарт-карты
  11.2. Физические основы работы смарт-карт
  11.3. Индуктивность

Тема 12. Численные методы решения физических задач
  12.1. Метод половинного деления. Метод Ньютона
  12.2. Метод градиентного спуска
  12.3. Задача о туннелировании частицы через произвольный барьер
  12.4. Принцип суперпозиции
  12.5. Численное решение ДУ
  12.6. Алгоритм БПФ
   Л/р № 4. Построение силовых линий электростатического поля

Тема 13. Преобразование Фурье
  13.1. Прямое и обратное преобразование Фурье
  13.2. Преобразование Фурье для одиночных и периодических сигналов
  13.3. Применение Фурье-анализа на практике
  13.4. Анимации. Влияние параметров сигнала на спектр

В результате освоения курса, обучающийся способен:

• Знать физические основы функционирования элементов вычислительной техники и современный уровень развития информационных технологий;
• Уметь строить алгоритмы решения физических задач;
• Владеть навыками самостоятельной работы над новыми задачами решению задач в пределах программы курса.