Rekonfigurerbare computerchips skaber alt-i-én måleløsning til laboratoriet

Meget af din forskerkarriere har fokuseret på at bruge optik til at måle små variationer i tyngdekraften, herunder gravitationsbølger. Kan du beskrive dit akademiske arbejde?

Mine primære forskningsinteresser er inden for optisk metrologi, og jeg har arbejdet med LINK , LISA gravitationsbølgedetektorer. Jeg er et meget målrettet menneske, og jeg var meget tiltrukket af de store måleudfordringer ved tyngdebølgedetektion, da jeg begyndte at arbejde i feltet som postgraduate studerende i 1996. Det virkede som et umuligt vanskeligt problem:  hvordan laver man verdens mest følsomme måleenhed? Jeg arbejdede sammen med hundredvis af andre forskere, hvilket jeg tror fik os alle til at føle os en smule mindre skøre. Det var meget glædeligt, da gravitationsbølger blev opdaget af LIGO i 2015.

I løbet af min tidlige karriere blev jeg meget interesseret i problemløsningsaspekterne ved måling. Vi havde brugt så meget tid og kræfter på at bygge LIGO-teknologi, og jeg begyndte at tænke på, hvordan vi kunne dele den med resten af ​​verden for at løse andre måleudfordringer. Det var det, der drev mig til at se dybere ind i forståelsen af ​​måleteknologi på et meget grundlæggende, videnskabeligt niveau.

Du grundlagde Liquid Instruments i 2014, fordi du var frustreret over manglen på innovation i test- og måleindustrien. Hvad var problemerne med det udbudte sæt på det tidspunkt?

Det er en af ​​de industrier, der ikke har ændret sig i mange, mange årtier. Folk, der brugte et oscilloskop tilbage i 1970'erne eller endda 1960'erne, ville finde moderne instrumenter velkendte. Testudstyr havde ikke fulgt med, hvordan vi interagerer med teknologi – det var ikke sjovt at bruge. Så mange andre industrier havde forbedret og tilpasset deres produkter i lyset af moderne digitale teknologier, det fik mig til at indse, at hvis vi forbedrede, hvordan folk interagerer med deres udstyr, ville det forbedre deres liv i laboratoriet.

Omkring det tidspunkt bevægede min gravitationsbølgeforskning sig væk fra jordbaserede detektorer som LIGO til rumbaserede detektorer som f.eks. Lisa stifinder. Det betød, at vi var nødt til at ændre måden, vi lavede målinger på. LIGO har noget i retning af 100,000 målekanaler og kræver en hær af kandidatstuderende og postdocs for at holde det summende. Du kan ikke gøre det i rummet, så udfordringen var at skabe en ny type målesystem, som du kunne opsende på en raket og betjene eksternt i et årti. Vi indså, at vi var nødt til at gå fra en fysisk, fastkablet tilgang til test og måling til et computerbaseret system, der brugte intelligent software.

Var det, da du begyndte at bruge field-programmable gate array (FPGA) computerchips?

Ja. Problemet med at forsøge at udføre test og måling med en konventionel computer er, at den ikke har de fysiske forbindelser til den virkelige verden, der er nødvendige for at foretage nøjagtige målinger. Men der var en ny type computerchip, som jeg havde hørt om, mens jeg var hos Caltech tilbage i slutningen af ​​1990'erne – FPGA. En FPGA er en computer, der kan omkonfigureres fuldstændigt og omkobles på en brøkdel af et sekund. FPGA virkede som en nyttig platform til at fusionere computerverdenen med hardwareverdenen og lave noget, der er større end summen af ​​dets dele.

Vi indså, at vi kunne bruge FPGA til at erstatte en lang række af konventionel instrumentering, herunder oscilloskoper, spektrumanalysatorer, signalgeneratorer og låste forstærkere. Der er ti, eller måske endda mere end 100 forskellige typer enheder, der kan oprettes ved hjælp af FPGA'er. 

Moku-Pro kan køre mange instrumenter på én gang, hvilket er i stand til at kommunikere med hinanden 

Hvad er fordelene ved FPGA-tilgangen?

Vi var begyndt at bruge FPGA'er til at skabe et fasemåler til LISA gravitationsbølgedetektoren. Vi valgte ikke en FPGA-baseret arkitektur på grund af dens fleksibilitet. Vi valgte det på det tidspunkt, fordi det var den eneste måde, vi kunne få den præstation, som LISA krævede.

Men vi indså hurtigt, at vi kunne omkonfigurere FPGA til at køre som et oscilloskop eller måske som en spektrumanalysator. Det er afgørende, at vi bemærkede, at denne tilgang havde mange fordele. Det betød, at vi ikke behøvede at gå og kæmpe for udstyr med de andre forskere i et laboratorium, hvor vi kun havde én spektrumanalysator. Det betød også, at vi kunne køre eksperimenter på afstand, fordi vi ikke behøvede fysisk at tilslutte eller frakoble kabler for at skifte instrument. 

En anden vigtig fordel ved vores FPGA-tilgang er, at vi kunne bruge software til at tilpasse instrumenterne til at gøre præcis, hvad vi ønskede. Hvis vi for eksempel ville skifte filteret på vores lock-in-forstærker, behøvede vi ikke at slå boksen op og få en loddekolbe ud. 

Vi kunne skabe et enormt udvalg af instrumenter med en enkelt enhed. Og fordi den enhed var utrolig nyttig, gjorde vi en indsats for at konstruere den til en høj standard. Vi begyndte at låne vores instrumenter ud til vores kolleger rundt om i verden, og vi lagde mærke til, at de aldrig ville give dem tilbage. De ville nægte at returnere dem. Og vi tænkte: "Åh, det er interessant."

Var det dengang, du indså det kommercielle potentiale i FPGA-tilgangen? 

Ja, vores softwaredefinerede tilgang gav os fleksibilitet, skalerbarhed og opgraderingsmuligheder. Teknologien blev hurtigt forbedret, og det stod klart for mig, at den ville dominere test- og måleindustrien om fem eller 10 år. Samtidig var computerindustrien fokuseret på at forbedre brugeroplevelsen, og det fik os til at indse, at vi havde et virkelig overbevisende produkt.

Så du lancerede dit første produkt, Moku:Lab i 2016. Hvordan var det?

Vi udgav Moku:Lab som vores mindste levedygtige produkt og havde tre instrumenter på det: et oscilloskop; en spektrumanalysator; og en bølgeformgenerator. I dag kan de første kunder nu køre 12 instrumenter ved blot at opdatere en app på en iPad. Denne tilgang er ved at blive almindelig i hele teknologisektoren – produkter, der bliver bedre med tiden. Dette er i modsætning til konventionelt testudstyr, som ikke nemt kan opgraderes, når du først har købt det.

Hvordan blev Moku:Lab først modtaget? 

Da vi startede virksomheden, havde mit team og jeg et ret godt ry for at udvikle instrumentering. Så i stedet for at blive afskediget, tænkte folk: "Der er nogle ret seriøse mennesker bag Liquid Instruments, og hvis de synes, det er en god idé, så er det nok værd at tage et ekstra kig på". Vores oprindelige ry var særligt stærkt på universitetsmarkedet, fordi jeg var professor i fysik ved ANU, som er et toprangeret universitet. 

Vi fandt ud af, at eksperimentelle fysikere og ingeniører er en fremadrettet flok og er villige til at afprøve nye teknologier. Disse plejer at være de mennesker, der er de første til at adoptere nye personlige teknologier blandt deres venner – eller som barn var de sandsynligvis ansvarlige for at programmere familiens videobåndoptager. Vi havde et stort antal tilhængere i de tidlige dage, som straks så de potentielle fordele ved vores tilgang og indså, at vores første forsøg ikke ville være perfekt.

Da vi skubbede ind på nye markeder, fandt vi ud af, at forskellige sektorer har forskellig risikoappetit, når de tager nye teknologier i brug. Der er også noget meget interessant psykologi involveret, når folk møder nye teknologier. Det opdagede vi, da vi udgav de første nye instrumenter til Moku:Lab – som inkluderede et fasemåler og en låst forstærker. Vi solgte enheden på det tidspunkt for $5000, og vi hørte to meget forskellige ting. Den første var, "Nå, jeg bruger ikke alle disse instrumenter, så jeg vil gerne have en rabat." En anden gruppe mennesker sagde til os, "Åh min gud, det er bare fantastisk værdi. Hvis du virkelig leverer alle disse instrumenter til den pris, kan de ikke være særlig gode. De må alle sammen være affald.” 

Så vi endte med at lave en billigere version af Moku:Lab, som havde færre instrumenter, og vi lavede en dyrere version, som nu kommer med 12 instrumenter. Kommercielt viste det sig at være en af ​​de bedste beslutninger, vi tog. 

En af disse versioner er designet til brug i bachelor-laboratorier. Hvordan opstod det marked? 

Vi bemærkede, at mange mennesker brugte den originale Moku:Lab i bachelorlaboratorier, men den var aldrig rigtig designet til den applikation – den var alt for dyr og alt for høj ydeevne. Men universiteterne fandt ud af, at studerende virkelig nød at bruge det. De fandt det engagerende, overbevisende og uhyggeligt at bruge, fordi det talte til den måde, de interagerede med personlige teknologienheder. Et andet plus var, at Moku:Lab forenklede måling i laboratoriet og derfor gav eleverne mulighed for at fokusere på de begreber, som de skulle lære.

Den originale version var dog for dyr, så vi kom ud med Moku:Go sidste år. Det koster omkring $600, og det erstatter en hel bachelor-bænktop i et typisk elektrisk ingeniør- eller fysiklaboratorium. Det har været et rigtigt hit, og vi har allerede solgt flere Moku:Gos, end vi har solgt Moku:Labs i virksomhedens historie. Vi mener, at det har potentialet til at demokratisere videnskabelig uddannelse rundt om i verden og forbedre elevoplevelsen. Faktisk har studerende skrevet til os og sagt, at de ikke nød eller forstod deres laboratoriearbejde, før de begyndte at bruge Moku:Go – hvilket er meget glædeligt. 

Du har også udgivet en avanceret version af Moku:Lab

Siden 2016 har vi fået en masse erfaring, vi er en meget større virksomhed, og vi har meget mere ingeniørmæssig kunnen i teamet. Det har givet os mulighed for at lancere vores nye flagskibsprodukt, Moku:Pro. Det er det produkt, vi ville ønske, vi kunne have lavet i begyndelsen, men det tog os bare lidt tid at nå dertil. Det kan konkurrere med avancerede instrumenter inklusive oscilloskoper, og det har virkelig vist folk, hvad fremtiden bringer for test og måling.

Vi har udnyttet, at FPGA'er bliver større og større med tiden. Moku:Lab blev designet til at køre som ét instrument ad gangen – og i bedste fald vil det muligvis kunne køre et par instrumenter samtidigt i fremtiden. FPGA'en i Moku:Pro er 10 gange så stor som chippen i Moku:Lab og det betyder, at vi kan dele den op i flere sektioner. I stedet for kun at have ét instrument kørende, kan det køre mange instrumenter på én gang. 

Hvad mere er, kan disse instrumenter kommunikere med hinanden ved hjælp af høj båndbredde, tabsfri og lav latenssignaler, som aldrig forlader chippen. Moku:Pro er effektivt et alternativ til de store PXI- og VXI-systemer, der i øjeblikket er allestedsnærværende i avancerede laboratorier og ingeniør- og produktionsfaciliteter rundt om i verden.

En anden første for os er, at Moku:Pro-brugere kan programmere FPGA'en med deres egne instrumenter ved hjælp af simple værktøjer, som vi leverer. Alt du behøver er en webbrowser – der er ingen software at installere – og du kan bygge dit eget instrument fra bunden og derefter få det til at køre i laboratoriet i løbet af få minutter. Det har virkelig åbnet folks øjne for muligheden for, at de kan bruge Moku:Pro til at bygge præcis den måleløsning, de har brug for.