Τα αναδιαμορφώσιμα τσιπ υπολογιστών δημιουργούν λύση μέτρησης όλα σε ένα για το εργαστήριο

Μεγάλο μέρος της ερευνητικής σας σταδιοδρομίας έχει επικεντρωθεί στη χρήση οπτικών για τη μέτρηση μικροσκοπικών διακυμάνσεων της βαρύτητας, συμπεριλαμβανομένων των βαρυτικών κυμάτων. Μπορείτε να περιγράψετε το ακαδημαϊκό σας έργο;

Τα κύρια ερευνητικά μου ενδιαφέροντα είναι στην οπτική μετρολογία και έχω εργαστεί σε αυτήν ΛΙΓΟ και LISA ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων. Είμαι πολύ προσανατολισμένος στο στόχο άτομο και με τράβηξαν πολύ οι μεγάλες προκλήσεις μέτρησης της ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων όταν άρχισα να εργάζομαι στο πεδίο ως μεταπτυχιακός φοιτητής το 1996. Φαινόταν σαν ένα απίστευτα δύσκολο πρόβλημα:  πώς φτιάχνεις την πιο ευαίσθητη συσκευή μέτρησης στον κόσμο; Δούλευα με εκατοντάδες άλλους ερευνητές, κάτι που νομίζω ότι μας έκανε όλους να νιώθουμε λίγο λιγότερο τρελοί. Ήταν πολύ ευχάριστο όταν τα βαρυτικά κύματα εντοπίστηκαν από το LIGO το 2015.

Κατά τη διάρκεια της πρώιμης καριέρας μου, άρχισα να ενδιαφέρομαι πολύ για τις πτυχές επίλυσης προβλημάτων της μέτρησης. Είχαμε ξοδέψει τόσο πολύ χρόνο και προσπάθεια για τη δημιουργία τεχνολογίας LIGO και άρχισα να σκέφτομαι πώς θα μπορούσαμε να τη μοιραστούμε με τον υπόλοιπο κόσμο για να λύσουμε άλλες προκλήσεις μέτρησης. Αυτό ήταν που με ώθησε να κοιτάξω βαθύτερα στην κατανόηση της τεχνολογίας μέτρησης σε ένα πολύ θεμελιώδες, επιστημονικό επίπεδο.

Ιδρύσατε την Liquid Instruments το 2014 επειδή ήσασταν απογοητευμένοι με την έλλειψη καινοτομίας στον κλάδο των δοκιμών και μετρήσεων. Ποια ήταν τα προβλήματα με το κιτ που προσφερόταν εκείνη την εποχή;

Είναι ένας από αυτούς τους κλάδους που δεν έχουν αλλάξει εδώ και πολλές, πολλές δεκαετίες. Οι άνθρωποι που χρησιμοποιούσαν έναν παλμογράφο στη δεκαετία του 1970 ή ακόμα και στη δεκαετία του 1960 θα έβρισκαν οικεία τα σύγχρονα όργανα. Ο εξοπλισμός δοκιμής δεν είχε συμβαδίσει με τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούμε με την τεχνολογία - δεν ήταν διασκεδαστικό στη χρήση. Τόσοι άλλοι κλάδοι είχαν βελτιώσει και προσαρμόσουν τα προϊόντα τους υπό το πρίσμα των σύγχρονων ψηφιακών τεχνολογιών, με έκανε να συνειδητοποιήσω ότι αν βελτιώσαμε τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι αλληλεπιδρούν με τον εξοπλισμό τους, θα βελτίωνε τη ζωή τους στο εργαστήριο.

Εκείνη την εποχή η έρευνά μου για τα βαρυτικά κύματα απομακρύνονταν από επίγειους ανιχνευτές όπως το LIGO σε διαστημικούς ανιχνευτές όπως Λίζα ανιχνευτής. Αυτό σήμαινε ότι έπρεπε να αλλάξουμε τον τρόπο που κάναμε τις μετρήσεις. Το LIGO έχει περίπου 100,000 κανάλια μέτρησης και απαιτεί έναν στρατό από μεταπτυχιακούς φοιτητές και μεταδιδακτορικούς για να συνεχίσει να βουίζει. Δεν μπορείτε να το κάνετε αυτό στο διάστημα, επομένως η πρόκληση ήταν να δημιουργήσετε ένα νέο τύπο συστήματος μέτρησης που θα μπορούσατε να εκτοξεύσετε σε έναν πύραυλο και να λειτουργήσετε εξ αποστάσεως για μια δεκαετία. Συνειδητοποιήσαμε ότι έπρεπε να περάσουμε από μια φυσική, ενσύρματη προσέγγιση στη δοκιμή και τη μέτρηση προς ένα σύστημα βασισμένο σε υπολογιστή που χρησιμοποιούσε έξυπνο λογισμικό.

Ήταν τότε που ξεκινήσατε να χρησιμοποιείτε τσιπ υπολογιστών με δυνατότητα προγραμματισμού πεδίου πύλης (FPGA);

Ναί. Το πρόβλημα με την προσπάθεια να κάνετε δοκιμές και μετρήσεις με έναν συμβατικό υπολογιστή είναι ότι δεν έχει τις φυσικές συνδέσεις με τον πραγματικό κόσμο που απαιτούνται για την πραγματοποίηση ακριβών μετρήσεων. Αλλά υπήρχε ένας νέος τύπος τσιπ υπολογιστή για τον οποίο είχα ακούσει όταν ήμουν στο Caltech στα τέλη της δεκαετίας του 1990 – το FPGA. Ένα FPGA είναι ένας υπολογιστής που μπορεί να διαμορφωθεί πλήρως και να καλωδιωθεί εκ νέου σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Το FPGA φαινόταν σαν μια χρήσιμη πλατφόρμα για τη συγχώνευση του κόσμου των υπολογιστών με τον κόσμο του υλικού και τη δημιουργία κάτι που είναι μεγαλύτερο από το άθροισμα των μερών του.

Συνειδητοποιήσαμε ότι μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε το FPGA για να αντικαταστήσουμε μια μεγάλη δέσμη συμβατικών οργάνων, συμπεριλαμβανομένων των παλμογράφων, των αναλυτών φάσματος, των γεννητριών σήματος και των ενισχυτών κλειδώματος. Υπάρχουν δεκάδες, ή ίσως και περισσότεροι από 100 διαφορετικοί τύποι συσκευών που μπορούν να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας FPGA. 

Το Moku-Pro μπορεί να τρέξει πολλά όργανα ταυτόχρονα, τα οποία μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους 

Ποια είναι τα οφέλη της προσέγγισης FPGA;

Είχαμε αρχίσει να χρησιμοποιούμε FPGA για να δημιουργήσουμε ένα φασόμετρο για τον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων LISA. Δεν επιλέξαμε μια αρχιτεκτονική που βασίζεται σε FPGA λόγω της ευελιξίας της. Το επιλέξαμε τότε γιατί ήταν ο μόνος τρόπος που μπορούσαμε να έχουμε την απόδοση που απαιτούσε η LISA.

Ωστόσο, γρήγορα συνειδητοποιήσαμε ότι μπορούσαμε να ρυθμίσουμε εκ νέου το FPGA ώστε να λειτουργεί ως παλμογράφος ή ίσως ως αναλυτής φάσματος. Κυρίως, παρατηρήσαμε ότι αυτή η προσέγγιση είχε πολλά πλεονεκτήματα. Αυτό σήμαινε ότι δεν έπρεπε να πάμε και να παλέψουμε για εξοπλισμό με τους άλλους ερευνητές σε ένα εργαστήριο όπου είχαμε μόνο έναν αναλυτή φάσματος. Αυτό σήμαινε επίσης ότι μπορούσαμε να εκτελέσουμε πειράματα από απόσταση, επειδή δεν χρειαζόταν να συνδέουμε ή να αποσυνδέουμε φυσικά καλώδια για να αλλάξουμε όργανα. 

Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα της προσέγγισής μας FPGA είναι ότι μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε λογισμικό για να προσαρμόσουμε τα όργανα για να κάνουμε ακριβώς αυτό που θέλαμε. Αν θέλαμε να αλλάξουμε το φίλτρο στον ενισχυτή κλειδώματος, για παράδειγμα, δεν χρειαζόταν να ανοίξουμε το κουτί και να βγάλουμε ένα κολλητήρι. 

Θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε μια τεράστια ποικιλία οργάνων με μία μόνο συσκευή. Και επειδή αυτή η συσκευή ήταν απίστευτα χρήσιμη, κάναμε την προσπάθεια να την κατασκευάσουμε με υψηλά πρότυπα. Αρχίσαμε να δανείζουμε τα όργανά μας σε συναδέλφους μας σε όλο τον κόσμο και παρατηρήσαμε ότι δεν θα τα έδιναν ποτέ πίσω. Θα αρνούνταν να τα επιστρέψουν. Και σκεφτήκαμε, "Ω, αυτό είναι ενδιαφέρον."

Τότε συνειδητοποιήσατε τις εμπορικές δυνατότητες της προσέγγισης FPGA; 

Ναι, η προσέγγισή μας που καθορίζεται από το λογισμικό μας έδωσε ευελιξία, επεκτασιμότητα και δυνατότητα αναβάθμισης. Η τεχνολογία βελτιωνόταν γρήγορα και ήταν σαφές για μένα ότι θα κυριαρχούσε στη βιομηχανία δοκιμών και μετρήσεων σε πέντε ή δέκα χρόνια. Ταυτόχρονα, ο κλάδος των υπολογιστών επικεντρώθηκε στη βελτίωση της εμπειρίας των χρηστών και αυτό μας έκανε να συνειδητοποιήσουμε ότι είχαμε ένα πραγματικά συναρπαστικό προϊόν.

Λανσάρατε λοιπόν το πρώτο σας προϊόν, το Moku:Lab το 2016. Πώς ήταν;

Κυκλοφόρησε το Moku:Lab ως το ελάχιστο βιώσιμο προϊόν μας και είχαμε τρία όργανα σε αυτό: έναν παλμογράφο. έναν αναλυτή φάσματος? και μια γεννήτρια κυματομορφής. Σήμερα αυτοί οι πρώτοι πελάτες μπορούν πλέον να τρέξουν 12 όργανα ενημερώνοντας απλώς μια εφαρμογή σε ένα iPad. Αυτή η προσέγγιση γίνεται κοινή σε όλο τον τεχνολογικό τομέα – προϊόντα που βελτιώνονται με την πάροδο του χρόνου. Αυτό είναι σε αντίθεση με τον συμβατικό εξοπλισμό δοκιμής, ο οποίος δεν μπορεί εύκολα να αναβαθμιστεί μόλις τον αγοράσετε.

Πώς παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το Moku:Lab; 

Όταν ξεκινήσαμε την εταιρεία, η ομάδα μου και εγώ είχαμε μια αρκετά καλή φήμη για την ανάπτυξη οργάνων. Έτσι, αντί να απορριφθούν, οι άνθρωποι σκέφτηκαν: «Υπάρχουν μερικοί αρκετά σοβαροί άνθρωποι πίσω από τα Liquid Instruments και αν πιστεύουν ότι είναι καλή ιδέα, τότε μάλλον αξίζει να ρίξουν μια δεύτερη ματιά». Η αρχική μας φήμη ήταν ιδιαίτερα ισχυρή στην αγορά των πανεπιστημίων, επειδή ήμουν καθηγητής φυσικής στο ANU, το οποίο είναι ένα πανεπιστήμιο με κορυφαία κατάταξη. 

Διαπιστώσαμε ότι οι πειραματικοί φυσικοί και μηχανικοί είναι μια ομάδα που κλίνει προς τα εμπρός και είναι πρόθυμοι να δοκιμάσουν νέες τεχνολογίες. Αυτοί τείνουν να είναι οι άνθρωποι που είναι οι πρώτοι που υιοθετούν νέες προσωπικές τεχνολογίες μεταξύ των φίλων τους – ή ως παιδί ήταν πιθανώς υπεύθυνοι για τον προγραμματισμό του χρονοδιακόπτη βίντεο της οικογένειας. Είχαμε μεγάλο αριθμό υποστηρικτών τις πρώτες μέρες που είδαν αμέσως τα πιθανά οφέλη της προσέγγισής μας και συνειδητοποίησαν ότι η πρώτη μας προσπάθεια δεν επρόκειτο να είναι τέλεια.

Καθώς προωθούσαμε σε νέες αγορές, διαπιστώσαμε ότι διαφορετικοί τομείς έχουν διαφορετικές ορέξεις για ρίσκο όταν υιοθετούν νέες τεχνολογίες. Επίσης, υπάρχει κάποια πολύ ενδιαφέρουσα ψυχολογία όταν οι άνθρωποι αντιμετωπίζουν νέες τεχνολογίες. Αυτό το ανακαλύψαμε όταν κυκλοφόρησαν τα πρώτα νέα όργανα για το Moku:Lab – τα οποία περιλάμβαναν ένα φασόμετρο και έναν ενισχυτή κλειδώματος. Πουλούσαμε τη συσκευή εκείνη την εποχή για $5000 και ακούγαμε δύο πολύ διαφορετικά πράγματα. Το πρώτο ήταν, «Λοιπόν, δεν χρησιμοποιώ όλα αυτά τα όργανα, οπότε θα ήθελα μια έκπτωση». Μια δεύτερη ομάδα ανθρώπων μας είπε, «Θεέ μου, αυτή είναι απλά εκπληκτική αξία. Αν πραγματικά παρέχετε όλα αυτά τα όργανα σε αυτή την τιμή, δεν μπορεί να είναι πολύ καλά. Πρέπει να είναι όλοι σκουπίδια». 

Έτσι, καταλήξαμε να φτιάξουμε μια φθηνότερη έκδοση του Moku:Lab, που είχε λιγότερα όργανα, και φτιάξαμε μια πιο ακριβή έκδοση, η οποία τώρα συνοδεύεται από 12 όργανα. Εμπορικά, αυτή αποδείχθηκε μια από τις καλύτερες αποφάσεις που πήραμε. 

Μία από αυτές τις εκδόσεις έχει σχεδιαστεί για χρήση σε προπτυχιακά εργαστήρια. Πώς προέκυψε αυτή η αγορά; 

Παρατηρήσαμε ότι πολλοί άνθρωποι χρησιμοποιούσαν το αρχικό Moku:Lab σε προπτυχιακά εργαστήρια, αλλά ποτέ δεν σχεδιάστηκε πραγματικά για αυτήν την εφαρμογή – ήταν πολύ ακριβό και πολύ υψηλή απόδοση. Αλλά τα πανεπιστήμια διαπίστωσαν ότι οι μαθητές απολάμβαναν πραγματικά τη χρήση του. Το βρήκαν ελκυστικό, συναρπαστικό και απτόητο στη χρήση, επειδή μίλησε για τον τρόπο που αλληλεπιδρούσαν με προσωπικές τεχνολογικές συσκευές. Ένα άλλο πλεονέκτημα ήταν ότι το Moku:Lab απλοποίησε τη μέτρηση στο εργαστήριο και επομένως επέτρεψε στους μαθητές να επικεντρωθούν στις έννοιες που έπρεπε να μάθουν.

Ωστόσο, η αρχική έκδοση ήταν πολύ ακριβή, οπότε βγήκαμε με το Moku:Go πέρυσι. Κοστίζει περίπου 600 $ και αντικαθιστά ένα ολόκληρο προπτυχιακό πάγκο σε ένα τυπικό εργαστήριο ηλεκτρολογίας ή φυσικής. Ήταν μια πραγματική επιτυχία και έχουμε ήδη πουλήσει περισσότερα Moku:Gos από όσα πουλήσαμε Moku:Labs στην ιστορία της εταιρείας. Πιστεύουμε ότι έχει τη δυνατότητα να εκδημοκρατίσει την επιστημονική εκπαίδευση σε όλο τον κόσμο και να βελτιώσει την εμπειρία των μαθητών. Πράγματι, οι μαθητές μας έγραψαν λέγοντας ότι δεν τους άρεσε ή δεν κατάλαβαν την εργαστηριακή τους εργασία έως ότου άρχισαν να χρησιμοποιούν το Moku:Go – κάτι που είναι πολύ ευχάριστο. 

Έχετε κυκλοφορήσει επίσης μια έκδοση high-end του Moku:Lab

Από το 2016 έχουμε αποκτήσει μεγάλη εμπειρία, είμαστε μια πολύ μεγαλύτερη εταιρεία και έχουμε πολύ περισσότερη μηχανική ικανότητα στην ομάδα. Αυτό μας επέτρεψε να λανσάρουμε το νέο μας κορυφαίο προϊόν, το Moku:Pro. Είναι το προϊόν που θα θέλαμε να μπορούσαμε να είχαμε φτιάξει στην αρχή, αλλά μας πήρε λίγο χρόνο για να φτάσουμε εκεί. Μπορεί να ανταγωνιστεί όργανα υψηλής τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένων των παλμογράφων, και έχει πραγματικά δείξει στους ανθρώπους τι επιφυλάσσει το μέλλον για δοκιμή και μέτρηση.

Εκμεταλλευτήκαμε το γεγονός ότι τα FPGA γίνονται όλο και μεγαλύτερα με την πάροδο του χρόνου. Το Moku:Lab σχεδιάστηκε για να λειτουργεί ως ένα όργανο τη φορά – και στην καλύτερη περίπτωση μπορεί να μπορεί να τρέχει δύο όργανα ταυτόχρονα στο μέλλον. Το FPGA στο Moku:Pro είναι 10 φορές το μέγεθος του τσιπ στο Moku:Lab και αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να το χωρίσουμε σε πολλά τμήματα. Αντί να τρέχει μόνο ένα όργανο, μπορεί να τρέξει πολλά όργανα ταυτόχρονα. 

Επιπλέον, αυτά τα όργανα μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας σήματα υψηλού εύρους ζώνης, χωρίς απώλειες και χαμηλής καθυστέρησης που δεν φεύγουν ποτέ από το τσιπ. Το Moku:Pro είναι ουσιαστικά μια εναλλακτική λύση στα μεγάλα συστήματα PXI και VXI που είναι σήμερα πανταχού παρόντα σε εργαστήρια υψηλών προδιαγραφών και εγκαταστάσεις μηχανικής και κατασκευής σε όλο τον κόσμο.

Μια άλλη πρώτη για εμάς είναι ότι οι χρήστες του Moku:Pro μπορούν να προγραμματίσουν το FPGA με τα δικά τους όργανα χρησιμοποιώντας απλά εργαλεία που παρέχουμε. Το μόνο που χρειάζεστε είναι ένα πρόγραμμα περιήγησης ιστού – δεν υπάρχει λογισμικό για εγκατάσταση – και μπορείτε να δημιουργήσετε το δικό σας όργανο από την αρχή και στη συνέχεια να το εκτελέσετε στο εργαστήριο μέσα σε λίγα λεπτά. Αυτό άνοιξε πραγματικά τα μάτια των ανθρώπων στην πιθανότητα ότι μπορούν να χρησιμοποιήσουν το Moku:Pro για να δημιουργήσουν ακριβώς τη λύση μέτρησης που χρειάζονται.