تراشه های کامپیوتری قابل تنظیم مجدد راه حل اندازه گیری همه در یک را برای آزمایشگاه ایجاد می کنند

بیشتر کار تحقیقاتی شما بر استفاده از اپتیک برای اندازه گیری تغییرات کوچک در گرانش، از جمله امواج گرانشی متمرکز شده است. آیا می توانید کار آکادمیک خود را توضیح دهید؟

علایق اولیه تحقیقاتی من در مترولوژی نوری است و روی آن کار کرده ام لیگو و LISA آشکارسازهای امواج گرانشی من یک فرد بسیار هدف گرا هستم و زمانی که در سال 1996 به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد شروع به کار در این زمینه کردم، بسیار جذب چالش های اندازه گیری بزرگ تشخیص امواج گرانشی شدم. به نظر مشکلی غیرممکن به نظر می رسید:  چگونه می توانید حساس ترین دستگاه اندازه گیری جهان را بسازید؟ من با صدها محقق دیگر کار می کردم، که فکر می کنم باعث شد همه ما کمی کمتر احساس دیوانگی کنیم. زمانی که امواج گرانشی توسط LIGO در سال 2015 شناسایی شد بسیار خوشحال کننده بود.

در اوایل کارم، به جنبه های حل مسئله اندازه گیری علاقه زیادی پیدا کردم. ما زمان و تلاش زیادی را صرف ساختن فناوری LIGO کرده بودیم، و من به این فکر کردم که چگونه می‌توانیم آن را با بقیه جهان برای حل سایر چالش‌های اندازه‌گیری به اشتراک بگذاریم. این چیزی است که مرا وادار کرد تا عمیق‌تر به درک فناوری اندازه‌گیری در سطح بسیار بنیادی و علمی نگاه کنم.

شما Liquid Instruments را در سال 2014 تاسیس کردید زیرا از نبود نوآوری در صنعت تست و اندازه گیری ناامید شده بودید. مشکلات کیت در آن زمان چه بود؟

این یکی از آن صنایعی است که طی چندین دهه تغییر نکرده است. افرادی که در دهه 1970 یا حتی در دهه 1960 از اسیلوسکوپ استفاده می کردند، ابزارهای مدرن را آشنا می یافتند. تجهیزات تست با نحوه تعامل ما با فناوری مطابقت نداشتند - استفاده از آن جالب نبود. بسیاری از صنایع دیگر محصولات خود را در پرتو فناوری‌های دیجیتال مدرن بهبود بخشیده و منطبق کرده‌اند، این باعث شد که بفهمم اگر نحوه تعامل مردم با تجهیزاتشان را بهبود بخشیم، زندگی آنها در آزمایشگاه بهبود می‌یابد.

در آن زمان تحقیقات من در مورد امواج گرانشی از آشکارسازهای زمینی مانند LIGO به آشکارسازهای فضایی مانند LISA Pathfinder. این بدان معنی بود که ما باید روش اندازه گیری را تغییر می دادیم. LIGO چیزی حدود 100,000 کانال اندازه گیری دارد و به ارتشی از دانشجویان فارغ التحصیل و فوق دکترا نیاز دارد تا زمزمه آن را حفظ کنند. شما نمی‌توانید این کار را در فضا انجام دهید، بنابراین چالش ایجاد نوع جدیدی از سیستم اندازه‌گیری بود که بتوانید آن را روی موشک پرتاب کنید و به مدت یک دهه از راه دور کار کنید. ما متوجه شدیم که باید از یک رویکرد فیزیکی و سخت سیمی برای آزمایش و اندازه گیری به سمت یک سیستم کامپیوتری که از نرم افزار هوشمند استفاده می کند، حرکت کنیم.

آیا این زمانی است که شما شروع به استفاده از تراشه های کامپیوتری آرایه گیت قابل برنامه ریزی میدانی (FPGA) کردید؟

آره. مشکل تلاش برای انجام تست و اندازه گیری با یک کامپیوتر معمولی این است که اتصالات فیزیکی با دنیای واقعی لازم برای انجام اندازه گیری های دقیق را ندارد. اما نوع جدیدی از تراشه کامپیوتری وجود داشت که من در اواخر دهه 1990 زمانی که در Caltech بودم درباره آن شنیده بودم - FPGA. FPGA کامپیوتری است که می توان آن را به طور کامل پیکربندی کرد و در کسری از ثانیه دوباره سیم کشی کرد. FPGA به نظر یک پلتفرم مفید برای ادغام دنیای کامپیوترها با دنیای سخت افزار و ساخت چیزی بیشتر از مجموع قطعات آن است.

ما متوجه شدیم که می‌توانیم از FPGA برای جایگزینی بخش بزرگی از ابزار دقیق معمولی از جمله اسیلوسکوپ‌ها، تحلیلگرهای طیف، ژنراتورهای سیگنال و تقویت‌کننده‌های قفل استفاده کنیم. ده ها، یا شاید حتی بیش از 100 نوع مختلف دستگاه وجود دارد که می توان با استفاده از FPGA ایجاد کرد. 

Moku-Pro می تواند ابزارهای زیادی را همزمان اجرا کند، که قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر هستند 

مزایای رویکرد FPGA چیست؟

ما شروع به استفاده از FPGA برای ایجاد فاز سنج برای آشکارساز موج گرانشی LISA کرده بودیم. ما معماری مبتنی بر FPGA را به دلیل انعطاف پذیری آن انتخاب نکردیم. ما در آن زمان آن را انتخاب کردیم زیرا این تنها راهی بود که می توانستیم عملکرد مورد نیاز LISA را بدست آوریم.

با این حال، ما به سرعت متوجه شدیم که می‌توانیم FPGA را برای اجرا به‌عنوان یک اسیلوسکوپ یا شاید به‌عنوان یک تحلیلگر طیف تنظیم کنیم. مهمتر از همه، ما متوجه شدیم که این رویکرد مزایای زیادی دارد. این بدان معناست که ما مجبور نیستیم برویم و برای تجهیزات با سایر محققان در آزمایشگاهی که فقط یک آنالایزر طیف داشتیم بجنگیم. همچنین به این معنی بود که می‌توانیم آزمایش‌ها را از راه دور اجرا کنیم، زیرا مجبور نبودیم کابل‌ها را به‌صورت فیزیکی وصل یا جدا کنیم تا ابزار را تغییر دهیم. 

یکی دیگر از مزایای مهم رویکرد FPGA ما این است که می‌توانیم از نرم‌افزار برای سفارشی کردن ابزارها برای انجام دقیقاً آنچه می‌خواهیم استفاده کنیم. برای مثال، اگر می‌خواستیم فیلتر تقویت‌کننده قفل خود را عوض کنیم، مجبور نبودیم جعبه را شکسته و از یک آهن لحیم خارج کنیم. 

ما می‌توانیم با یک دستگاه، ابزارهای متنوعی بسازیم. و از آنجا که آن دستگاه فوق العاده مفید بود، ما تلاش کردیم تا آن را با استانداردهای بالا مهندسی کنیم. ما شروع به قرض دادن سازهایمان به همکارانمان در سراسر جهان کردیم و متوجه شدیم که آنها هرگز آنها را پس نمی دهند. آنها از بازگرداندن آنها خودداری می کردند. و ما فکر کردیم، "اوه، این جالب است."

آیا در آن زمان به پتانسیل تجاری رویکرد FPGA پی بردید؟ 

بله، رویکرد نرم‌افزاری ما به ما انعطاف‌پذیری، مقیاس‌پذیری و ارتقاء می‌دهد. این فناوری به سرعت در حال پیشرفت بود و برای من واضح بود که طی پنج یا 10 سال آینده بر صنعت تست و اندازه گیری تسلط خواهد یافت. در همان زمان، صنعت محاسبات بر بهبود تجربه کاربر متمرکز بود و این باعث شد تا متوجه شویم که یک محصول واقعا قانع کننده داریم.

بنابراین شما اولین محصول خود، Moku:Lab را در سال 2016 عرضه کردید. چگونه بود؟

ما Moku:Lab را به عنوان حداقل محصول قابل دوام خود منتشر کردیم و سه ابزار روی آن داشتیم: یک اسیلوسکوپ. یک تحلیلگر طیف؛ و یک مولد شکل موج امروزه اولین مشتریان اکنون می توانند 12 ابزار را با به روز رسانی یک برنامه در iPad اجرا کنند. این رویکرد در سراسر بخش فناوری رایج می شود - محصولاتی که با گذشت زمان بهتر می شوند. این برخلاف تجهیزات آزمایشی معمولی است که پس از خرید به راحتی نمی توان آن را ارتقا داد.

اولین بار Moku:Lab چگونه مورد استقبال قرار گرفت؟ 

زمانی که شرکت را راه اندازی کردیم، من و تیمم شهرت خوبی برای توسعه ابزار دقیق داشتیم. بنابراین، مردم به جای اخراج شدن، فکر می‌کردند: «افراد کاملاً جدی پشت Liquid Instruments هستند، و اگر فکر می‌کنند این ایده خوبی است، احتمالاً ارزش یک نگاه مجدد را دارد». شهرت اولیه ما به ویژه در بازار دانشگاه قوی بود، زیرا من استاد فیزیک دانشگاه ANU بودم، که دانشگاهی با رتبه برتر است. 

ما دریافتیم که فیزیکدانان و مهندسان تجربی گروهی متمایل به جلو هستند و مایل به آزمایش فناوری‌های جدید هستند. اینها معمولاً افرادی هستند که اولین کسانی هستند که فناوری های شخصی جدید را در بین دوستان خود به کار می گیرند - یا در کودکی آنها احتمالاً مسئول برنامه نویسی تایمر VCR خانواده بودند. ما در روزهای اولیه تعداد زیادی حامی داشتیم که فوراً مزایای بالقوه رویکرد ما را دیدند و متوجه شدند که اولین تلاش ما بی‌نقص نخواهد بود.

با ورود به بازارهای جدید، متوجه شدیم که بخش‌های مختلف تمایلات متفاوتی برای ریسک در هنگام اتخاذ فناوری‌های جدید دارند. همچنین، زمانی که افراد با فناوری های جدید روبرو می شوند، روانشناسی بسیار جالبی درگیر می شود. ما این را زمانی کشف کردیم که اولین ابزار جدید را برای Moku:Lab منتشر کردیم - که شامل یک فاز سنج و یک تقویت کننده قفل کننده بود. ما در آن زمان دستگاه را به قیمت 5000 دلار می فروختیم و دو چیز بسیار متفاوت می شنیدیم. اولی این بود: "خب، من از همه این سازها استفاده نمی کنم، بنابراین من تخفیف می خواهم." گروه دومی از مردم به ما گفتند: "اوه خدای من، این فقط ارزش شگفت انگیزی است. اگر واقعاً همه این سازها را با آن قیمت تهیه می کنید، نمی توانند خیلی خوب باشند. همه آنها باید آشغال باشند.» 

بنابراین، ما یک نسخه ارزان‌تر از Moku:Lab را ساختیم که سازهای کمتری داشت، و نسخه گران‌تری را ساختیم که اکنون با 12 ساز عرضه می‌شود. از نظر تجاری، این یکی از بهترین تصمیماتی بود که ما گرفتیم. 

یکی از این نسخه ها برای استفاده در آزمایشگاه های کارشناسی طراحی شده است. آن بازار چگونه به وجود آمد؟ 

ما متوجه شدیم که افراد زیادی از Moku:Lab اصلی در آزمایشگاه‌های کارشناسی استفاده می‌کردند، اما واقعاً برای آن برنامه طراحی نشده بود - بسیار گران و کارایی بسیار بالایی داشت. اما دانشگاه ها دریافتند که دانشجویان واقعاً از استفاده از آن لذت می برند. آن‌ها استفاده از آن را جذاب، قانع‌کننده و ترسناک می‌دانستند، زیرا از نحوه تعامل آنها با دستگاه‌های فناوری شخصی صحبت می‌کرد. مزیت دیگر این بود که Moku:Lab اندازه گیری را در آزمایشگاه ساده کرد و بنابراین به دانش آموزان اجازه داد تا بر مفاهیمی که قرار بود یاد بگیرند تمرکز کنند.

با این حال، نسخه اصلی بسیار گران بود، بنابراین سال گذشته با Moku:Go عرضه شدیم. هزینه آن حدود 600 دلار است و جایگزین یک نیمکت کامل در مقطع کارشناسی در یک آزمایشگاه معمولی مهندسی برق یا فیزیک می شود. این یک موفقیت واقعی بود و ما قبلاً Moku:Gos بیشتری نسبت به فروش Moku:Labs در تاریخ شرکت فروخته ایم. ما معتقدیم که این پتانسیل برای دموکراتیک کردن آموزش علمی در سراسر جهان و بهبود تجربه دانشجویی را دارد. در واقع، دانش‌آموزان برای ما نامه نوشته‌اند و گفته‌اند که تا زمانی که شروع به استفاده از Moku:Go نکرده‌اند، از کار آزمایشگاهی خود لذت نمی‌برند یا درک نمی‌کنند – که بسیار خوشحال‌کننده است. 

شما همچنین یک نسخه پیشرفته از Moku:Lab را منتشر کرده اید

از سال 2016، ما تجربه زیادی به دست آورده ایم، ما یک شرکت بسیار بزرگتر هستیم، و ما مهارت های مهندسی بسیار بیشتری در تیم داریم. این به ما این امکان را می دهد تا محصول پرچمدار جدید خود، Moku:Pro را عرضه کنیم. این محصولی است که آرزو داشتیم در ابتدا می توانستیم آن را بسازیم، اما فقط کمی زمان برد تا به آنجا برسیم. این می تواند با ابزارهای پیشرفته از جمله اسیلوسکوپ رقابت کند و به مردم نشان داده است که آینده آزمایش و اندازه گیری چه خواهد بود.

ما از این واقعیت استفاده کرده ایم که FPGA ها در طول زمان بزرگتر و بزرگتر می شوند. Moku:Lab طوری طراحی شده است که به عنوان یک ساز در یک زمان اجرا شود - و در بهترین حالت ممکن است در آینده بتواند چند ساز را به طور همزمان اجرا کند. FPGA در Moku:Pro 10 برابر اندازه تراشه در Moku:Lab است و این بدان معناست که می‌توانیم آن را به چند بخش تقسیم کنیم. به جای اینکه فقط یک ساز در حال اجرا باشد، می تواند چندین ساز را همزمان اجرا کند. 

علاوه بر این، این ابزارها می توانند با استفاده از سیگنال های پهنای باند بالا، بدون تلفات و تاخیر کم که هرگز تراشه را ترک نمی کنند، با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. Moku:Pro به طور موثر جایگزینی برای سیستم های بزرگ PXI و VXI است که در حال حاضر در آزمایشگاه های پیشرفته و تاسیسات مهندسی و تولید در سراسر جهان در همه جا حاضر هستند.

اولین مورد دیگر برای ما این است که کاربران Moku:Pro می توانند FPGA را با ابزارهای خود با استفاده از ابزارهای ساده ای که ما ارائه می دهیم، برنامه ریزی کنند. تنها چیزی که نیاز دارید یک مرورگر وب است – هیچ نرم افزاری برای نصب وجود ندارد – و می توانید ابزار خود را از ابتدا بسازید و سپس در عرض چند دقیقه آن را در آزمایشگاه اجرا کنید. این واقعاً چشم مردم را به این امکان باز کرده است که می توانند از Moku:Pro برای ساختن دقیقاً راه حل اندازه گیری مورد نیاز خود استفاده کنند.