Uudelleenkonfiguroitavat tietokonepiirit luovat all-in-one-mittausratkaisun laboratorioon

Suuri osa tutkijaurastasi on keskittynyt optiikkaan mittaamaan pieniä painovoiman vaihteluita, mukaan lukien gravitaatioaaltoja. Voitko kuvailla akateemista työtäsi?

Pääasiallinen tutkimuskohteeni on optinen metrologia ja olen työskennellyt sen parissa LIGO ja LISA gravitaatioaaltoilmaisimet. Olen hyvin tavoitteellinen ihminen, ja painovoimaaaltojen havaitsemisen suuret mittaushaasteet kiinnostivat minua suuresti, kun aloitin jatko-opiskelijana vuonna 1996. Se tuntui mahdottoman vaikealta ongelmalta:  miten teet maailman herkimmän mittauslaitteen? Työskentelin satojen muiden tutkijoiden kanssa, mikä mielestäni sai meidät kaikki tuntemaan olonsa hieman vähemmän hulluksi. Oli erittäin ilahduttavaa, kun LIGO havaitsi gravitaatioaallot vuonna 2015.

Alkuurani aikana kiinnostuin kovasti mittauksen ongelmanratkaisunäkökohdista. Olimme käyttäneet niin paljon aikaa ja vaivaa LIGO-teknologian rakentamiseen, ja aloin miettiä, kuinka voisimme jakaa sen muun maailman kanssa muiden mittaushaasteiden ratkaisemiseksi. Tämä sai minut syventymään mittaustekniikan ymmärtämiseen hyvin perustavanlaatuisella tieteellisellä tasolla.

Perustit Liquid Instrumentsin vuonna 2014, koska olit turhautunut testaus- ja mittausalan innovaatioiden puutteeseen. Mitä ongelmia oli tuolloin tarjotussa sarjassa?

Se on yksi niistä toimialoista, joka ei ole muuttunut moniin, moniin vuosikymmeniin. Ihmiset, jotka käyttivät oskilloskooppia 1970- tai jopa 1960-luvulla, pitivät nykyaikaiset instrumentit tutuina. Testauslaitteet eivät olleet pysyneet vuorovaikutuksessamme tekniikan kanssa – niitä ei ollut hauska käyttää. Niin monet muut teollisuudenalat olivat parantaneet ja mukauttaneet tuotteitaan nykyaikaisen digitaalitekniikan valossa, mikä sai minut ymmärtämään, että jos parantaisimme ihmisten vuorovaikutusta laitteidensa kanssa, se parantaisi heidän elämäänsä laboratoriossa.

Noihin aikoihin gravitaatioaaltotutkimukseni siirtyi maanpäällisistä ilmaisimista, kuten LIGOsta, avaruuteen perustuviin ilmaisimiin, kuten Lisa polunetsijä. Tämä tarkoitti, että meidän piti muuttaa tapaa, jolla teimme mittauksia. LIGO:ssa on noin 100,000 XNUMX mittauskanavaa, ja se vaatii armeijan jatko-opiskelijoita ja postdocs-tutkijoita, jotta se pysyy huminassa. Sitä ei voi tehdä avaruudessa, joten haasteena oli luoda uudenlainen mittausjärjestelmä, jonka voisi laukaista raketilla ja toimia etänä vuosikymmenen ajan. Ymmärsimme, että meidän oli siirryttävä fyysisestä, kiinteästi kytketystä lähestymistavasta testaamiseen ja mittaamiseen kohti tietokonepohjaista järjestelmää, joka käyttää älykkäitä ohjelmistoja.

Onko se silloin, kun aloitit FPGA-tietokonesirujen käytön?

Joo. Ongelma yritettäessä tehdä testiä ja mittausta tavanomaisella tietokoneella on, että sillä ei ole fyysisiä yhteyksiä todelliseen maailmaan, joita tarvitaan tarkkojen mittausten tekemiseen. Mutta siellä oli uudenlainen tietokonesiru, josta olin kuullut Caltechissa 1990-luvun lopulla – FPGA. FPGA on tietokone, joka voidaan täysin konfiguroida ja kytkeä uudelleen sekunnin murto-osassa. FPGA vaikutti hyödylliseltä alustalta tietokoneiden ja laitteistojen yhdistämiseen ja osien summaa suurempaa tekemiseen.

Ymmärsimme, että voimme käyttää FPGA:ta korvaamaan suuren joukon perinteisiä instrumentteja, mukaan lukien oskilloskoopit, spektrianalysaattorit, signaaligeneraattorit ja lukitusvahvistimet. FPGA:n avulla voidaan luoda kymmeniä tai jopa yli 100 erityyppistä laitetta. 

Moku-Pro voi käyttää useita instrumentteja kerralla, mikä osaavat kommunikoida keskenään 

Mitä hyötyä FPGA-lähestymistavasta on?

Olimme alkaneet käyttää FPGA:ita vaihemittarin luomiseen LISA-gravitaatioaaltoilmaisimelle. Emme valinneet FPGA-pohjaista arkkitehtuuria sen joustavuuden vuoksi. Valitsimme sen tuolloin, koska se oli ainoa tapa saada LISA:n vaatima suorituskyky.

Huomasimme kuitenkin nopeasti, että voisimme konfiguroida FPGA:n uudelleen toimimaan oskilloskoopina tai ehkä spektrianalysaattorina. Ratkaisevaa on, että huomasimme, että tällä lähestymistavalla oli paljon etuja. Se tarkoitti, että meidän ei tarvinnut taistella laitteista muiden tutkijoiden kanssa laboratoriossa, jossa meillä oli vain yksi spektrianalysaattori. Se merkitsi myös sitä, että voimme suorittaa kokeita etänä, koska meidän ei tarvinnut fyysisesti kytkeä tai irrottaa kaapeleita vaihtaaksemme instrumentteja. 

Toinen FPGA-lähestymistapamme tärkeä etu on se, että pystyimme ohjelmistojen avulla räätälöimään instrumentit tekemään juuri sitä, mitä halusimme. Jos halusimme vaihtaa esimerkiksi lock-in-vahvistimemme suodattimen, meidän ei tarvinnut repiä laatikkoa auki ja hakea juotoskolvia. 

Voisimme luoda valtavan valikoiman instrumentteja yhdellä laitteella. Ja koska laite oli uskomattoman hyödyllinen, yritimme suunnitella sen korkeatasoiseksi. Aloimme lainata instrumenttejamme kollegoillemme ympäri maailmaa, ja huomasimme, että he eivät koskaan antaisi niitä takaisin. He kieltäytyivät palauttamasta niitä. Ja ajattelimme: "Voi, se on mielenkiintoista."

Tajusitko silloin FPGA-lähestymistavan kaupalliset mahdollisuudet? 

Kyllä, ohjelmistopohjainen lähestymistapamme antoi meille joustavuutta, skaalautuvuutta ja päivitettävyyttä. Tekniikka kehittyi nopeasti, ja minulle oli selvää, että se hallitsee testi- ja mittausalaa viiden tai kymmenen vuoden kuluttua. Samaan aikaan laskenta-ala keskittyi käyttökokemuksen parantamiseen ja tämä sai meidät ymmärtämään, että meillä on todella houkutteleva tuote.

Joten julkaisit ensimmäisen tuotteesi, Moku:Labin, vuonna 2016. Millainen se oli?

Julkaisimme Moku:Labin käyttökelpoisena vähimmäistuotteenamme, ja siinä oli kolme instrumenttia: oskilloskooppi; spektrianalysaattori; ja aaltomuotogeneraattori. Nykyään ensimmäiset asiakkaat voivat nyt käyttää 12 laitetta päivittämällä iPadin sovelluksen. Tämä lähestymistapa on yleistymässä koko teknologiasektorilla – tuotteet, jotka paranevat ajan myötä. Tämä on toisin kuin perinteiset testilaitteet, joita ei voi helposti päivittää sen ostamisen jälkeen.

Miten Moku:Lab otettiin ensimmäisen kerran vastaan? 

Kun perustimme yrityksen, tiimilläni ja minulla oli melko hyvä maine instrumentoinnin kehittäjänä. Joten sen sijaan, että heidät olisi hylätty, ihmiset ajattelivat: "Liquid Instrumentsin takana on melko vakavia ihmisiä, ja jos se on heidän mielestään hyvä idea, kannattaa ehkä katsoa uudelleen." Alkuperäinen maineemme oli erityisen vahva yliopistomarkkinoilla, koska olin fysiikan professori ANU:ssa, joka on huippuyliopisto. 

Huomasimme, että kokeelliset fyysikot ja insinöörit ovat eteenpäin suuntautuva joukko ja ovat valmiita kokeilemaan uusia teknologioita. Nämä ovat yleensä ihmisiä, jotka ottavat ensimmäisenä käyttöön uusia henkilökohtaisia ​​​​tekniikoita ystäviensä keskuudessa – tai lapsena he luultavasti vastasivat perheen videonauhurin ajastimen ohjelmoinnista. Meillä oli alkuaikoina suuri joukko kannattajia, jotka näkivät heti lähestymistapamme mahdolliset edut ja ymmärsivät, että ensimmäinen yritys ei ollut täydellinen.

Kun tunkeuduimme uusille markkinoille, huomasimme, että eri sektoreilla on erilainen riskinottohalu uusien teknologioiden käyttöönotossa. Lisäksi on olemassa erittäin mielenkiintoista psykologiaa, kun ihmiset kohtaavat uusia teknologioita. Huomasimme tämän, kun julkaisimme Moku:Labille ensimmäiset uudet instrumentit – jotka sisälsivät vaihemittarin ja lukitusvahvistimen. Myimme laitetta tuolloin 5000 dollarilla ja kuulimme kaksi hyvin erilaista asiaa. Ensimmäinen oli: "No, en käytä kaikkia näitä instrumentteja, joten haluaisin alennuksen." Toinen ryhmä ihmisiä sanoi meille: "Voi luoja, tämä on vain hämmästyttävä arvo. Jos todella tarjoat kaikkia näitä välineitä tähän hintaan, ne eivät voi olla kovin hyviä. Niiden kaikkien täytyy olla roskaa." 

Joten päädyimme tekemään Moku:Labista halvemman version, jossa oli vähemmän instrumentteja, ja teimme kalliimman version, jossa on nyt 12 instrumenttia. Kaupallisesti tämä osoittautui yhdeksi parhaimmista päätöksistämme. 

Yksi näistä versioista on suunniteltu käytettäväksi perustutkinto-laboratorioissa. Miten markkinat syntyivät? 

Huomasimme, että monet ihmiset käyttivät alkuperäistä Moku:Labia perustutkintolaboratorioissa, mutta sitä ei koskaan ollut suunniteltu kyseiseen sovellukseen – se oli aivan liian kallis ja aivan liian tehokas. Mutta yliopistot havaitsivat, että opiskelijat todella nauttivat sen käytöstä. He pitivät sitä kiinnostavana, houkuttelevana ja pelottomana käyttää, koska se puhui tavasta, jolla he olivat vuorovaikutuksessa henkilökohtaisten teknologialaitteiden kanssa. Toinen plussa oli, että Moku:Lab yksinkertaisti mittausta laboratoriossa ja antoi siksi oppilaille mahdollisuuden keskittyä käsitteisiin, joita heidän oli tarkoitus oppia.

Alkuperäinen versio oli kuitenkin liian kallis, joten julkaisimme Moku:Gon viime vuonna. Se maksaa noin 600 dollaria ja se korvaa koko perustutkintotason tyypillisessä sähkötekniikan tai fysiikan laboratoriossa. Se on ollut todellinen hitti ja olemme jo myyneet enemmän Moku:Goja kuin olemme myyneet Moku:Labsia yrityksen historiassa. Uskomme, että sillä on potentiaalia demokratisoida tieteellistä koulutusta ympäri maailmaa ja parantaa opiskelijoiden kokemusta. Itse asiassa opiskelijat ovat kirjoittaneet meille sanoen, että he eivät nauttineet tai ymmärtäneet laboratoriotyötään ennen kuin he alkoivat käyttää Moku:Goa – mikä on erittäin ilahduttavaa. 

Olet myös julkaissut huippuluokan version Moku:Labista

Vuodesta 2016 lähtien olemme keränneet paljon kokemusta, olemme paljon suurempi yritys ja meillä on paljon enemmän suunnittelukykyä tiimissä. Tämän ansiosta olemme saaneet markkinoille uuden lippulaivatuotteemme, Moku:Pron. Se on tuote, jonka olisimme toivoneet voivamme tehdä alussa, mutta kesti vain vähän aikaa päästä siihen. Se voi kilpailla huippuluokan instrumenttien, kuten oskilloskooppien, kanssa, ja se on todella näyttänyt ihmisille, mitä tulevaisuus tuo tullessaan testauksen ja mittauksen suhteen.

Olemme hyödyntäneet sitä tosiasiaa, että FPGA:t kasvavat ajan myötä. Moku:Lab on suunniteltu toimimaan yhtenä instrumenttina kerrallaan – ja parhaimmillaan se saattaa pystyä käyttämään paria instrumenttia samanaikaisesti tulevaisuudessa. Moku:Pron FPGA on 10 kertaa suurempi kuin Moku:Labin siru, ja tämä tarkoittaa, että voimme jakaa sen useisiin osiin. Sen sijaan, että vain yksi instrumentti olisi käynnissä, se voi käyttää useita instrumentteja kerralla. 

Lisäksi nämä instrumentit voivat kommunikoida keskenään käyttämällä suurta kaistanleveyttä, häviötöntä ja matalan latenssin signaaleja, jotka eivät koskaan poistu sirulta. Moku:Pro on tehokas vaihtoehto suurille PXI- ja VXI-järjestelmille, joita on tällä hetkellä kaikkialla huippuluokan laboratorioissa sekä suunnittelu- ja tuotantolaitoksissa ympäri maailmaa.

Toinen meille ensimmäinen asia on, että Moku:Pron käyttäjät voivat ohjelmoida FPGA:n omilla instrumenteillaan käyttämällä tarjoamiamme yksinkertaisia ​​työkaluja. Tarvitset vain verkkoselaimen – ohjelmistoa ei tarvitse asentaa – ja voit rakentaa oman instrumentin tyhjästä ja saada sen toimimaan laboratoriossa muutamassa minuutissa. Se on todella avannut ihmisten silmät mahdollisuudelle, että he voivat rakentaa Moku:Pron avulla juuri tarvitsemansa mittausratkaisun.