Daniele Shaddock è co-fondatore di Strumenti liquidi e professore di fisica presso l'Università Nazionale Australiana di Canberra. Ha parlato con Hamish Johnston dell'innovazione nel settore dei test e delle misurazioni
con apparecchiature di prova e misurazione. (Per gentile concessione: strumenti liquidi)
Gran parte della tua carriera di ricercatore si è concentrata sull’uso dell’ottica per misurare piccole variazioni di gravità, comprese le onde gravitazionali. Puoi descrivere il tuo lavoro accademico?
I miei principali interessi di ricerca riguardano la metrologia ottica e ho lavorato sulla LIGO ed LISA rilevatori di onde gravitazionali. Sono una persona molto orientata agli obiettivi e sono stato molto attratto dalle grandi sfide di misurazione del rilevamento delle onde gravitazionali quando ho iniziato a lavorare sul campo come studente post-laurea nel 1996. Sembrava un problema incredibilmente difficile: come si realizza il dispositivo di misurazione più sensibile al mondo? Stavo lavorando con centinaia di altri ricercatori, il che penso ci abbia fatto sentire tutti un po’ meno pazzi. È stato molto gratificante quando le onde gravitazionali sono state rilevate da LIGO nel 2015.
All'inizio della mia carriera, mi sono interessato molto agli aspetti di risoluzione dei problemi legati alla misurazione. Avevamo dedicato così tanto tempo e sforzi alla creazione della tecnologia LIGO e ho iniziato a pensare a come avremmo potuto condividerla con il resto del mondo per risolvere altre sfide di misurazione. Questo è ciò che mi ha spinto ad approfondire la comprensione della tecnologia di misurazione a un livello scientifico fondamentale.
Hai fondato Liquid Instruments nel 2014 perché eri frustrato dalla mancanza di innovazione nel settore dei test e delle misurazioni. Quali erano i problemi con il kit in offerta in quel momento?
È uno di quei settori che non è cambiato da molti, molti decenni. Le persone che utilizzavano un oscilloscopio negli anni '1970 o addirittura '1960 avrebbero trovato familiari gli strumenti moderni. Le apparecchiature di prova non erano al passo con il modo in cui interagiamo con la tecnologia: non era divertente da usare. Così tante altre industrie hanno migliorato e adattato i loro prodotti alla luce delle moderne tecnologie digitali, e questo mi ha fatto capire che se migliorassimo il modo in cui le persone interagiscono con le loro apparecchiature, migliorerebbe la loro vita in laboratorio.
In quel periodo la mia ricerca sulle onde gravitazionali si stava spostando dai rilevatori terrestri come LIGO ai rilevatori spaziali come Lisa Pathfinder. Ciò significava che dovevamo cambiare il modo in cui effettuavamo le misurazioni. LIGO ha qualcosa come 100,000 canali di misurazione e richiede un esercito di studenti laureati e post-doc per mantenerlo attivo. Non è possibile farlo nello spazio, quindi la sfida era creare un nuovo tipo di sistema di misurazione da poter lanciare su un razzo e gestire a distanza per un decennio. Ci siamo resi conto che dovevamo passare da un approccio fisico e cablato ai test e alle misurazioni verso un sistema basato su computer che utilizzava software intelligente.
È stato allora che hai iniziato a utilizzare i chip per computer FPGA (field-programmable gate array)?
SÌ. Il problema nel provare a eseguire test e misurazioni con un computer convenzionale è che non dispone delle connessioni fisiche con il mondo reale necessarie per effettuare misurazioni accurate. Ma c'era un nuovo tipo di chip per computer di cui avevo sentito parlare mentre ero al Caltech alla fine degli anni '1990: l'FPGA. Un FPGA è un computer che può essere completamente riconfigurato e ricablato in una frazione di secondo. L’FPGA sembrava una piattaforma utile per fondere il mondo dei computer con il mondo dell’hardware e creare qualcosa che fosse più grande della somma delle sue parti.
Ci siamo resi conto che avremmo potuto utilizzare l'FPGA per sostituire un'ampia fascia di strumentazione convenzionale, tra cui oscilloscopi, analizzatori di spettro, generatori di segnali e amplificatori lock-in. Esistono decine, o forse anche più di 100 tipi diversi di dispositivi che possono essere creati utilizzando gli FPGA.
Moku-Pro può eseguire più strumenti contemporaneamente, il che sono in grado di comunicare tra loro
Quali sono i vantaggi dell’approccio FPGA?
Avevamo iniziato a utilizzare FPGA per creare un fasometro per il rilevatore di onde gravitazionali LISA. Non abbiamo scelto un'architettura basata su FPGA per la sua flessibilità. L'abbiamo scelto in quel momento perché era l'unico modo per ottenere le prestazioni richieste da LISA.
Tuttavia, ci siamo subito resi conto che avremmo potuto riconfigurare l'FPGA per funzionare come un oscilloscopio o forse come un analizzatore di spettro. Fondamentalmente, abbiamo notato che questo approccio presentava molti vantaggi. Ciò significava che non dovevamo lottare per l'attrezzatura con gli altri ricercatori in un laboratorio dove avevamo un solo analizzatore di spettro. Significava anche che potevamo eseguire esperimenti in remoto perché non dovevamo collegare o scollegare fisicamente i cavi per cambiare strumento.
Un altro importante vantaggio del nostro approccio FPGA è che potremmo utilizzare il software per personalizzare gli strumenti in modo che facciano esattamente ciò che volevamo. Se volessimo cambiare il filtro del nostro amplificatore lock-in, ad esempio, non avremmo dovuto aprire la scatola ed estrarre un saldatore.
Potremmo creare un'enorme varietà di strumenti con un unico dispositivo. E poiché quel dispositivo era incredibilmente utile, abbiamo fatto lo sforzo di progettarlo secondo uno standard elevato. Abbiamo iniziato a prestare i nostri strumenti ai nostri colleghi in tutto il mondo e abbiamo notato che non li avrebbero mai restituiti. Si rifiuterebbero di restituirli. E abbiamo pensato: "Oh, è interessante".
È stato allora che ti sei reso conto del potenziale commerciale dell'approccio FPGA?
Sì, il nostro approccio software-defined ci ha offerto flessibilità, scalabilità e aggiornabilità. La tecnologia stava migliorando rapidamente e per me era chiaro che avrebbe dominato il settore dei test e delle misurazioni nel giro di cinque o dieci anni. Allo stesso tempo, l’industria informatica era focalizzata sul miglioramento dell’esperienza dell’utente e questo ci ha fatto capire che avevamo un prodotto davvero interessante.
Quindi hai lanciato il tuo primo prodotto, Moku:Lab nel 2016. Com'è stato?
Abbiamo rilasciato Moku:Lab come prodotto minimo realizzabile e avevamo tre strumenti: un oscilloscopio; un analizzatore di spettro; e un generatore di forme d'onda. Oggi quei primi clienti possono utilizzare 12 strumenti semplicemente aggiornando un'app su un iPad. Questo approccio sta diventando comune in tutto il settore tecnologico: prodotti che migliorano nel tempo. Questo è diverso dalle apparecchiature di prova convenzionali, che non possono essere facilmente aggiornate una volta acquistate.
Come è stato accolto Moku:Lab?
Quando abbiamo fondato l'azienda, io e il mio team avevamo una buona reputazione nello sviluppo di strumentazione. Quindi, invece di essere licenziati, la gente ha pensato: "Ci sono alcune persone piuttosto serie dietro Liquid Instruments, e se pensano che sia una buona idea, allora probabilmente vale la pena dare una seconda occhiata". La nostra reputazione iniziale era particolarmente forte nel mercato universitario perché ero professore di fisica all'ANU, che è un'università di alto livello.
Abbiamo scoperto che i fisici e gli ingegneri sperimentali sono un gruppo orientato al futuro e desideroso di provare nuove tecnologie. Queste tendono ad essere le persone che per prime adottano le nuove tecnologie personali tra i loro amici – o da bambini probabilmente erano responsabili della programmazione del timer del videoregistratore di famiglia. All'inizio abbiamo avuto un gran numero di sostenitori che hanno immediatamente visto i potenziali benefici del nostro approccio e si sono resi conto che il nostro primo tentativo non sarebbe stato perfetto.
Mentre ci spingevamo verso nuovi mercati, abbiamo scoperto che diversi settori hanno una diversa propensione al rischio quando adottano nuove tecnologie. Inoltre, c’è una psicologia molto interessante coinvolta quando le persone incontrano nuove tecnologie. Lo abbiamo scoperto quando abbiamo rilasciato i primi nuovi strumenti per Moku:Lab, che includevano un fasometro e un amplificatore lock-in. All'epoca vendevamo il dispositivo per 5000 dollari e sentivamo due cose molto diverse. La prima era: "Beh, non uso tutti questi strumenti, quindi vorrei uno sconto". Un secondo gruppo di persone ci ha detto: “Oh mio Dio, questo è un valore semplicemente incredibile. Se davvero fornisci tutti questi strumenti a quel prezzo, non possono essere molto buoni. Devono essere tutti spazzatura.
Quindi, alla fine, abbiamo creato una versione più economica di Moku:Lab, che aveva meno strumenti, e abbiamo realizzato una versione più costosa, che ora include 12 strumenti. Commercialmente, questa si è rivelata una delle migliori decisioni che abbiamo preso.
Una di queste versioni è progettata per l'uso nei laboratori universitari. Come è emerso quel mercato?
Abbiamo notato che molte persone utilizzavano Moku:Lab originale nei laboratori universitari, ma non era mai stato progettato per quell'applicazione: era troppo costoso e aveva prestazioni troppo elevate. Ma le università hanno scoperto che agli studenti piaceva davvero usarlo. L'hanno trovato coinvolgente, avvincente e non intimidatorio da usare perché parlava del modo in cui interagivano con i dispositivi tecnologici personali. Un altro vantaggio è che Moku:Lab ha semplificato la misurazione in laboratorio e quindi ha permesso agli studenti di concentrarsi sui concetti che avrebbero dovuto apprendere.
Tuttavia, la versione originale era troppo costosa, quindi l'anno scorso abbiamo lanciato Moku:Go. Costa circa $ 600 e sostituisce un intero banco universitario in un tipico laboratorio di ingegneria elettrica o fisica. È stato un vero successo e abbiamo già venduto più Moku:Go di quanti ne abbiamo venduti Moku:Labs nella storia dell'azienda. Crediamo che abbia il potenziale per democratizzare l’educazione scientifica in tutto il mondo e migliorare l’esperienza degli studenti. In effetti, gli studenti ci hanno scritto dicendo che non hanno apprezzato o compreso il lavoro di laboratorio finché non hanno iniziato a utilizzare Moku:Go, il che è molto gratificante.
Hai anche rilasciato una versione di fascia alta di Moku:Lab
Dal 2016 abbiamo acquisito molta esperienza, siamo un'azienda molto più grande e abbiamo molte più competenze ingegneristiche nel team. Ciò ci ha permesso di lanciare il nostro nuovo prodotto di punta, Moku:Pro. È il prodotto che avremmo voluto realizzare all'inizio, ma ci è voluto solo un po' di tempo per arrivarci. Può competere con strumenti di fascia alta, inclusi gli oscilloscopi, e ha davvero mostrato alle persone cosa riserva il futuro per i test e le misurazioni.
Abbiamo approfittato del fatto che gli FPGA stanno diventando sempre più grandi nel tempo. Moku:Lab è stato progettato per funzionare come uno strumento alla volta – e nella migliore delle ipotesi potrebbe essere in grado di eseguire un paio di strumenti contemporaneamente in futuro. L'FPGA di Moku:Pro è 10 volte più grande del chip di Moku:Lab e questo significa che possiamo dividerlo in più sezioni. Invece di avere un solo strumento in funzione, può far funzionare più strumenti contemporaneamente.
Inoltre, questi strumenti possono comunicare tra loro utilizzando segnali a larghezza di banda elevata, senza perdite e a bassa latenza che non lasciano mai il chip. Moku:Pro è effettivamente un'alternativa ai grandi sistemi PXI e VXI attualmente onnipresenti nei laboratori di fascia alta e negli impianti di ingegneria e produzione di tutto il mondo.
Un'altra novità per noi è che gli utenti di Moku:Pro possono programmare l'FPGA con i propri strumenti utilizzando i semplici strumenti da noi forniti. Tutto ciò di cui hai bisogno è un browser web – non c'è nessun software da installare – e puoi costruire il tuo strumento da zero e poi farlo funzionare in laboratorio in pochi minuti. Ciò ha davvero aperto gli occhi alle persone sulla possibilità di utilizzare Moku:Pro per costruire esattamente la soluzione di misurazione di cui hanno bisogno.
