שבבי מחשב הניתנים להגדרה מחדש יוצרים פתרון מדידה הכל באחד עבור המעבדה

חלק גדול מקריירת המחקר שלך התמקד בשימוש באופטיקה למדידת שינויים זעירים בכוח הכבידה, כולל גלי כבידה. האם תוכל לתאר את עבודתך האקדמית?

תחומי המחקר העיקריים שלי הם במטרולוגיה אופטית ועבדתי על ליגו ו ליסה גלאי גלי כבידה. אני אדם מאוד ממוקד מטרה ונמשכתי מאוד לאתגרי המדידה הגדולים של זיהוי גלי כבידה כשהתחלתי לעבוד בתחום כסטודנט לתואר שני ב-1996. זו נראתה כמו בעיה קשה עד בלתי אפשרית:  איך מייצרים את מכשיר המדידה הרגיש ביותר בעולם? עבדתי עם מאות חוקרים אחרים, שלדעתי גרם לכולנו להרגיש קצת פחות משוגעים. זה היה מאוד משמח כאשר גלי כבידה זוהו על ידי LIGO בשנת 2015.

במהלך הקריירה המוקדמת שלי, התעניינתי מאוד בהיבטי פתרון הבעיות של מדידה. השקענו כל כך הרבה זמן ומאמץ בבניית טכנולוגיית LIGO, והתחלתי לחשוב איך נוכל לחלוק אותה עם שאר העולם כדי לפתור אתגרי מדידה אחרים. זה מה שדחף אותי להסתכל לעומק על הבנת טכנולוגיית המדידה ברמה מאוד בסיסית, מדעית.

ייסדת את Liquid Instruments ב-2014 כי היית מתוסכל מחוסר החדשנות בתעשיית הבדיקות והמדידה. מה היו הבעיות בערכה שהוצעה באותה תקופה?

זה אחד מאותם תעשיות שלא השתנו במשך הרבה מאוד עשורים. אנשים שהשתמשו באוסילוסקופ בשנות ה-1970 או אפילו בשנות ה-1960 ימצאו מכשירים מודרניים מוכרים. ציוד הבדיקה לא עמד בקצב האינטראקציה שלנו עם הטכנולוגיה - לא היה כיף להשתמש בו. כל כך הרבה תעשיות אחרות שיפרו והתאימו את המוצרים שלהן לאור הטכנולוגיות הדיגיטליות המודרניות, זה גרם לי להבין שאם נשפר את אופן האינטראקציה של אנשים עם הציוד שלהם, זה ישפר את חייהם במעבדה.

בערך באותו זמן, מחקר גלי הכבידה שלי התרחק מגלאים מבוססי קרקע כמו LIGO לגלאים מבוססי חלל כמו LISA Pathfinder. זה אומר שהיינו צריכים לשנות את הדרך שבה ביצענו מדידות. ל-LIGO יש משהו כמו 100,000 ערוצי מדידה ודורש צבא של סטודנטים לתארים מתקדמים ופוסט-דוקטורט כדי להמשיך לזמזם. אתה לא יכול לעשות את זה בחלל אז האתגר היה ליצור סוג חדש של מערכת מדידה שתוכל לשגר על רקטה ולפעול מרחוק במשך עשור. הבנו שעלינו לעבור מגישה פיזית וקשיחה לבדיקה ומדידה לכיוון של מערכת מבוססת מחשב המשתמשת בתוכנה חכמה.

האם זה כאשר התחלת להשתמש בשבבי מחשב עם מערך שערים לתכנות שדה (FPGA)?

כן. הבעיה בניסיון לבצע בדיקה ומדידה עם מחשב רגיל היא שאין לו את החיבורים הפיזיים לעולם האמיתי הדרושים כדי לבצע מדידות מדויקות. אבל היה סוג חדש של שבב מחשב ששמעתי עליו ב-Caltech בסוף שנות ה-1990 - ה-FPGA. FPGA הוא מחשב שניתן להגדיר מחדש לחלוטין ולחווט מחדש בשבריר שנייה. ה-FPGA נראה כמו פלטפורמה שימושית למיזוג עולם המחשבים עם עולם החומרה ויצירת משהו שגדול מסך חלקיו.

הבנו שאנחנו יכולים להשתמש ב-FPGA כדי להחליף חלק גדול של מכשור קונבנציונלי כולל אוסילוסקופים, מנתחי ספקטרום, מחוללי אותות ומגברים נעולים. ישנם עשרות, או אולי אפילו יותר מ-100 סוגים שונים של מכשירים שניתן ליצור באמצעות FPGAs. 

Moku-Pro יכול להפעיל מכשירים רבים בבת אחת, אשר מסוגלים לתקשר אחד עם השני 

מהם היתרונות של גישת FPGA?

התחלנו להשתמש ב-FPGAs כדי ליצור מד פאזה עבור גלאי גלי הכבידה LISA. לא בחרנו בארכיטקטורה מבוססת FPGA בגלל הגמישות שלה. בחרנו בזה בזמנו כי זו הייתה הדרך היחידה שבה נוכל להשיג את הביצועים שנדרשו על ידי LISA.

עם זאת, מהר מאוד הבנו שאנחנו יכולים להגדיר מחדש את ה-FPGA כך שיפעל כאוסילוסקופ, או אולי כמנתח ספקטרום. באופן מכריע, שמנו לב שלגישה זו יש הרבה יתרונות. זה אומר שלא היינו צריכים ללכת ולהילחם על ציוד עם החוקרים האחרים במעבדה שבה היה לנו רק מנתח ספקטרום אחד. זה גם אומר שנוכל להריץ ניסויים מרחוק מכיוון שלא היינו צריכים לחבר פיזית או לנתק כבלים כדי להחליף מכשירים. 

יתרון חשוב נוסף של גישת ה-FPGA שלנו הוא שאנחנו יכולים להשתמש בתוכנה כדי להתאים אישית את המכשירים לעשות בדיוק מה שרצינו. אם רצינו להחליף את המסנן במגבר הננעל שלנו, למשל, לא היינו צריכים לפתוח את הקופסה ולהוציא מלחם. 

נוכל ליצור מגוון עצום של מכשירים עם מכשיר אחד. ומכיוון שהמכשיר הזה היה שימושי להפליא, עשינו את המאמץ להנדס אותו ברמה גבוהה. התחלנו להשאיל את המכשירים שלנו לעמיתים שלנו ברחבי העולם, ושמנו לב שהם לעולם לא יחזירו אותם. הם היו מסרבים להחזיר אותם. וחשבנו, "הו, זה מעניין."

האם זה הזמן שבו הבנת את הפוטנציאל המסחרי של גישת ה-FPGA? 

כן, הגישה המוגדרת בתוכנה נתנה לנו גמישות, מדרגיות ויכולת שדרוג. הטכנולוגיה השתפרה במהירות, והיה לי ברור שהיא תשלוט בענף הבדיקות והמדידה בעוד חמש או 10 שנים. במקביל, תעשיית המחשוב התמקדה בשיפור חווית המשתמש וזה גרם לנו להבין שיש לנו מוצר ממש משכנע.

אז השקת את המוצר הראשון שלך, Moku:Lab ב-2016. איך זה היה?

שחררנו את Moku:Lab בתור המוצר המינימלי שלנו, והיו לנו שלושה מכשירים: אוסילוסקופ; מנתח ספקטרום; ומחולל צורות גל. היום אותם לקוחות ראשונים יכולים כעת להפעיל 12 מכשירים פשוט על ידי עדכון אפליקציה באייפד. גישה זו הופכת נפוצה בכל מגזר הטכנולוגיה - מוצרים המשתפרים עם הזמן. זה בניגוד לציוד בדיקה קונבנציונלי, שלא ניתן לשדרג בקלות ברגע שאתה קונה אותו.

כיצד התקבלה Moku:Lab לראשונה? 

כשהקמנו את החברה לצוות שלי ולי היה מוניטין די טוב בפיתוח מכשור. אז במקום להיות מודחים, אנשים חשבו, "יש כמה אנשים די רציניים מאחורי Liquid Instruments, ואם הם חושבים שזה רעיון טוב, אז כנראה שווה לבדוק שנית". המוניטין הראשוני שלנו היה חזק במיוחד בשוק האוניברסיטאות מכיוון שהייתי פרופסור לפיזיקה ב-ANU, שהיא אוניברסיטה בדירוג העליון. 

גילינו שפיזיקאים ומהנדסים ניסויים הם חבורה נוטה קדימה ומוכנים לנסות טכנולוגיות חדשות. אלה נוטים להיות האנשים הראשונים לאמץ טכנולוגיות אישיות חדשות בקרב חבריהם - או כילד הם כנראה היו אחראים על תכנות טיימר הווידיאו של המשפחה. היו לנו מספר רב של תומכים בימים הראשונים שראו מיד את היתרונות הפוטנציאליים של הגישה שלנו והבינו שהניסיון הראשון שלנו לא הולך להיות מושלם.

כשדחפנו לשווקים חדשים, גילינו שלמגזרים שונים יש תאבון שונה לסיכון בעת ​​אימוץ טכנולוגיות חדשות. כמו כן, יש פסיכולוגיה מעניינת מאוד מעורבת כאשר אנשים נתקלים בטכנולוגיות חדשות. גילינו את זה כאשר שחררנו את המכשירים החדשים הראשונים עבור Moku:Lab - שכללו מד שלב ומגבר נעילה. מכרנו את המכשיר באותו זמן ב-5000$ ושמענו שני דברים שונים מאוד. הראשון היה, "טוב, אני לא משתמש בכל המכשירים האלה, אז אני רוצה הנחה." קבוצה שנייה של אנשים אמרה לנו, "אלוהים אדירים, זה פשוט ערך מדהים. אם אתה באמת מספק את כל המכשירים האלה במחיר הזה, הם לא יכולים להיות טובים במיוחד. כולם חייבים להיות זבל". 

אז בסופו של דבר הכנו גרסה זולה יותר של Moku:Lab, שהכילה פחות מכשירים, ויצרנו גרסה יקרה יותר, שמגיעה כעת עם 12 מכשירים. מבחינה מסחרית, זו התבררה כאחת ההחלטות הטובות ביותר שעשינו. 

אחת מהגרסאות הללו מיועדת לשימוש במעבדות לתואר ראשון. איך השוק הזה צץ? 

שמנו לב שהרבה אנשים השתמשו ב-Moku:Lab המקורי במעבדות לתואר ראשון, אבל הוא אף פעם לא באמת תוכנן עבור היישום הזה - הוא היה יקר מדי וביצועים גבוהים מדי. אבל אוניברסיטאות גילו שסטודנטים מאוד נהנו להשתמש בו. הם מצאו את זה מרתק, משכנע ולא מאיים להשתמש בו, כי זה דיבר על האופן שבו הם יצרו אינטראקציה עם מכשירים טכנולוגיים אישיים. יתרון נוסף היה ש-Moku:Lab פישט את המדידה במעבדה ולכן אפשר לתלמידים להתמקד במושגים שהם נועדו ללמוד.

עם זאת, הגרסה המקורית הייתה יקרה מדי ולכן יצאנו עם Moku:Go בשנה שעברה. זה עולה בסביבות $600 וזה מחליף ספסל שלם לתואר ראשון במעבדת הנדסת חשמל או פיזיקה טיפוסית. זה היה להיט אמיתי וכבר מכרנו יותר Moku:Gos ממה שמכרנו Moku:Labs בהיסטוריה של החברה. אנו מאמינים שיש לו פוטנציאל לדמוקרטיזציה של החינוך המדעי ברחבי העולם ולשפר את חווית הסטודנטים. ואכן, תלמידים כתבו לנו ואמרו שהם לא נהנו או הבינו את עבודת המעבדה שלהם עד שהם התחילו להשתמש ב-Moku:Go - וזה מאוד משמח. 

הוצאת גם גרסה מתקדמת של Moku:Lab

מאז 2016 צברנו הרבה ניסיון, אנחנו חברה הרבה יותר גדולה, ויש לנו הרבה יותר כישרון הנדסי בצוות. זה איפשר לנו להשיק את מוצר הדגל החדש שלנו, Moku:Pro. זה המוצר שהיינו רוצים שהיינו יכולים לעשות בהתחלה, אבל רק לקח לנו קצת זמן להגיע לשם. זה יכול להתחרות עם מכשירים מתקדמים כולל אוסילוסקופים וזה באמת הראה לאנשים מה צופן העתיד לבדיקה ומדידה.

ניצלנו את העובדה ש-FPGA הולכים וגדלים עם הזמן. Moku:Lab תוכנן לפעול כמכשיר אחד בכל פעם - ובמקרה הטוב הוא עשוי להיות מסוגל להפעיל כמה מכשירים במקביל בעתיד. ה-FPGA ב-Moku:Pro הוא פי 10 מהגודל של השבב ב-Moku:Lab וזה אומר שאנחנו יכולים לחלק אותו למספר חלקים. במקום להפעיל רק מכשיר אחד, הוא יכול להפעיל מכשירים רבים בבת אחת. 

יתרה מכך, המכשירים הללו יכולים לתקשר אחד עם השני באמצעות אותות ברוחב פס גבוה, חסרי אובדן ואחזור נמוך שלעולם לא עוזבים את השבב. Moku:Pro הוא למעשה אלטרנטיבה למערכות PXI ו-VXI הגדולות שנמצאות כיום בכל מקום במעבדות מתקדמים ובמתקני הנדסה וייצור ברחבי העולם.

ראשון נוסף עבורנו הוא שמשתמשי Moku:Pro יכולים לתכנת את ה-FPGA עם המכשירים שלהם באמצעות כלים פשוטים שאנו מספקים. כל מה שאתה צריך זה דפדפן אינטרנט - אין תוכנה להתקנה - ואתה יכול לבנות את המכשיר שלך מאפס, ואז להפעיל אותו במעבדה תוך דקות ספורות. זה באמת פתח לאנשים את העיניים לאפשרות שהם יכולים להשתמש ב-Moku:Pro כדי לבנות בדיוק את פתרון המדידה שהם צריכים.