Herconfigureerbare computerchips creëren een alles-in-één meetoplossing voor het lab

Een groot deel van uw onderzoekscarrière heeft zich gericht op het gebruik van optica om kleine variaties in de zwaartekracht te meten, inclusief zwaartekrachtgolven. Kunt u uw academische werk beschrijven?

Mijn voornaamste onderzoeksinteresses liggen bij optische metrologie en ik heb gewerkt aan de LINK en LISA zwaartekrachtgolfdetectoren. Ik ben een zeer doelgericht persoon en ik voelde me erg aangetrokken tot de grote meetuitdagingen van de detectie van zwaartekrachtgolven toen ik in 1996 als postdoctorale student in het veld begon te werken. Het leek een onmogelijk moeilijk probleem:  hoe maak je 's werelds meest gevoelige meetapparaat? Ik werkte samen met honderden andere onderzoekers, waardoor we ons volgens mij allemaal een beetje minder gek voelden. Het was heel bevredigend toen LIGO in 2015 zwaartekrachtsgolven ontdekte.

Tijdens mijn vroege carrière raakte ik erg geïnteresseerd in de probleemoplossende aspecten van meten. We hadden zoveel tijd en moeite gestoken in het bouwen van LIGO-technologie, en ik begon na te denken over hoe we deze met de rest van de wereld konden delen om andere meetuitdagingen op te lossen. Dat is wat mij ertoe aanzette om dieper in te gaan op het begrijpen van meettechnologie op een heel fundamenteel, wetenschappelijk niveau.

Je hebt Liquid Instruments in 2014 opgericht omdat je gefrustreerd was door het gebrek aan innovatie in de test- en meetindustrie. Wat waren de problemen met de destijds aangeboden kit?

Het is een van die industrieën die in vele tientallen jaren niet veranderd is. Mensen die in de jaren zeventig of zelfs in de jaren zestig een oscilloscoop gebruikten, zouden moderne instrumenten bekend voorkomen. Testapparatuur had geen gelijke tred gehouden met de manier waarop we omgaan met technologie – het was niet leuk om te gebruiken. Zoveel andere industrieën hadden hun producten verbeterd en aangepast in het licht van moderne digitale technologieën. Het deed me beseffen dat als we de manier zouden verbeteren waarop mensen omgaan met hun apparatuur, dit hun leven in het laboratorium zou verbeteren.

Rond die tijd verschoof mijn onderzoek naar zwaartekrachtgolven van op de grond gebaseerde detectoren zoals LIGO naar op de ruimte gebaseerde detectoren zoals Lisa Pathfinder. Dit betekende dat we de manier waarop we metingen deden, moesten veranderen. LIGO heeft ongeveer 100,000 meetkanalen en heeft een leger van afgestudeerde studenten en postdocs nodig om het draaiende te houden. Dat kun je niet doen in de ruimte, dus de uitdaging was om een ​​nieuw type meetsysteem te creëren dat je op een raket zou kunnen lanceren en tien jaar lang op afstand zou kunnen bedienen. We realiseerden ons dat we moesten overstappen van een fysieke, vaste benadering van testen en meten naar een computergebaseerd systeem dat gebruik maakte van intelligente software.

Is dat het moment waarop u begon met het gebruik van FPGA-computerchips (field-programmable gate array)?

Ja. Het probleem bij het testen en meten met een conventionele computer is dat deze niet over de fysieke verbindingen met de echte wereld beschikt die nodig zijn om nauwkeurige metingen uit te voeren. Maar er was een nieuw type computerchip waar ik eind jaren negentig over had gehoord toen ik bij Caltech werkte: de FPGA. Een FPGA is een computer die in een fractie van een seconde volledig opnieuw kan worden geconfigureerd en opnieuw kan worden aangesloten. De FPGA leek een nuttig platform om de wereld van computers te laten samensmelten met de wereld van hardware en iets te maken dat groter is dan de som der delen.

We realiseerden ons dat we de FPGA konden gebruiken om een ​​groot aantal conventionele instrumenten te vervangen, waaronder oscilloscopen, spectrumanalysatoren, signaalgeneratoren en lock-in-versterkers. Er zijn tientallen, of misschien zelfs meer dan 100 verschillende soorten apparaten die met FPGA's kunnen worden gemaakt. 

Moku-Pro kan veel instrumenten tegelijk gebruiken met elkaar kunnen communiceren 

Wat zijn de voordelen van de FPGA-aanpak?

We waren begonnen met het gebruik van FPGA's om een ​​fasemeter te maken voor de LISA-zwaartekrachtgolfdetector. We hebben niet voor een FPGA-gebaseerde architectuur gekozen vanwege de flexibiliteit ervan. We hebben er destijds voor gekozen omdat dit de enige manier was waarop we de prestaties konden krijgen die LISA nodig had.

We realiseerden ons echter al snel dat we de FPGA opnieuw konden configureren om te functioneren als een oscilloscoop, of misschien als een spectrumanalysator. Cruciaal was dat we merkten dat deze aanpak veel voordelen had. Het betekende dat we niet met de andere onderzoekers om apparatuur hoefden te vechten in een laboratorium waar we maar één spectrumanalysator hadden. Het betekende ook dat we experimenten op afstand konden uitvoeren, omdat we geen kabels hoefden aan te sluiten of los te koppelen om van instrument te wisselen. 

Een ander belangrijk voordeel van onze FPGA-aanpak is dat we software konden gebruiken om de instrumenten aan te passen zodat ze precies deden wat we wilden. Als we bijvoorbeeld het filter van onze lock-in-versterker wilden vervangen, hoefden we de doos niet open te breken en een soldeerbout te pakken. 

Met één enkel apparaat zouden we een enorme verscheidenheid aan instrumenten kunnen creëren. En omdat dat apparaat ongelooflijk nuttig was, hebben we de moeite genomen om het volgens een hoge standaard te ontwikkelen. We begonnen onze instrumenten uit te lenen aan onze collega's over de hele wereld, en we merkten dat ze ze nooit meer terug zouden geven. Ze zouden weigeren ze terug te geven. En we dachten: "Oh, dat is interessant."

Besefte u toen het commerciële potentieel van de FPGA-aanpak? 

Ja, onze softwaregedefinieerde aanpak gaf ons flexibiliteit, schaalbaarheid en upgrademogelijkheden. De technologie verbeterde snel en het was mij duidelijk dat deze binnen vijf tot tien jaar de test- en meetindustrie zou domineren. Tegelijkertijd was de computerindustrie gefocust op het verbeteren van de gebruikerservaring en dit deed ons beseffen dat we een heel aantrekkelijk product hadden.

Dus lanceerde je in 2016 je eerste product, Moku:Lab. Hoe was dat?

We brachten Moku:Lab uit als ons minimaal levensvatbare product en hadden er drie instrumenten op: een oscilloscoop; een spectrumanalysator; en een golfvormgenerator. Tegenwoordig kunnen die eerste klanten twaalf instrumenten bedienen door simpelweg een app op een iPad te updaten. Deze aanpak wordt steeds gebruikelijker in de technologiesector: producten die in de loop van de tijd beter worden. Dit in tegenstelling tot conventionele testapparatuur, die niet gemakkelijk kan worden geüpgraded zodra u deze aanschaft.

Hoe werd Moku:Lab voor het eerst ontvangen? 

Toen we het bedrijf startten, hadden mijn team en ik een redelijk goede reputatie op het gebied van het ontwikkelen van instrumentatie. Dus in plaats van weggewuifd te worden, dachten mensen: “Er zitten behoorlijk serieuze mensen achter Liquid Instruments, en als ze denken dat het een goed idee is, dan is het waarschijnlijk de moeite waard om er nog eens naar te kijken”. Onze aanvankelijke reputatie was bijzonder sterk op de universitaire markt omdat ik hoogleraar natuurkunde was aan de ANU, een universiteit van topklasse. 

We ontdekten dat experimentele natuurkundigen en ingenieurs een vooruitstrevende groep zijn en bereid zijn nieuwe technologieën uit te proberen. Dit zijn meestal de mensen die als eersten nieuwe persoonlijke technologieën onder hun vrienden adopteren – of als kind waren ze waarschijnlijk verantwoordelijk voor het programmeren van de videorecordertimer van het gezin. We hadden in de beginperiode een groot aantal supporters die meteen de potentiële voordelen van onze aanpak zagen en beseften dat onze eerste poging niet perfect zou zijn.

Toen we nieuwe markten betreden, ontdekten we dat verschillende sectoren een verschillende risicobereidheid hebben bij het adopteren van nieuwe technologieën. Er komt ook een hele interessante psychologie bij kijken als mensen in aanraking komen met nieuwe technologieën. We ontdekten dit toen we de eerste nieuwe instrumenten voor Moku:Lab uitbrachten, waaronder een fasemeter en een lock-in-versterker. We verkochten het apparaat destijds voor $ 5000 en we hoorden twee heel verschillende dingen. De eerste was: "Nou, ik gebruik niet al deze instrumenten, dus ik wil graag korting." Een tweede groep mensen zei tegen ons: “Oh mijn god, dit is gewoon een geweldige waarde. Als je al deze instrumenten echt voor die prijs aanbiedt, kunnen ze niet erg goed zijn. Het moeten allemaal onzin zijn.” 

Dus uiteindelijk hebben we een goedkopere versie van Moku:Lab gemaakt, die minder instrumenten had, en we hebben een duurdere versie gemaakt, die nu met 12 instrumenten wordt geleverd. Commercieel gezien bleek dit een van de beste beslissingen die we hebben genomen. 

Eén van deze versies is ontworpen voor gebruik in niet-gegradueerde laboratoria. Hoe is die markt ontstaan? 

We merkten dat veel mensen het originele Moku:Lab gebruikten in niet-gegradueerde laboratoria, maar dat het nooit echt voor die toepassing was ontworpen – het was veel te duur en veel te hoge prestaties. Maar universiteiten ontdekten dat studenten het heel graag gebruikten. Ze vonden het boeiend, overtuigend en niet intimiderend om te gebruiken, omdat het aansprak op de manier waarop ze omgingen met persoonlijke technologische apparaten. Een ander pluspunt was dat Moku:Lab de metingen in het laboratorium vereenvoudigde, waardoor studenten zich konden concentreren op de concepten die ze moesten leren.

De originele versie was echter te duur, dus kwamen we vorig jaar met Moku:Go uit. Het kost ongeveer $ 600 en vervangt een volledig niet-gegradueerd werkblad in een typisch elektrotechnisch of natuurkundig laboratorium. Het was een echte hit en we hebben al meer Moku:Go's verkocht dan Moku:Labs in de geschiedenis van het bedrijf. Wij geloven dat dit het potentieel heeft om het wetenschappelijk onderwijs over de hele wereld te democratiseren en de ervaring van studenten te verbeteren. Studenten hebben ons geschreven dat ze hun laboratoriumwerk niet leuk vonden of begrepen, totdat ze Moku:Go gingen gebruiken – wat zeer bevredigend is. 

Je hebt ook een geavanceerde versie van Moku:Lab uitgebracht

Sinds 2016 hebben we veel ervaring opgedaan, zijn we een veel groter bedrijf en hebben we veel meer technische bekwaamheid in het team. Dat heeft ons in staat gesteld ons nieuwe vlaggenschipproduct, Moku:Pro, te lanceren. Het is het product dat we in het begin graag hadden willen maken, maar het kostte ons wat tijd om daar te komen. Het kan concurreren met hoogwaardige instrumenten, waaronder oscilloscopen, en heeft mensen echt laten zien wat de toekomst in petto heeft op het gebied van testen en meten.

We hebben geprofiteerd van het feit dat FPGA's in de loop van de tijd steeds groter worden. Moku:Lab is ontworpen om als één instrument tegelijk te werken – en in het beste geval kan het in de toekomst mogelijk een aantal instrumenten tegelijkertijd gebruiken. De FPGA in Moku:Pro is 10 keer zo groot als de chip in Moku:Lab en dit betekent dat we deze in verschillende secties kunnen verdelen. In plaats van dat er slechts één instrument actief is, kan het meerdere instrumenten tegelijk aansturen. 

Bovendien kunnen deze instrumenten met elkaar communiceren via signalen met hoge bandbreedte, verliesvrije signalen en lage latentie, die de chip nooit verlaten. Moku:Pro is in feite een alternatief voor de grote PXI- en VXI-systemen die momenteel alomtegenwoordig zijn in hoogwaardige laboratoria en engineering- en productiefaciliteiten over de hele wereld.

Een andere primeur voor ons is dat Moku:Pro-gebruikers de FPGA met hun eigen instrumenten kunnen programmeren met behulp van de eenvoudige tools die wij leveren. Het enige wat u nodig heeft is een webbrowser – u hoeft geen software te installeren – en u kunt uw eigen instrument helemaal opnieuw bouwen, en het binnen enkele minuten in het laboratorium laten draaien. Dat heeft de ogen van mensen echt geopend voor de mogelijkheid dat ze Moku:Pro kunnen gebruiken om precies de meetoplossing te bouwen die ze nodig hebben.