Rekonfigurowalne chipy komputerowe tworzą kompleksowe rozwiązanie pomiarowe dla laboratorium

Duża część Twojej kariery badawczej skupiała się na wykorzystaniu optyki do pomiaru niewielkich zmian grawitacji, w tym fal grawitacyjnych. Czy możesz opisać swoją pracę naukową?

Moje główne zainteresowania badawcze obejmują metrologię optyczną i pracowałem nad FAM i LISA detektory fal grawitacyjnych. Jestem osobą bardzo zorientowaną na cel i kiedy w 1996 roku rozpoczynałem pracę w tej dziedzinie jako student studiów podyplomowych, bardzo pociągały mnie ogromne wyzwania pomiarowe związane z wykrywaniem fal grawitacyjnych. Wydawało mi się to niemożliwie trudnym problemem:  Jak zrobić najczulsze urządzenie pomiarowe na świecie? Pracowałem z setkami innych badaczy, co moim zdaniem sprawiło, że wszyscy poczuliśmy się mniej szaleni. Wielką satysfakcję sprawiło mi odkrycie fal grawitacyjnych przez LIGO w 2015 roku.

Na początku mojej kariery bardzo zainteresowałem się aspektami pomiaru związanymi z rozwiązywaniem problemów. Spędziliśmy tak dużo czasu i wysiłku na tworzeniu technologii LIGO, że zacząłem myśleć o tym, jak moglibyśmy udostępnić ją reszcie świata, aby rozwiązać inne wyzwania związane z pomiarami. To właśnie skłoniło mnie do głębszego spojrzenia na technologię pomiarową na bardzo podstawowym, naukowym poziomie.

Założyłeś firmę Liquid Instruments w 2014 roku, ponieważ frustrował Cię brak innowacji w branży testowo-pomiarowej. Jakie były problemy z dostępnym wówczas zestawem?

To jedna z tych branż, która nie zmienia się od wielu, wielu dziesięcioleci. Ludzie, którzy używali oscyloskopu w latach 1970., a nawet 1960. XX wieku, uznaliby współczesne instrumenty za znajome. Sprzęt testowy nie nadążał za naszą interakcją z technologią – korzystanie z niego nie było przyjemne. Tak wiele innych branż ulepszyło i dostosowało swoje produkty w świetle nowoczesnych technologii cyfrowych, co uświadomiło mi, że jeśli poprawimy sposób interakcji ludzi ze sprzętem, poprawi to ich życie w laboratorium.

Mniej więcej w tym czasie moje badania nad falami grawitacyjnymi odeszły od detektorów naziemnych, takich jak LIGO, na rzecz detektorów kosmicznych, takich jak Lisa Pathfinder. Oznaczało to, że musieliśmy zmienić sposób dokonywania pomiarów. LIGO ma około 100,000 XNUMX kanałów pomiarowych i do jego utrzymania wymaga armii absolwentów i doktorantów. Nie da się tego zrobić w kosmosie, dlatego wyzwaniem było stworzenie nowego typu systemu pomiarowego, który można by wystrzelić na rakiecie i operować zdalnie przez dekadę. Zdaliśmy sobie sprawę, że musimy odejść od fizycznego, przewodowego podejścia do testowania i pomiarów na rzecz systemu komputerowego wykorzystującego inteligentne oprogramowanie.

Czy to wtedy zacząłeś używać chipów komputerowych z programowalną macierzą bramek (FPGA)?

Tak. Problem z próbą przeprowadzenia testów i pomiarów za pomocą konwencjonalnego komputera polega na tym, że nie ma on fizycznego połączenia ze światem rzeczywistym, które jest potrzebne do wykonywania dokładnych pomiarów. Ale był nowy typ chipa komputerowego, o którym słyszałem w Caltech pod koniec lat 1990. – FPGA. FPGA to komputer, który można całkowicie przekonfigurować i ponownie podłączyć w ułamku sekundy. Układ FPGA wydawał się użyteczną platformą do łączenia świata komputerów ze światem sprzętu i tworzenia czegoś, co jest czymś więcej niż sumą jego części.

Zdaliśmy sobie sprawę, że możemy wykorzystać układ FPGA do zastąpienia dużej części konwencjonalnego oprzyrządowania, w tym oscyloskopów, analizatorów widma, generatorów sygnałów i wzmacniaczy blokujących. Istnieje dziesiątki, a może nawet ponad 100 różnych typów urządzeń, które można stworzyć przy użyciu układów FPGA. 

Moku-Pro może obsługiwać wiele instrumentów jednocześnie, co potrafią się ze sobą komunikować 

Jakie są zalety podejścia FPGA?

Zaczęliśmy używać układów FPGA do stworzenia fazomierza dla detektora fal grawitacyjnych LISA. Nie wybraliśmy architektury opartej na FPGA ze względu na jej elastyczność. Wybraliśmy to wówczas, ponieważ tylko w ten sposób mogliśmy uzyskać wydajność wymaganą przez LISA.

Szybko jednak zdaliśmy sobie sprawę, że możemy przekonfigurować układ FPGA tak, aby działał jako oscyloskop lub być może analizator widma. Co najważniejsze, zauważyliśmy, że to podejście ma wiele zalet. Oznaczało to, że nie musieliśmy walczyć o sprzęt z innymi badaczami w laboratorium, w którym mieliśmy tylko jeden analizator widma. Oznaczało to również, że mogliśmy przeprowadzać eksperymenty zdalnie, ponieważ nie musieliśmy fizycznie podłączać ani odłączać kabli, aby przełączać instrumenty. 

Kolejną ważną zaletą naszego podejścia FPGA jest to, że możemy używać oprogramowania do dostosowywania przyrządów tak, aby robiły dokładnie to, czego chcieliśmy. Jeśli na przykład chcieliśmy wymienić filtr w naszym wzmacniaczu z blokadą, nie musieliśmy otwierać pudełka i wyciągać lutownicy. 

Za pomocą jednego urządzenia moglibyśmy stworzyć ogromną różnorodność instrumentów. A ponieważ to urządzenie było niezwykle przydatne, dołożyliśmy wszelkich starań, aby zaprojektować je na wysokim poziomie. Zaczęliśmy pożyczać nasze instrumenty naszym kolegom na całym świecie i zauważyliśmy, że nigdy ich nie oddali. Odmówiliby ich zwrotu. I pomyśleliśmy: „Och, to interesujące”.

Czy wtedy zdałeś sobie sprawę z komercyjnego potencjału podejścia FPGA? 

Tak, nasze podejście oparte na oprogramowaniu zapewniło nam elastyczność, skalowalność i możliwość aktualizacji. Technologia szybko się rozwijała i było dla mnie jasne, że za pięć lub dziesięć lat zdominuje branżę testowo-pomiarową. Jednocześnie branża komputerowa skupiała się na poprawie doświadczenia użytkownika, co uświadomiło nam, że mamy naprawdę przekonujący produkt.

Więc w 2016 roku wypuściliście na rynek swój pierwszy produkt, Moku:Lab. Jak to było?

Wypuściliśmy Moku:Lab jako nasz minimalny opłacalny produkt i mieliśmy na nim trzy instrumenty: oscyloskop; analizator widma; i generator przebiegów. Dziś pierwsi klienci mogą teraz korzystać z 12 instrumentów, po prostu aktualizując aplikację na iPadzie. Takie podejście staje się powszechne w całym sektorze technologicznym – produkty, które z biegiem czasu stają się coraz lepsze. Różni się to od konwencjonalnego sprzętu testowego, którego po zakupie nie można łatwo zmodernizować.

Jak po raz pierwszy przyjęto Moku:Lab? 

Kiedy zakładaliśmy firmę, mój zespół i ja cieszyliśmy się całkiem dobrą reputacją w zakresie opracowywania oprzyrządowania. Zamiast więc zostać odrzuceni, ludzie pomyśleli: „Za Liquid Instruments stoi kilku poważnych ludzi i jeśli uważają, że to dobry pomysł, prawdopodobnie warto się temu przyjrzeć jeszcze raz”. Nasza początkowa reputacja była szczególnie silna na rynku uniwersyteckim, ponieważ byłem profesorem fizyki na ANU, który jest uniwersytetem najwyżej ocenianym. 

Odkryliśmy, że fizycy i inżynierowie eksperymentalni to grupa ludzi myślących naprzód i chcących wypróbowywać nowe technologie. Są to zazwyczaj ludzie, którzy jako pierwsi wśród swoich znajomych wdrażają nowe technologie osobiste – lub prawdopodobnie jako dzieci byli odpowiedzialni za programowanie timera w rodzinnym magnetowidzie. Na początku mieliśmy dużą liczbę zwolenników, którzy natychmiast dostrzegli potencjalne korzyści płynące z naszego podejścia i zdali sobie sprawę, że nasza pierwsza próba nie będzie idealna.

Wchodząc na nowe rynki, odkryliśmy, że różne sektory mają różny apetyt na ryzyko podczas wdrażania nowych technologii. Ponadto, kiedy ludzie spotykają się z nowymi technologiami, wiąże się to z bardzo interesującą psychologią. Odkryliśmy to, kiedy wypuściliśmy pierwsze nowe instrumenty dla Moku:Lab – które obejmowały miernik fazowy i wzmacniacz blokujący. Sprzedawaliśmy wówczas to urządzenie za 5000 dolarów i słyszeliśmy dwie bardzo różne rzeczy. Pierwsza brzmiała: „No cóż, nie używam wszystkich tych instrumentów, więc chciałbym otrzymać zniżkę”. Druga grupa ludzi powiedziała nam: „O mój Boże, to jest po prostu niesamowita wartość. Jeśli naprawdę oferujesz te wszystkie instrumenty w tej cenie, nie mogą one być zbyt dobre. Oni wszyscy muszą być śmieciami. 

W rezultacie stworzyliśmy tańszą wersję Moku:Lab, która miała mniej instrumentów, i stworzyliśmy droższą wersję, która teraz zawiera 12 instrumentów. Z komercyjnego punktu widzenia okazała się to jedna z najlepszych decyzji, jakie podjęliśmy. 

Jedna z tych wersji jest przeznaczona do użytku w laboratoriach licencjackich. Jak powstał ten rynek? 

Zauważyliśmy, że wiele osób korzystało z oryginalnego Moku:Lab w laboratoriach licencjackich, ale tak naprawdę nigdy nie było ono zaprojektowane do tego zastosowania – było zdecydowanie za drogie i zbyt wydajne. Uniwersytety odkryły jednak, że studenci naprawdę lubili z niego korzystać. Korzystanie z nich okazało się wciągające, przekonujące i niestraszne, ponieważ odzwierciedlało sposób, w jaki użytkownicy wchodzili w interakcję z osobistymi urządzeniami technologicznymi. Kolejną zaletą było to, że Moku:Lab uprościło pomiary w laboratorium i dlatego pozwoliło uczniom skupić się na koncepcjach, których mieli się uczyć.

Oryginalna wersja była jednak zbyt droga, więc w zeszłym roku wypuściliśmy Moku:Go. Kosztuje około 600 dolarów i zastępuje cały blat licencjacki w typowym laboratorium elektrotechniki lub fizyki. To był prawdziwy hit i sprzedaliśmy już więcej Moku:Go niż Moku:Labs w historii firmy. Wierzymy, że ma to potencjał demokratyzacji edukacji naukowej na całym świecie i poprawy doświadczeń studentów. Rzeczywiście, uczniowie pisali do nas, mówiąc, że nie podobała im się praca w laboratorium ani nie rozumiała jej, dopóki nie zaczęli używać Moku:Go – co jest bardzo satysfakcjonujące. 

Wydałeś także zaawansowaną wersję Moku:Lab

Od 2016 roku zdobyliśmy dużo doświadczenia, jesteśmy znacznie większą firmą i mamy w zespole znacznie więcej kompetencji inżynierskich. To pozwoliło nam wypuścić na rynek nasz nowy flagowy produkt, Moku:Pro. Jest to produkt, który chcieliśmy stworzyć na początku, ale dotarcie do niego zajęło nam trochę czasu. Może konkurować z wysokiej klasy instrumentami, w tym oscyloskopami, i naprawdę pokazał ludziom, jaka przyszłość czeka testy i pomiary.

Wykorzystaliśmy fakt, że z czasem układy FPGA stają się coraz większe. Moku:Lab został zaprojektowany do działania jako jeden instrument na raz – a w najlepszym wypadku będzie w stanie w przyszłości uruchomić kilka instrumentów jednocześnie. Układ FPGA w Moku:Pro jest 10 razy większy od układu w Moku:Lab, co oznacza, że ​​możemy go podzielić na kilka sekcji. Zamiast uruchamiać tylko jeden instrument, może obsługiwać wiele instrumentów jednocześnie. 

Co więcej, instrumenty te mogą komunikować się ze sobą za pomocą sygnałów o dużej przepustowości, bezstratnych i małych opóźnieniach, które nigdy nie opuszczają chipa. Moku:Pro jest w rzeczywistości alternatywą dla dużych systemów PXI i VXI, które są obecnie wszechobecne w wysokiej klasy laboratoriach oraz zakładach inżynieryjnych i produkcyjnych na całym świecie.

Kolejną nowością dla nas jest to, że użytkownicy Moku:Pro mogą programować FPGA za pomocą własnych instrumentów, korzystając z prostych narzędzi, które zapewniamy. Wszystko, czego potrzebujesz, to przeglądarka internetowa – nie trzeba instalować żadnego oprogramowania – i możesz zbudować od podstaw własny instrument, a następnie uruchomić go w laboratorium w ciągu kilku minut. To naprawdę otworzyło ludziom oczy na możliwość wykorzystania Moku:Pro do zbudowania dokładnie takiego rozwiązania pomiarowego, jakiego potrzebują.