Chips de computador reconfiguráveis ​​criam uma solução de medição tudo-em-um para o laboratório

Grande parte de sua carreira de pesquisa concentrou-se no uso da óptica para medir pequenas variações na gravidade, incluindo ondas gravitacionais. Você pode descrever seu trabalho acadêmico?

Meus principais interesses de pesquisa são em metrologia óptica e trabalhei no LIGO e LISA detectores de ondas gravitacionais. Sou uma pessoa muito voltada para objetivos e fiquei muito atraído pelos grandes desafios de medição da detecção de ondas gravitacionais quando comecei a trabalhar na área como estudante de pós-graduação em 1996. Parecia um problema impossivelmente difícil:  como você faz o dispositivo de medição mais sensível do mundo? Eu estava trabalhando com centenas de outros pesquisadores, o que acho que fez com que todos nós nos sentíssemos um pouco menos malucos. Foi muito gratificante quando as ondas gravitacionais foram detectadas pelo LIGO em 2015.

Durante o início de minha carreira, fiquei muito interessado nos aspectos de resolução de problemas de medição. Havíamos gasto muito tempo e esforço construindo a tecnologia LIGO e comecei a pensar em como poderíamos compartilhá-la com o resto do mundo para resolver outros desafios de medição. Foi isso que me levou a aprofundar a compreensão da tecnologia de medição em um nível científico fundamental.

Você fundou a Liquid Instruments em 2014 porque estava frustrado com a falta de inovação na indústria de testes e medições. Quais eram os problemas com o kit oferecido na época?

É uma daquelas indústrias que não muda há muitas e muitas décadas. As pessoas que usaram um osciloscópio na década de 1970 ou mesmo na década de 1960 achariam os instrumentos modernos familiares. O equipamento de teste não acompanhou a forma como interagimos com a tecnologia – não era divertido de usar. Tantas outras indústrias melhoraram e adaptaram os seus produtos à luz das modernas tecnologias digitais que me fizeram perceber que se melhorássemos a forma como as pessoas interagem com os seus equipamentos, melhoraríamos as suas vidas no laboratório.

Naquela época, minha pesquisa sobre ondas gravitacionais estava se afastando de detectores terrestres como o LIGO para detectores espaciais como Lisa pathfinder. Isso significou que tivemos que mudar a maneira como fazíamos medições. O LIGO tem cerca de 100,000 canais de medição e requer um exército de estudantes de pós-graduação e pós-doutorados para mantê-lo funcionando. Não é possível fazer isso no espaço, então o desafio era criar um novo tipo de sistema de medição que pudesse ser lançado em um foguete e operado remotamente por uma década. Percebemos que precisávamos passar de uma abordagem física e conectada para teste e medição para um sistema baseado em computador que usasse software inteligente.

Foi então que você começou a usar chips de computador FPGA (field-programmable gate array)?

Sim. O problema de tentar fazer testes e medições com um computador convencional é que ele não possui as conexões físicas com o mundo real necessárias para fazer medições precisas. Mas havia um novo tipo de chip de computador sobre o qual ouvi falar enquanto estava na Caltech no final da década de 1990 – o FPGA. Um FPGA é um computador que pode ser completamente reconfigurado e religado em uma fração de segundo. O FPGA parecia uma plataforma útil para fundir o mundo dos computadores com o mundo do hardware e criar algo que fosse maior do que a soma de suas partes.

Percebemos que poderíamos usar o FPGA para substituir uma grande variedade de instrumentação convencional, incluindo osciloscópios, analisadores de espectro, geradores de sinal e amplificadores lock-in. Existem dezenas, ou talvez mais de 100 tipos diferentes de dispositivos que podem ser criados usando FPGAs. 

Moku-Pro pode executar vários instrumentos ao mesmo tempo, o que são capazes de se comunicar uns com os outros 

Quais são os benefícios da abordagem FPGA?

Começamos a usar FPGAs para criar um medidor de fase para o detector de ondas gravitacionais LISA. Não escolhemos uma arquitetura baseada em FPGA devido à sua flexibilidade. Escolhemos na época porque era a única forma de obter o desempenho exigido pela LISA.

No entanto, rapidamente percebemos que poderíamos reconfigurar o FPGA para funcionar como um osciloscópio, ou talvez como um analisador de espectro. Crucialmente, notamos que esta abordagem tinha muitas vantagens. Isso significava que não precisávamos brigar por equipamentos com outros pesquisadores em um laboratório onde só tínhamos um analisador de espectro. Isso também significava que poderíamos realizar experimentos remotamente porque não precisávamos conectar ou desconectar fisicamente os cabos para trocar de instrumento. 

Outro benefício importante da nossa abordagem FPGA é que poderíamos usar software para personalizar os instrumentos para fazer exatamente o que queríamos. Se quiséssemos trocar o filtro do nosso amplificador lock-in, por exemplo, não precisávamos abrir a caixa e pegar um ferro de soldar. 

Poderíamos criar uma enorme variedade de instrumentos com um único dispositivo. E como esse dispositivo era incrivelmente útil, fizemos um esforço para projetá-lo com um alto padrão. Começamos a emprestar nossos instrumentos para colegas de todo o mundo e percebemos que eles nunca os devolveriam. Eles se recusariam a devolvê-los. E pensamos: “Oh, isso é interessante”.

Foi aí que você percebeu o potencial comercial da abordagem FPGA? 

Sim, nossa abordagem definida por software nos proporcionou flexibilidade, escalabilidade e capacidade de atualização. A tecnologia estava melhorando rapidamente e estava claro para mim que dominaria a indústria de testes e medições em cinco ou dez anos. Ao mesmo tempo, a indústria da computação estava focada em melhorar a experiência do usuário e isso nos fez perceber que tínhamos um produto realmente atraente.

Então você lançou seu primeiro produto, Moku:Lab, em 2016. Como foi?

Lançamos o Moku:Lab como nosso produto mínimo viável e tínhamos três instrumentos: um osciloscópio; um analisador de espectro; e um gerador de forma de onda. Hoje, esses primeiros clientes podem operar 12 instrumentos simplesmente atualizando um aplicativo em um iPad. Esta abordagem está a tornar-se comum em todo o setor tecnológico – produtos que melhoram com o tempo. Isto é diferente do equipamento de teste convencional, que não pode ser facilmente atualizado depois de adquirido.

Como o Moku:Lab foi recebido pela primeira vez? 

Quando iniciamos a empresa, minha equipe e eu tínhamos uma reputação muito boa no desenvolvimento de instrumentação. Então, em vez de serem descartadas, as pessoas pensaram: “Há algumas pessoas muito sérias por trás da Liquid Instruments, e se elas acham que é uma boa ideia, então provavelmente vale a pena dar uma segunda olhada”. Nossa reputação inicial era particularmente forte no mercado universitário porque eu era professor de física na ANU, que é uma universidade de alto nível. 

Descobrimos que físicos e engenheiros experimentais são um grupo com tendência para o futuro e estão dispostos a experimentar novas tecnologias. Estas tendem a ser as primeiras pessoas a adoptar novas tecnologias pessoais entre os seus amigos – ou quando crianças eram provavelmente responsáveis ​​pela programação do temporizador do videogravador da família. Tivemos um grande número de apoiantes nos primeiros dias que imediatamente viram os potenciais benefícios da nossa abordagem e perceberam que a nossa primeira tentativa não seria perfeita.

À medida que avançamos para novos mercados, descobrimos que diferentes sectores têm diferentes apetites pelo risco quando adoptam novas tecnologias. Além disso, há uma psicologia muito interessante envolvida quando as pessoas encontram novas tecnologias. Descobrimos isso quando lançamos os primeiros novos instrumentos para Moku:Lab – que incluíam um medidor de fase e um amplificador lock-in. Estávamos vendendo o dispositivo na época por US$ 5000 e ouvíamos duas coisas muito diferentes. A primeira foi: “Bem, eu não uso todos esses instrumentos, então gostaria de um desconto”. Um segundo grupo de pessoas nos disse: “Meu Deus, este é um valor incrível. Se você realmente fornece todos esses instrumentos por esse preço, eles não podem ser muito bons. Eles devem ser todos lixo. 

Então acabamos fazendo uma versão mais barata do Moku:Lab, que tinha menos instrumentos, e fizemos uma versão mais cara, que agora vem com 12 instrumentos. Comercialmente, esta acabou sendo uma das melhores decisões que tomamos. 

Uma dessas versões foi projetada para uso em laboratórios de graduação. Como surgiu esse mercado? 

Percebemos que muitas pessoas estavam usando o Moku:Lab original em laboratórios de graduação, mas ele nunca foi projetado para essa aplicação – era muito caro e tinha desempenho muito alto. Mas as universidades descobriram que os estudantes realmente gostaram de usá-lo. Eles acharam seu uso envolvente, atraente e pouco intimidante porque se referia à maneira como interagiam com dispositivos de tecnologia pessoal. Outra vantagem foi que o Moku:Lab simplificou a medição no laboratório e, portanto, permitiu que os alunos se concentrassem nos conceitos que deveriam aprender.

No entanto, a versão original era muito cara, então lançamos o Moku:Go no ano passado. Custa cerca de US$ 600 e substitui uma bancada inteira de graduação em um típico laboratório de engenharia elétrica ou física. Tem sido um verdadeiro sucesso e já vendemos mais Moku:Gos do que Moku:Labs na história da empresa. Acreditamos que tem potencial para democratizar a educação científica em todo o mundo e melhorar a experiência do aluno. Na verdade, os alunos nos escreveram dizendo que não gostaram nem compreenderam o trabalho de laboratório até começarem a usar o Moku:Go – o que é muito gratificante. 

Você também lançou uma versão topo de linha do Moku:Lab

Desde 2016, ganhamos muita experiência, somos uma empresa muito maior e temos muito mais capacidade de engenharia na equipe. Isso nos permitiu lançar nosso novo produto principal, Moku:Pro. É o produto que gostaríamos de ter feito no início, mas demoramos um pouco para chegar lá. Ele pode competir com instrumentos de última geração, incluindo osciloscópios, e realmente mostrou às pessoas o que o futuro reserva para testes e medições.

Aproveitamos o fato de que os FPGAs estão ficando cada vez maiores com o tempo. O Moku:Lab foi projetado para funcionar com um instrumento por vez – e, na melhor das hipóteses, poderá ser capaz de executar alguns instrumentos simultaneamente no futuro. O FPGA no Moku:Pro tem 10 vezes o tamanho do chip no Moku:Lab e isso significa que podemos dividi-lo em várias seções. Em vez de ter apenas um instrumento funcionando, ele pode operar vários instrumentos ao mesmo tempo. 

Além do mais, esses instrumentos podem se comunicar entre si usando sinais de alta largura de banda, sem perdas e de baixa latência que nunca saem do chip. Moku:Pro é efetivamente uma alternativa aos grandes sistemas PXI e VXI que são atualmente onipresentes em laboratórios de ponta e instalações de engenharia e fabricação em todo o mundo.

Outra novidade para nós é que os usuários do Moku:Pro podem programar o FPGA com seus próprios instrumentos usando ferramentas simples que fornecemos. Tudo que você precisa é de um navegador da web – não há software para instalar – e você pode construir seu próprio instrumento do zero e colocá-lo em execução no laboratório em questão de minutos. Isso realmente abriu os olhos das pessoas para a possibilidade de usar o Moku:Pro para construir exatamente a solução de medição de que precisam.