Rekonfigurabilni računalniški čipi ustvarijo merilno rešitev vse v enem za laboratorij

Velik del vaše raziskovalne kariere je bil osredotočen na uporabo optike za merjenje majhnih variacij gravitacije, vključno z gravitacijskimi valovi. Lahko opišete svoje akademsko delo?

Moje primarno raziskovalno zanimanje je optično meroslovje in delal sem na LIGO in LISA detektorji gravitacijskih valov. Sem zelo ciljno usmerjena oseba in veliki merilni izzivi zaznavanja gravitacijskih valov so me zelo pritegnili, ko sem leta 1996 kot podiplomski študent začel delati na tem področju. Zdelo se je kot nemogoče težaven problem:  kako narediti najbolj občutljivo merilno napravo na svetu? Delal sem s stotinami drugih raziskovalcev, zaradi česar mislim, da smo se vsi počutili nekoliko manj nori. Bilo je zelo razveseljivo, ko je leta 2015 LIGO zaznal gravitacijske valove.

V zgodnji karieri so me začeli zelo zanimati vidiki reševanja problemov merjenja. Toliko časa in truda smo porabili za izdelavo tehnologije LIGO in začel sem razmišljati, kako bi jo lahko delili s preostalim svetom za reševanje drugih merilnih izzivov. To je tisto, kar me je gnalo, da sem pogledal globlje v razumevanje merilne tehnologije na zelo temeljni, znanstveni ravni.

Liquid Instruments ste ustanovili leta 2014, ker ste bili razočarani nad pomanjkanjem inovacij v testni in merilni industriji. Kakšne so bile težave s takratno ponudbo opreme?

To je ena tistih industrij, ki se ni spremenila v mnogih, mnogih desetletjih. Ljudem, ki so uporabljali osciloskop v sedemdesetih ali celo šestdesetih letih prejšnjega stoletja, so se sodobni instrumenti poznali. Testna oprema ni sledila naši interakciji s tehnologijo – uporaba je ni bila zabavna. Toliko drugih industrij je izboljšalo in prilagodilo svoje izdelke v luči sodobnih digitalnih tehnologij, da sem spoznal, da bi izboljšali način interakcije ljudi s svojo opremo, izboljšali njihova življenja v laboratoriju.

Približno v tistem času se je moje raziskovanje gravitacijskih valov odmikalo od zemeljskih detektorjev, kot je LIGO, k vesoljskim detektorjem, kot je Lisa pathfinder. To je pomenilo, da smo morali spremeniti način izvajanja meritev. LIGO ima približno 100,000 merilnih kanalov in potrebuje armado podiplomskih študentov in podoktorjev, da ne deluje. Tega v vesolju ne morete narediti, zato je bil izziv ustvariti nov tip merilnega sistema, ki bi ga lahko izstrelili z raketo in desetletje upravljali na daljavo. Spoznali smo, da se moramo premakniti s fizičnega, ožičenega pristopa k testiranju in merjenju k računalniško temelječemu sistemu, ki uporablja inteligentno programsko opremo.

Ste takrat začeli uporabljati računalniške čipe FPGA (field-programmable gate array)?

ja Težava pri poskusu testiranja in meritev z običajnim računalnikom je, da nima fizičnih povezav z resničnim svetom, ki so potrebne za natančne meritve. Toda obstajala je nova vrsta računalniških čipov, o katerih sem slišal, ko sem bil v Caltechu v poznih devetdesetih letih prejšnjega stoletja - FPGA. FPGA je računalnik, ki ga je mogoče v delčku sekunde popolnoma na novo konfigurirati in povezati. FPGA se je zdela uporabna platforma za združitev sveta računalnikov s svetom strojne opreme in izdelavo nečesa, kar je večje od vsote njegovih delov.

Ugotovili smo, da bi lahko uporabili FPGA za zamenjavo velikega števila običajnih instrumentov, vključno z osciloskopi, spektralnimi analizatorji, generatorji signalov in zaklenjenimi ojačevalniki. Obstaja na desetine ali morda celo več kot 100 različnih vrst naprav, ki jih je mogoče ustvariti s pomočjo FPGA. 

Moku-Pro lahko poganja več instrumentov hkrati, kar so sposobni komunicirati med seboj 

Kakšne so prednosti pristopa FPGA?

Začeli smo uporabljati FPGA za izdelavo faznega merilnika za detektor gravitacijskih valov LISA. Arhitekture, ki temelji na FPGA, nismo izbrali zaradi njene prilagodljivosti. Takrat smo ga izbrali, ker smo le tako lahko dosegli zmogljivost, ki jo je zahtevala LISA.

Vendar smo hitro ugotovili, da bi lahko FPGA preoblikovali tako, da bi deloval kot osciloskop ali morda kot spektralni analizator. Bistveno je, da smo opazili, da ima ta pristop veliko prednosti. To je pomenilo, da se nam ni bilo treba boriti za opremo z drugimi raziskovalci v laboratoriju, kjer smo imeli samo en spektralni analizator. Pomenilo je tudi, da smo lahko izvajali poskuse na daljavo, ker nam ni bilo treba fizično priklapljati ali odklapljati kablov za zamenjavo instrumentov. 

Druga pomembna prednost našega pristopa FPGA je, da lahko uporabimo programsko opremo za prilagoditev instrumentov, da delajo točno to, kar želimo. Če smo na primer želeli zamenjati filter na našem vklopnem ojačevalniku, nam ni bilo treba odpreti škatle in ven vzeti spajkalnika. 

Z eno samo napravo bi lahko ustvarili ogromno različnih instrumentov. In ker je bila ta naprava neverjetno uporabna, smo se potrudili, da smo jo izdelali po visokem standardu. Svoje inštrumente smo začeli izposojati kolegom po vsem svetu in opazili smo, da jih ne bodo nikoli vrnili. Zavrnili bi jih vrniti. In pomislili smo: "Oh, to je zanimivo."

Ali ste takrat spoznali komercialni potencial pristopa FPGA? 

Da, naš programsko definiran pristop nam je dal prilagodljivost, razširljivost in nadgradljivost. Tehnologija se je hitro izboljševala in bilo mi je jasno, da bo v petih ali desetih letih prevladovala v testni in merilni industriji. Hkrati je bila računalniška industrija osredotočena na izboljšanje uporabniške izkušnje, zaradi česar smo spoznali, da imamo res prepričljiv izdelek.

Torej ste leta 2016 lansirali svoj prvi izdelek, Moku:Lab. Kako je bilo?

Izdali smo Moku:Lab kot naš minimalno izvedljiv izdelek in imeli tri instrumente: osciloskop; analizator spektra; in generator valov. Danes lahko te prve stranke poganjajo 12 instrumentov s preprosto posodobitvijo aplikacije na iPadu. Ta pristop postaja pogost v celotnem tehnološkem sektorju – izdelki, ki postajajo sčasoma boljši. To je za razliko od običajne preskusne opreme, ki je ni mogoče preprosto nadgraditi, ko jo kupite.

Kako je bil Moku:Lab prvič sprejet? 

Ko smo ustanovili podjetje, smo z mojo ekipo imeli precej dober sloves pri razvoju instrumentov. Tako so ljudje namesto, da bi bili zavrnjeni, mislili: "Za Liquid Instruments stoji nekaj zelo resnih ljudi, in če mislijo, da je to dobra ideja, potem je verjetno vredno ponovno pogledati." Naš prvotni sloves je bil še posebej močan na univerzitetnem trgu, ker sem bil profesor fizike na ANU, ki je visoko uvrščena univerza. 

Ugotovili smo, da so eksperimentalni fiziki in inženirji napredna skupina in so pripravljeni preizkusiti nove tehnologije. To so ponavadi ljudje, ki med svojimi prijatelji prvi sprejmejo nove osebne tehnologije – ali pa so bili kot otroci verjetno odgovorni za programiranje družinskega časovnika VCR. V prvih dneh smo imeli veliko število podpornikov, ki so takoj videli možne prednosti našega pristopa in ugotovili, da naš prvi poskus ne bo popoln.

Ko smo prodirali na nove trge, smo ugotovili, da imajo različni sektorji različne apetite po tveganju pri sprejemanju novih tehnologij. Ko se ljudje srečajo z novimi tehnologijami, je vpletena tudi zelo zanimiva psihologija. To smo odkrili, ko smo izdali prve nove instrumente za Moku:Lab – ki so vključevali fazometer in zaklenjeni ojačevalnik. Takrat smo napravo prodajali za 5000 $ in slišali smo dve zelo različni stvari. Prvi je bil: "No, ne uporabljam vseh teh instrumentov, zato bi rad popust." Druga skupina ljudi nam je rekla: »O moj bog, to je neverjetna vrednost. Če resnično ponujate vse te instrumente po tej ceni, ne morejo biti zelo dobri. Vsi morajo biti smeti.« 

Tako smo na koncu naredili cenejšo različico Moku:Lab, ki je imela manj instrumentov, naredili pa smo dražjo različico, ki je zdaj opremljena z 12 instrumenti. Komercialno se je to izkazalo za eno najboljših odločitev, ki smo jih sprejeli. 

Ena od teh različic je zasnovana za uporabo v dodiplomskih laboratorijih. Kako je nastal ta trg? 

Opazili smo, da je veliko ljudi uporabljalo originalni Moku:Lab v dodiplomskih laboratorijih, vendar nikoli ni bil zares zasnovan za to aplikacijo – bil je veliko predrag in veliko preveč zmogljiv. Toda univerze so ugotovile, da so ga študentje zelo radi uporabljali. Ugotovili so, da je privlačen, prepričljiv in nezastrašujoč za uporabo, ker je govoril o načinu njihove interakcije z osebnimi tehnološkimi napravami. Še en plus je bil, da je Moku:Lab poenostavil merjenje v laboratoriju in tako študentom omogočil, da se osredotočijo na koncepte, ki naj bi se jih učili.

Vendar je bila prvotna različica predraga, zato smo lani izdali Moku:Go. Stane okoli 600 dolarjev in nadomešča celotno delovno mizo za študente v tipičnem laboratoriju za elektrotehniko ali fiziko. To je bil pravi hit in prodali smo že več Moku:Go, kot smo prodali Moku:Labs v zgodovini podjetja. Verjamemo, da ima potencial za demokratizacijo znanstvenega izobraževanja po vsem svetu in izboljšanje izkušenj študentov. Dejansko so nam študenti pisali, da niso uživali v svojem laboratorijskem delu in ga niso razumeli, dokler niso začeli uporabljati Moku:Go – kar je zelo razveseljivo. 

Izdali ste tudi vrhunsko različico Moku:Lab

Od leta 2016 smo pridobili veliko izkušenj, smo veliko večje podjetje in imamo veliko več inženirske sposobnosti v ekipi. To nam je omogočilo lansiranje našega novega vodilnega izdelka Moku:Pro. To je izdelek, za katerega smo si želeli, da bi ga lahko izdelali na začetku, vendar smo potrebovali le nekaj časa, da smo prišli do tega. Lahko tekmuje z vrhunskimi instrumenti, vključno z osciloskopi, in je ljudem resnično pokazal, kaj prinaša prihodnost za testiranje in merjenje.

Izkoristili smo dejstvo, da FPGA sčasoma postajajo vse večji. Moku:Lab je bil zasnovan tako, da deluje kot en instrument naenkrat – in v najboljšem primeru bo morda lahko v prihodnosti hkrati izvajal nekaj instrumentov. FPGA v Moku:Pro je 10-krat večji od čipa v Moku:Lab, kar pomeni, da ga lahko razdelimo na več delov. Namesto da bi deloval samo en instrument, lahko poganja več instrumentov hkrati. 

Še več, ti instrumenti lahko komunicirajo med seboj z uporabo signalov z visoko pasovno širino, brez izgub in z nizko zakasnitvijo, ki nikoli ne zapustijo čipa. Moku:Pro je dejansko alternativa velikim sistemom PXI in VXI, ki so trenutno vseprisotni v vrhunskih laboratorijih ter inženirskih in proizvodnih obratih po vsem svetu.

Druga novost za nas je, da lahko uporabniki Moku:Pro programirajo FPGA s svojimi instrumenti z uporabo preprostih orodij, ki jih nudimo. Vse, kar potrebujete, je spletni brskalnik – programske opreme ni treba namestiti – in lahko sestavite svoj instrument iz nič, nato pa ga v nekaj minutah zaženete v laboratoriju. To je ljudem resnično odprlo oči glede možnosti, da lahko uporabijo Moku:Pro za izdelavo točno tiste merilne rešitve, ki jo potrebujejo.