Omkonfigurerbara datorchips skapar en allt-i-ett-mätlösning för labbet

En stor del av din forskarkarriär har fokuserat på att använda optik för att mäta små variationer i gravitationen, inklusive gravitationsvågor. Kan du beskriva ditt akademiska arbete?

Mina huvudsakliga forskningsintressen är optisk metrologi och jag har arbetat med LIGO och LISA gravitationsvågsdetektorer. Jag är en mycket målinriktad person och jag var väldigt attraherad av de stora mätutmaningarna med gravitationsvågsdetektering när jag började arbeta inom fältet som doktorand 1996. Det verkade som ett omöjligt svårt problem:  hur gör man världens känsligaste mätinstrument? Jag arbetade med hundratals andra forskare, vilket jag tror fick oss alla att känna oss lite mindre galna. Det var mycket glädjande när gravitationsvågor upptäcktes av LIGO 2015.

Under min tidiga karriär blev jag mycket intresserad av problemlösningsaspekterna av mätning. Vi hade lagt ner så mycket tid och ansträngning på att bygga LIGO-teknik, och jag började fundera på hur vi kunde dela den med resten av världen för att lösa andra mätutmaningar. Det var det som fick mig att undersöka djupare förståelse av mätteknik på en mycket grundläggande, vetenskaplig nivå.

Du grundade Liquid Instruments 2014 för att du var frustrerad över bristen på innovation inom test- och mätbranschen. Vilka var problemen med kit som erbjöds vid den tiden?

Det är en av de branscher som inte har förändrats på många, många decennier. Människor som använde ett oscilloskop på 1970-talet eller till och med på 1960-talet skulle hitta moderna instrument bekanta. Testutrustningen hade inte hängt med i hur vi interagerar med tekniken – den var inte kul att använda. Så många andra industrier hade förbättrat och anpassat sina produkter i ljuset av modern digital teknik, det fick mig att inse att om vi förbättrade hur människor interagerar med deras utrustning skulle det förbättra deras liv i labbet.

Runt den tiden gick min gravitationsvågsforskning bort från markbaserade detektorer som LIGO till rymdbaserade detektorer som Lisa sökare. Detta innebar att vi var tvungna att ändra hur vi gjorde mätningar. LIGO har ungefär 100,000 XNUMX mätkanaler och kräver en armé av doktorander och postdoktorer för att hålla det surrande. Du kan inte göra det i rymden så utmaningen var att skapa en ny typ av mätsystem som du kunde skjuta upp på en raket och fjärrstyra i ett decennium. Vi insåg att vi var tvungna att gå från ett fysiskt, fast system för test och mätning till ett datorbaserat system som använde intelligent programvara.

Var det då du började använda FPGA-chips (field-programmable gate array)?

Ja. Problemet med att försöka göra test och mätning med en konventionell dator är att den inte har de fysiska kopplingarna till den verkliga världen som behövs för att göra korrekta mätningar. Men det fanns en ny typ av datorchip som jag hade hört talas om när jag var på Caltech i slutet av 1990-talet – FPGA. En FPGA är en dator som kan konfigureras om och kopplas om på en bråkdel av en sekund. FPGA verkade vara en användbar plattform för att slå samman datorvärlden med hårdvaruvärlden och göra något som är större än summan av dess delar.

Vi insåg att vi kunde använda FPGA för att ersätta ett stort antal konventionella instrument inklusive oscilloskop, spektrumanalysatorer, signalgeneratorer och inlåsta förstärkare. Det finns tiotals, eller kanske till och med mer än 100 olika typer av enheter som kan skapas med hjälp av FPGA. 

Moku-Pro kan köra många instrument samtidigt, vilket kan kommunicera med varandra 

Vilka är fördelarna med FPGA-metoden?

Vi hade börjat använda FPGA för att skapa en fasmätare för LISA gravitationsvågsdetektorn. Vi valde inte en FPGA-baserad arkitektur på grund av dess flexibilitet. Vi valde det då eftersom det var det enda sättet vi kunde få den prestation som krävdes av LISA.

Vi insåg dock snabbt att vi kunde konfigurera om FPGA:n för att fungera som ett oscilloskop, eller kanske som en spektrumanalysator. Det avgörande är att vi märkte att detta tillvägagångssätt hade många fördelar. Det innebar att vi inte behövde gå och slåss om utrustning med de andra forskarna i ett labb där vi bara hade en spektrumanalysator. Det innebar också att vi kunde köra experiment på distans eftersom vi inte behövde fysiskt koppla in eller koppla ur kablar för att byta instrument. 

En annan viktig fördel med vår FPGA-metod är att vi kunde använda mjukvara för att anpassa instrumenten för att göra precis vad vi ville. Om vi ​​till exempel ville byta filter på vår låsbara förstärkare, behövde vi inte spricka upp lådan och ta fram en lödkolv. 

Vi skulle kunna skapa en enorm mängd instrument med en enda enhet. Och eftersom den enheten var otroligt användbar gjorde vi ansträngningen att konstruera den till en hög standard. Vi började låna ut våra instrument till våra kollegor runt om i världen, och vi märkte att de aldrig skulle ge tillbaka dem. De skulle vägra lämna tillbaka dem. Och vi tänkte, "Åh, det är intressant."

Var det då du insåg den kommersiella potentialen i FPGA-metoden? 

Ja, vår mjukvarudefinierade metod gav oss flexibilitet, skalbarhet och uppgraderingsbarhet. Tekniken förbättrades snabbt och det stod klart för mig att den skulle dominera test- och mätbranschen om fem eller tio år. Samtidigt var datorbranschen fokuserad på att förbättra användarupplevelsen och detta fick oss att inse att vi hade en riktigt övertygande produkt.

Så du lanserade din första produkt, Moku:Lab 2016. Hur var det?

Vi släppte Moku:Lab som vår lägsta livskraftiga produkt och hade tre instrument på: ett oscilloskop; en spektrumanalysator; och en vågformsgenerator. Idag kan de första kunderna nu köra 12 instrument genom att helt enkelt uppdatera en app på en iPad. Detta tillvägagångssätt blir allt vanligare inom tekniksektorn – produkter som blir bättre med tiden. Detta till skillnad från konventionell testutrustning, som inte enkelt kan uppgraderas när du väl köpt den.

Hur mottogs Moku:Lab först? 

När vi startade företaget hade mitt team och jag ett ganska gott rykte för att utveckla instrumentering. Så istället för att bli avfärdad tänkte folk, "Det finns några ganska seriösa människor bakom Liquid Instruments, och om de tycker att det är en bra idé, så är det förmodligen värt att ta en andra titt". Vårt ursprungliga rykte var särskilt starkt på universitetsmarknaden eftersom jag var professor i fysik vid ANU, som är ett högst rankat universitet. 

Vi fann att experimentella fysiker och ingenjörer är ett framåtlutat gäng och är villiga att prova ny teknik. Dessa tenderar att vara de personer som är de första att ta till sig nya personliga tekniker bland sina vänner – eller som barn var de förmodligen ansvariga för att programmera familjens VCR-timer. Vi hade ett stort antal supportrar i början som omedelbart såg de potentiella fördelarna med vårt tillvägagångssätt och insåg att vårt första försök inte skulle bli perfekt.

När vi drev in på nya marknader upptäckte vi att olika sektorer har olika riskaptit när de tar till sig ny teknik. Det är också en del mycket intressant psykologi involverad när människor möter ny teknik. Vi upptäckte detta när vi släppte de första nya instrumenten för Moku:Lab – som inkluderade en fasmätare och en låst förstärkare. Vi sålde enheten vid den tiden för $5000 och vi hörde två väldigt olika saker. Den första var: "Ja, jag använder inte alla dessa instrument, så jag skulle vilja ha rabatt." En andra grupp människor sa till oss, "Herregud, det här är bara fantastiskt värde. Om du verkligen tillhandahåller alla dessa instrument till det priset kan de inte vara särskilt bra. De måste alla vara skräp.” 

Så det slutade med att vi gjorde en billigare version av Moku:Lab, som hade färre instrument, och vi gjorde en dyrare version, som nu kommer med 12 instrument. Kommersiellt visade detta sig vara ett av de bästa besluten vi tagit. 

En av dessa versioner är designad för användning i grundutbildningslabb. Hur uppstod den marknaden? 

Vi märkte att många människor använde den ursprungliga Moku:Lab i grundlabb, men den var aldrig riktigt designad för den applikationen – den var alldeles för dyr och alldeles för hög prestanda. Men universiteten upptäckte att studenterna verkligen tyckte om att använda den. De tyckte att det var engagerande, övertygande och ohyggligt att använda eftersom det talade om hur de interagerade med personliga tekniska enheter. Ett annat plus var att Moku:Lab förenklade mätningen i labbet och därför tillät eleverna att fokusera på de begrepp som de var tänkta att lära sig.

Originalversionen var dock för dyr så vi kom ut med Moku:Go förra året. Det kostar cirka 600 dollar och det ersätter en hel bänkskiva på grundutbildningen i ett typiskt elektroteknik- eller fysiklabb. Det har varit en riktig hit och vi har redan sålt fler Moku:Gos än vad vi har sålt Moku:Labs i företagets historia. Vi tror att det har potential att demokratisera vetenskaplig utbildning runt om i världen och förbättra studentupplevelsen. Studenter har faktiskt skrivit till oss och sagt att de inte tyckte om eller förstod sitt labbarbete förrän de började använda Moku:Go – vilket är mycket glädjande. 

Du har också släppt en avancerad version av Moku:Lab

Sedan 2016 har vi skaffat oss mycket erfarenhet, vi är ett mycket större företag och vi har mycket mer ingenjörsskicklighet i teamet. Det har gjort det möjligt för oss att lansera vår nya flaggskeppsprodukt, Moku:Pro. Det är produkten som vi önskar att vi kunde ha gjort i början, men det tog oss bara lite tid att komma dit. Det kan konkurrera med avancerade instrument inklusive oscilloskop och det har verkligen visat människor vad framtiden har att erbjuda för test och mätning.

Vi har utnyttjat det faktum att FPGA:er blir större och större med tiden. Moku:Lab designades för att köras som ett instrument åt gången – och i bästa fall kan det i framtiden kunna köra ett par instrument samtidigt. FPGA:n i Moku:Pro är 10 gånger så stor som chippet i Moku:Lab och det gör att vi kan dela upp det i flera sektioner. Istället för att bara ha ett instrument igång kan det köra många instrument samtidigt. 

Dessutom kan dessa instrument kommunicera med varandra med hög bandbredd, förlustfria och låg latenssignaler som aldrig lämnar chippet. Moku:Pro är effektivt ett alternativ till de stora PXI- och VXI-systemen som för närvarande finns överallt i avancerade labb och ingenjörs- och tillverkningsanläggningar runt om i världen.

En annan första för oss är att Moku:Pro-användare kan programmera FPGA med sina egna instrument med enkla verktyg som vi tillhandahåller. Allt du behöver är en webbläsare – det finns ingen programvara att installera – och du kan bygga ditt eget instrument från grunden och sedan köra det i labbet på några minuter. Det har verkligen öppnat upp människors ögon för möjligheten att de kan använda Moku:Pro för att bygga exakt den mätlösning de behöver.