Il Percorso della Carriera di James MacKinnon fino alla NASA

Judy Warner: James, per favore condividi un po’ del tuo background accademico e come hai imparato la progettazione dei PCB.

James MacKinnon:  Nel mio ultimo e penultimo anno all’Università della Florida, ho seguito dei corsi dove ci veniva richiesto di fare un progetto PCB abbastanza semplice. In pratica, se non riuscivi a  passare quelle classi, non ti laurei. Essendo stata una classe di Ingegneria Elettronica, volevano che riuscissi a creare un PCB. Erano semplici circuiti per progetti junior. In ogni caso, per progetti senior volevano che creassi qualcosa di abbastanza complesso. E’ stato proprio così che sono venuto a conoscenza del design PCB ed Altium Designer^® .

Judy Warner:  Sembra quindi che insegnino qualcosa come le  fondamenta della progettazione di circuiti alla tua università. Cosa abbastanza rara. 

James MacKinnon: Sì. Ritengo che “fondamenta” sia un buon termine per definirli. Nel penultimo anno, facemmo il layout di un circuito molto semplice. Aveva un microprocessore molto semplice e forse linee I/O. Nel mio caso, era un controller motore, quindi giusto alcune linee PWM. Ci insegnavano come utilizzare il programma e come impostare una semplice basetta a due strati e fare un instradamento base. Per il progetto senior ci siamo addentrati in qualcosa di più complesso come il routing ad alta velocità, progetti analogici complessi, corrispondenza di impedenza ed altri progetti simili. Hanno passato diverse lezioni spiegando i differenti aspetti della progettazione di basette ed ho imparato molto lì, ma è stato soltanto  quando ho preso il mio master che ho effettivamente imparato tantissimo sulla seria progettazione e il campo di applicazione più vasto degli strumenti all’interno di Altium.

Visto che Altium era insegnato a persone a livello di laurea, penso penso fosse stato uno dei motivi per cui veniva utilizzato nel mio master, perchè ho fatto sia la laurea che il master all’Università della Florida, quindi molti dei materiali e degli insegnamenti erano continuativi. Il Dipartimento di Ingegneria Elettronica aveva le licenze, che venivano utilizzate per tutti. Per il programma del mio master, ho lavorato ad un laboratorio chiamato CHREC, che è il Centro per l’Informatica Riconfigurabile ad Alte Prestazioni ed una parte del laboratorio era praticamente incaricata di creare un computer a singola basetta per fare processazione di unità dati basati sullo spazio - qualcosa che vedi su un CubeSat o un piccolo satellite.    

Judy Warner:  Oh, questa è un’applicazione eccitante su cui lavorare.

James MacKinnon:   Sì, in effetti sì. La squadra della quale facevo parte  sviluppava una basetta che aveva un chip Xilinx sopra. Un progetto abbastanza complesso con routing ad alta velocità, memoria DDR, coppie differenziali, corrispondenza di impedenza, tutte le cose divertenti insomma. Ero quindi capace di lavorare per una persona che faceva la prima bozza di quella basetta e che mi ha insegnato un sacco di retroscena del software. Poichè Altium ha così tante funzionalità avanzate, a volte aiuta avere qualcuno che ti può mostrare come fare varie cose, anziché imparando a spese proprie.

Judy Warner:  Sì, assolutamente.

James MacKinnon: Era uno studente Ph.D che mi ha insegnato ad utilizzare quasi tutto in Altium e grazie a lui sono stato capace di applicare queste abilità quando ho continuato col mio programma master. Andavo dal modificare i progetti di altre persone al creare i miei progetti personali. Volevamo creare il computer a scheda unica e progettarlo più affidabile, quindi ho finito col riprogettare l’intero sottosistema di alimentazione per renderlo più resistente alle radiazioni. Puoi incorrere in un sacco di problemi quando cerchi di progettare strumenti elettronici per lo spazio. In particolare, hai effetti di radiazione che possono influenzare gli strumenti in diversi modi. Puoi acquistare quest’ultimi resistenti alle radiazioni e questo aiuterà contro questi effetti, ma quello che cercavamo di raggiungere era progettare e costruire una basetta che avrebbe diversamente un budget super costoso e tenerla nel budget dell’università cercando di costruire il proprio piccolo satellite. 

Judy Warner: E le resistenze alle radiazioni sono molto costose...

James MacKinnon: Esattamente, ridicolosamente costose. Non solo sono costose, ma prendi ad esempio, diciamo, un processore che è resistente alle radiazioni, è davvero a bassa prestazione. Non puoi fare molta processazione, quindi tendi ad averne molti che si sparpaglieranno lungo tutta l’astronave e attingeranno molta energia. Tutto ciò è un incubo quando stai cercando di progettare un CubeSat - qualcosa che sta nel palmo della tua mano essenzialmente. 

Quindi volevamo progettare una basetta che la gente potesse utilizzare in un CubeSat che aveva l’affidabilità di qualcosa da cui compreresti, diciamo Lockheed-Martin,ma con maggiore prestazione così da poter fare belle cose nello spazio. Nel nostro caso, avevamo una situazione dove prendevamo dati immagine da un sensore immagine e li processavamo sulla basetta e poichè facevamo questo processo sulla basetta, eravamo capaci di inviare dati prodotti più interessanti giù sulla terra. Poiché con i CubeSat, la tua grande limitazione è la tua radio e puoi inviare soltanto una certa quantità di dati a terra, così puoi fare le tue processazioni sulla basetta, puoi ridurre la quantità di dati che hai bisogno di inviare , indipendentemente che tu stia effettivamente generando dati in orbita, o che stia facendo compressione dei dati.

Ecco perché, pensavamo che questa basetta fosse una grande aggiunta a ciò, specialmente ad un livello universitario. Quindi, al primo taglio della basetta abbiamo utilizzato un chip Xilinx ad alta prestazione come processore principale che non è resistente alle radiazioni e circondato da resistenze alle radiazioni. Lo chiamiamo un design-ibrido. In questo modo spendi soldi solamente sulle resistenze alle radiazioni di cui necessiti assolutamente mentre continui a soddisfare il consumatore (COTS) ottenendo così la prestazione. Combinandoli in maniera intelligente in una basetta singola, puoi ottenere una basetta che processa ad alta prestazione avendo allo stesso tempo l’affidabilità di una scheda resistente alle radiazioni.   

Quindi, quello era praticamente il mio compito principale mentre ero lì. Durante la prima versione della basetta, una parte del sistema di alimentazione non era resistente alle radiazioni come avrebbe dovuto essere, quindi ero capace di ridisegnare la basetta per utilizzare al meglio l’alimentazione. Ci siamo ritrovati a portare la basetta al Brookhaven National Labs dove avevano l’acceleratore relativistico di ioni pesanti ed ci fu data l’opportunità di utilizzare nel laboratorio della NASA per far saltare la nostra basetta con le radiazioni e testarla. 

Judy Warner: Oh, fantastico! 

James MacKinnon: Lo è stato realmente. Quindi abbiamo preso questa basetta, l’abbiamo testata e ha funzionato abbastanza bene.  Dopo aver disegnato quella basetta, volevamo progettare anche una più piccola, quindi ho progettato una scheda di processazione della taglia di una carta di credito che era molto simile alle capacità della basetta più grande, ma più piccola e a potenza più bassa ed ho iniziato. A questo punto Altium diventò di grande aiuto-stavamo assicurando micro via, avevamo un sacco di strati, ogni cosa era vicina, il posizionamento era un grosso affare, quindi poter vedere il modello 3D della basetta nel modo in cui la stavo progettando fu estremamente utile. Utilizzavamo un ricetrasmettitore gigabit ad alta velocità, quindi essere capaci di utilizzare i calcolatori integrati di impedenza e gli instradamenti di coppie differenziali era fondamentale. 

C’erano poche altre basette che ho progettato che erano tipo un’estrapolazione minore di basette, basette debug, quel tipo di basette. Ma quei due computer a basetta singola erano i progetti grandi su cui ho lavorato al college. 

Judy Warner: Sembra un’esperienza molto ricca. Cosa è successo a quella basetta?

James MacKinnon: Quella basetta ora è concessa in licenza ad una compagnia chiamata Space Micro, attualmente basata a San Diego. Quindi vendono la basetta che abbiamo progettato. Hanno la prima generazione di quella basetta. Credo che Space Micro sia ora nel processo di abilitare la versione più piccola, che ho costruito quasi un anno e mezzo fa. Sta ancora superando i test di radiazione ed altri test. 

Suppongo abbia senso che spieghi un po’ il laboratorio. Il funzionamento è di un centro di ricerca finanziato con fondi nazionali dove i partner del settore comprano membership per entrare nel laboratorio. Queste affiliazioni daranno fondi agli studenti e ciò che ottieni in cambio per i soldi della tua affiliazione è qualsiasi ricerca che fa il laboratorio; queste ricerche diventeranno poi qualcosa che puoi utilizzare nella tua azienda. Space Micro è un membro, per esempio e finanzia progetti particolari. Ogni anno quindi, c’è una conferenza e mostriamo su cosa abbiamo lavorato nell’anno precedente. Proponiamo progetti e tutti i membri del settore si riuniscono, parlano alla facoltà e capiscono su che tipo di progetti vogliono lavorare che potrebbero aiutare l’azienda o agenzia. Trovo divertente come ho  trascorso così tanto tempo dalla parte dello studente di tutto ciò ed ora sono membro dell’industria dall’altro lato. 

Judy Warner: Così quindi ti sei messo in contatto con la NASA?

James MacKinnon:  Esattamente, era dove stavo arrivando. Per far sì che queste cose fossero realmente qualificate per andare nello spazio, dovevamo lavorare a stretto contatto con la NASA. Il settore dove lavoro ora è chiamato Science Data Processing Branch e qui si sviluppa qualcosa chiamato lo Space Cube. Ora, uno Space Cube è probabilmente una taglia in più rispetto a quello che vorresti in un CubeSat. Quindi la NASA, essendo un membro del laboratorio disse, “Bene, c’è un buco nel mercato per qualcosa che ha alte prestazioni, altamente affidabile, ma più piccolo di ciò che quel settore della NASA fornisce.” Quindi furono capaci di orientare il laboratorio a sviluppare questa basetta. Durante il periodo in cui la basetta si stava sviluppando, siamo stati capaci di ottenere delle recensioni dei progetti di alta qualità dagli ingegneri della NASA e nel processo di fare ciò instaurammo un’ottima relazione tra laboratorio e NASA, che successivamente mi portò a lavorare lì. 

Judy Warner:  Oh, grandioso. Che bello sentire tutto ciò. Molti progettisti navigati sono preoccupati che non ci saranno sostituti per loro una volta che si saranno ritirati. La tua storia è incoraggiante. 

MacKinnon:  Certo, penso che il problema sia anche più amplificato nell’industria spaziale, perchè è relativamente piccola. Dopo aver partecipato a qualche conferenza, è facile iniziare a conoscere tutti nell’industria. NASA in particolare, credo cerchi di ottenere un accesso agli studenti per essere capaci di fare ciò. 

Judy Warner:  Quindi sembra che tu abbia avuto un’esperienza rara, ma meravigliosa, in particolare durante il tuo programma del master, dove hai dovuto fare pratica sul campo, su design complessi. Ma non tutti hanno questa opportunità, quindi suppongo che sto per chiederti da dove pensi arriverà la prossima generazione di progettisti? Sembra che la NASA, ad esempio, stia analizzando il problema e stia collaborando con organizzazioni come CHREC. 

James MacKinnon: Credo sia definitivamente una strada-ed ho notato nel caso del laboratorio che ci sono compagnie che fanno delle buone ricerche in laboratorio-ma praticamente tutti finiscono per prendere lavoro ad una di queste industrie partner. Uno di questi ragazzi con cui ho lavorato è finito alla Space Micro. Utilizzano tale strumento per assumere personale. In ogni caso, una percentuale davvero piccola di gente avrà l’opportunità di andare in un laboratorio come quello. Una cosa che ho notato ed in cui ho cercato di rimanere coinvolto qui in Baltimora è la crescita nell’elettronica amatoriale. In venti o trenta minuti da casa mia, ci sono tre Hackerspaces . Sono stato ad uno di questi qualche volta e sono sempre lì a correggere piccoli debug sui PCB per i nostri schermi Arduino o le basette adattatrici Raspberry Pi. Conosco un ragazzo che ha costruito basette per metterle nel suo drone. Quindi penso che ci sia davvero un nuovo movimento casalingo fresco che si sta costruendo con i progettisti elettronici. Coinvolgere la gente sin dall’inizio, può aiutare molto. 

Una cosa che avrebbe potuto aiutare è essere più coinvolto a livello della scuola superiore. Non ho mai lavorato con l’elettronica a scuola. Sarebbe utile se ci fosse qualche modo per portare le persone negli Hackerspaces o anche in un Hackerspace scolastico, o qualcosa dove c’è un hardware con cui la gente può sperimentare per suscitare il loro interesse. Eventualmente arriveranno ad un punto dove hanno bisogno di qualcosa che non hanno e diranno, “Fammi risolvere questa cosa da solo e metti via le sostanze acide di incisione e fammi vedere cosa posso fare”, e progettare da sé delle basette. In particolare ora che è così economico ottenere delle basette prodotte, si tratta solamente di guidare questi amatori nel modo giusto. 

Judy Warner:  Constatiamo anche noi ciò, James. Infatti, uno dei miei ruoli qui è aiutare le squadre di sponsor, università e anche i creatori e gli hackerspace che fanno un lavoro stupendo in questi luoghi. 

James MacKinnon:  Credo sia la giusta maniera. Intendo, la ragione principale per cui utilizzo Altium Designer è perchè era presente alla mia università. Visto che ho imparato all’inizio su Altium Designer, ho continuato a diventare più competente. Ci vuole un po’ prima che progetti PCB che sono così difficili da dover utilizzare le funzioni più complesse di Altium Designer. Sono davvero contento che ho imparato Altium Designer perchè ora che non posso utilizzare la licenza gratuita all’università, ho utilizzato Kicad un po’ di volte per progetti a casa e non è neanche lontanamente positivo. [ride]

Judy Warner:  È un lusso avere una licenza di Altium Designer a casa per alcuni! Quando eri ragazzino, se ti guardi indietro, noti che avevi delle predisposizioni tecniche? 

James MacKinnon:  Sì, fortunatamente avevo un padre che era davvero bravo a consentirlo. Mi ha insegnato come saldare in età molto giovane e mi dava sempre cose da tenere da parte e io giocherellavo con i circuiti. Anche solo facendo delle luci LED da giovane era divertente. Quindi penso che tutto ciò ha aiutato nella mia decisione sul dove andare. Ho sempre avuto un interesse per l’elettronica, ma più o meno ho avuto un percorso bizzarro al college in ogni caso. Subito dopo la scuola, non sono andato al college per cinque anni. Non sapevo cosa volevo fare nella mia vita. Più o meno sapevo che ero in un qualcosa di tecnico, ma ho lavorato alla Sears (catena di grande distribuzione) per cinque anni. 

Judy Warner:  Così divertente, conosco qualcuno che ha fatto la stessa identica cosa, ha lavorato alla Sears e poi è finito in questo settore. 

James MacKinnon:  Ho lavorato lì per un po’ e ho capito l’antifona ed ho pensato, “Hei, devo fare qualcosa nella mia vita!” Sono sempre stato nell’elettronica ed ho esplorato Arduino e quel tipo di cose. Nulla di serio, ma abbastanza per sporcarsi le mani. Quindi quando finalmente presi la decisione di tornare a scuola pensavo, “Sai cosa, mi è sempre piaciuta l’elettronica, proviamo ingegneria elettronica.” Mi ero affacciato alla robotica quindi tornai aI college statale inizialmente e sono sempre voluto andare all’Università della Florida. Sono originario di Jacksonville, quindi l’Università della Florida è sempre stato un posto dove volevo andare. 

Ho conseguito la mia laurea breve e mi sono potuto trasferire all’UF e qui è dove le opportunità e tanta fortuna sono arrivate insieme. Ho avuto una nomina dal giusto professore al manager del laboratorio del CHREC. Sono felice di aver avuto l’opportunità di fare tutto ciò e ora sono alla NASA.

Judy Warner:  Veramente una bella storia. Visto che sei cresciuto in Florida, sei stato ispirato dallo spazio quando eri piccolo? 

James MacKinnon: Assolutamente sì. Da Jacksonville, puoi vedere i lanci degli shuttle. 

Judy Warner:  Wow, Ti invidio!

James MacKinnon:  Mi ricordo correre fuori in giardino ed esclamare, "Oh, guarda là." E puoi vederlo, perché la giunzione del razzo (SRB) crea delle strisce enormi dietro di sè. Quindi anche se sei distante, puoi chiaramente vederlo. Dove fanno il lancio, al Kennedy, era a tre ore di distanza, ma potevi vederlo per la quantità di materia che veniva via dal retro di queste navicelle. 

Judy Warner:  Che grande esperienza da avere per un ragazzo con delle inclinazioni tecniche.

James MacKinnon:  Sì, ed ecco perchè sono cresciuto con la volontà di lavorare alla NASA. Non ho mai realmente conosciuto un percorso per arrivare alla NASA e mi è capitato per caso, quindi sono assolutamente grato per ciò. 

Judy Warner:  Sono sicura che una volta che ti sei ritrovato davanti l’opportunità, hai lavorato estremamente duro e fatto tesoro di quelle opportunità.

James MacKinnon:  Hai ragione. Suppongo siano entrambe le cose, giusto? Duro lavoro e fortuna. 

Judy Warner:  James, hai appena detto che stai lavorando ora su un CubeSat di medie dimensioni e che stai progettando le basette per esso. È questa la sola applicazione alla quale stai lavorando in questo momento? 

James MacKinnon:  No, lavoro su più progetti. La vita come funzionario alla NASA, è dividere il tuo tempo fra tanti progetti differenti. Il settore in cui lavoro si specializza in elaborazione dati. Ciò può includere un sacco di cose, come creazione di schede di elaborazione come prima cosa-sia che tu costruisca pipeline di elaborazione dati in FPGA sia qualsiasi altra cosa di quella natura. Normalmente la basetta di lavoro che creo è sia la base dei pannelli di recensione per altre basette o circuiti di debug-o anche basette che portano strumenti per il volo per facilitare il debugging. Diciamo che vuoi un SSH nella tua macchina, avrai bisogno di costruire una specie di evasione, che include creare una piccola scheda PCB di debug che ha un ethernet su di essa che aggancia i connettori di volo a cui abbiamo accesso e può agganciarsi ad un router e parlarci. 

Per quanto concerne la progettazione di hardware di volo, non l’ho ancora fatto. Non credo di essere abbastanza in alto nella ‘’catena alimentare’’ per far si che me lo facciano fare. Per ora, le basette che progetto sono principalmente basette di supporto. Potrebbero includere qualche alta velocità...perchè instradare una connessione wifi e ethernet può essere difficile, specialmente una wifi gigabit. Quindi sono stato capace di utilizzare la mia esperienza digitale di alta velocità per poter far ciò. 

Judy Warner: Da quanto tempo sei alla NASA? 

James MacKinnon: Circa un anno e mezzo adesso.

Judy Warner:  Non così tanto, ecco perchè stai iniziando con questi progetti meno rigidi, presumo. 

James MacKinnon:  No, non molto tempo, mi sono laureato da poco. Ecco perché il computer a scheda singola (quello che ho modificato e l’altro che ho progettato) è davvero fresco nella mia testa. Due delle basette che ho progettato stanno volando nella stazione spaziale proprio ora. Poi il prossimo anno c’è un altro volo pianificato. Si tende prima a progettare e quindi aspettare un po’ perchè venga effettivamente lanciata. 

Judy Warner:  Bene, sembra che tu sia in pista per una carriera eccitante! Hai qualche eroe tecnologico? 

James MacKinnon: Probabilmente direi mio padre. Essendo anche lui un ingegnere, ho sempre spinto me stesso nel cercare di essere meglio di lui. [ride] Ciò mi fa tentare di dare il mio meglio. Voglio dire, è un ingegnere di design ed ho preso tante competenze da lui, e se non fosse stato per lui non sarei in questo settore oggi e probabilmente starei ancora vendendo trattori da giardino alla Sears. [ride]

Judy Warner:  Che genere di ingegnere è? 

James MacKinnon: Un ingegnere elettronico.

Judy Warner:  E che tipo di lavoro fa? 

James MacKinnon:  Bene, ha lavorato in un po’ di posti, ma ora lavora in un posto che fa automazione industriale. Quindi progetta macchine per automatizzare la costruzione di accessori per condotti e valvole e cose del genere per la Marina, quindi c’è un sacco di macchinari giganteschi che gestisce e cerca di automatizzare quanto più possibile. 

Judy Warner: Sembra che sia stato un ottimo mentore e padre. 

James MacKinnon: Sì, assolutamente.

Judy Warner: James, grazie tante per il tempo per condividere il tuo percorso alla NASA. È stato un piacere ascoltare la tua storia. 

James MacKinnon: Prego e grazie a te.