James MacKinnon氏のNASAまでのキャリアパス

Judy Warner
|  投稿日 February 14, 2018  |  更新日 November 27, 2020

A boy and his rocket

 

Judy Warner: Jamesさん、ご自身の学歴と、どのようにしてPCBの設計を習得したかを教えてください。

 

James MacKinnon: フロリダ大学の3年と4年のとき、ごく単純なPCBの設計が必須の授業がありました。基本的に、このクラスの単位を取れないと卒業できません。それに電気工学のクラスだったので、PCBの製作が求められたのです。3年生の設計課題は単純な回路でした。ですが、4年生になると、かなり複雑な回路を作らされます。このような経緯で、私はPCBの設計とAltium Designerに出会ったわけです。

 

Judy Warner: 実質的に、大学である種の基板設計の基礎を教えてもらったということですか。なかなか珍しいケースですね。

 

James MacKinnon: ええ、そうなんです。「基礎」という言葉はいい表現ですね。3年生の授業では、非常に単純な回路のレイアウトが課されました。そのときの回路には、単純なマイクロプロセッサーの、たぶんI/Oラインが含まれていました。私が作成したのはモーターコントローラーだったので、PWMラインでした。授業では、プログラムの使い方、単純な2層基板の設定方法や基本的な配線方法を教えてもらいました。4年生のときの設計では、高速配線、複雑なアナログ設計、インピーダンス整合など、より複雑な要素を扱いました。授業では、基板設計のさまざまな側面について学ぶ講義の時間があり、そこから色々なことを教えてもらいました。とはいうものの、実際には、修士号を取って初めて、本格的な基板設計やAltium Designerの多岐にわたるツールについて習得できました。

Altium Designerは、学部の授業で使用されていたので、修士課程でも使用したのだと思います。私は、フロリダ大学で学士と修士の両方の課程を履修したので、学部で使用したさまざまな器材や習得内容を修士課程で活用することができました。電気工学科が必要なライセンスを取得していたので、誰でも使用できました。修士課程では、CHREC(Center for High-Performance Reconfigurable Computing)という研究所に所属していました。この研究所の役割の1つは、基本的には、CubeSatや小型衛星に搭載されるような、宇宙観測機器のデータを処理するシングルボードコンピューターの製作に関するものでした。

 

Judy Warner: それは取り組みがいのある応用分野ですね。

 

James MacKinnon: はい。私がいたチームは、Xilinxチップを搭載した基板を開発しました。高速配線、DDRメモリ、差動ペア、インピーダンス整合など、かなり複雑な設計でした。私は、その基板の最初の設計図を作成した人の下で作業することができました。その人から、Altium Designerについてたくさんのことを教わりました。このソフトウェアには高度な機能がたくさんあり、苦労するのではなく、どうやって別のやり方をするかを示してくれます。

 

Judy Warner: 全くそのとおりですね。

 

James MacKinnon: 彼は、博士課程の学生で、Altium Designerのほとんどの機能の使い方について教えてくれました。私は、修士課程に進むと、それらのスキルを応用できるようになりました。他の人の設計の変更から始まり、そのうち自身で設計するようになりました。私たちは、開発したシングルボードコンピューターの信頼性を向上させたいと考えました。より耐放射線強化するため、私は電源サブシステム全体を設計し直しました。宇宙用の電子機器を設計しようとすると、たくさんの問題に直面する可能性があります。特に、放射線の影響があります。部品への放射線の影響の仕方はさまざまです。耐放射線強化された部品を購入することは可能です。耐放射線強化された部品は放射線の影響を防ぐのに役立ちます。ですが、私たちが挑戦したのは、耐放射線強化された部品を使ったら非常に高額になるであろう基板を、独自の小型衛星を作ろうとしている大学の予算内で設計し、製造するということでした。

 

Judy Warner: 耐放射線強化された部品はとても高価ですよね。

 

James MacKinnon: ええ、途方もなく高価です。それに、高いだけでなく、それを採用した場合、耐放射線強化されたプロセッサーは性能が非常に落ちます。処理能力が低いので、多くの場合プロセッサー数を増やして対応します。そのため、大きな宇宙探査機全体のあちらこちらに組み込まれ、多くの電力を消費します。基本的に手のひらサイズのCubeSatを設計しようとしているとき、これは悪夢のような状況です。

ですから、私たちは、CubeSatで使用できる基板の設計をしたいと考えました。それも、Lockheed-Martinから購入したものと同等の信頼性を備えながらはるかに高性能で、宇宙空間ですばらしい働きをする、CubeSat用の基板です。私たちのケースでは、画像センサーから画像データを取り込み、基板上で処理していました。基板上で処理を行っていたので、より興味深いデータを地上に送ることができました。CubeSatでは、放射線という大きな制約があり、地上に多くのデータを送ることのみ可能です。そのため、基板上で処理ができると、実際に軌道でデータを生成したり、データ圧縮などの処理を行って、地上に送信すべきデータを減らすことができます。

ですから、この基板は、特に大学レベルでCubeSatに貢献できると考えました。この基板の最初のカットでは、メインプロセッサーとして、耐放射線強化されていない高性能のXilinxチップを使用し、チップの周囲を耐放射線強化部品で囲みました。私たちはこれを「ハイブリッド設計」と呼びました。この方法では、性能を確保するため一般向けの部品(COTS)を所定の場所に使用しつつ、絶対に必要な耐放射線強化部品にのみお金をかけました。2タイプの部品を単一基板にインテリジェントに組み込むことで、耐放射線強化基板と同等の信頼性を備えながら本当に高性能の処理基板を手に入れることができるのです。

ですから、基本的にはそれが研究所での私の主な作業でした。基板の最初のカットでは、一部の電源システムは耐放射線強化できるはずだったので、よりよい電源用部品を使用するように基板を根本的に設計し直すことができました。私たちは最終的に、重イオン衝突型加速器があるブルックヘブン国立研究所に基板を持ち込み、NASAの研究室で実際に放射線に基板をさらしてテストしました。

 

Judy Warner: それはすごいですね!

 

James MacKinnon: ええ、本当にすごかったです。私たちは、この基板を採用し、テストして、かなりいい結果を得ることができました。この基板を設計した後、私たちは基板をもっと小型化したいと考えました。そこで私は、大きい基板とほぼ同じ性能でより小さく消費電力の少ない、クレジットカードサイズの処理基板を設計し始めました。このとき、Altium Designerが非常に役に立ちました。私たちは、マイクロビアを使用していましたので、あらゆる部品の距離がより短く、部品の実装は大問題でした。ですから、設計しながら3Dモデルで基板を確認できて本当に助かりました。私たちは、高速のギガビットトランシーバーを使用していたので、内蔵のインピーダンス計算と差動ペアルーターは欠かせない機能でした。

 ほかにも、ブレークアウト基板、デバッグ用の基板などを設計したりしました。ですが、この2つのシングルボードコンピューターは、大学で取り組んだ大仕事でした。

 

Judy: 多くの経験をなさったようですね。そのときの基板はどうなったのですか?

 

James MacKinnon: その時の基板は現在、サンディエゴに拠点を置くSpace Microという会社を通じてライセンスが提供されています。私たちが設計した基板をSpace Microが販売したということです。Space Microは、初代の基板を提供しており、私が1年半前に作った小型版のライセンス提供の準備をしているところです。小型基板のほうはまだ放射線やその他のテストの最中です。

ですから、研究所についてもう少し説明したほうがいいと思います。この研究所はNSFが助成する研究センターで、産業パートナーは会員権を購入して研究所の一員になります。これらの会員権購入費用は、大学院生のための資金になります。会員権の購入と引き換えに得られるのは、研究所が行う研究内容です。その成果はいずれ自分の会社で使用できるようになります。例えば、Space Microも会員です。彼らは特定のプロジェクトに出資しています。毎年カンファレンスが開催され、私たちは、前年に何を行ったかをそこで発表します。そしてプロジェクトを提案します。その後、全ての産業会員が集まって教授陣と話し合い、自分の会社や機関の役に立ちそうな、参画したい共同プロジェクトを特定します。私は学生の立場でずいぶん長く参加し、今は産業会員の立場でかかわっているのは、ちょっと変な感じですね。

 

Judy Warner: そこでNASAとのつながりができたのですか?

 

James MacKinnon: はい、そうです。この基板が本当に宇宙に行く資格を得られるよう、私たちは、NASAと実に緊密に協力する必要がありました。私が今働いているのは、Science Data Processing Branch(科学データ処理部)というところで、ここはSpace Cubeを開発しています。Space Cubeは、今のところCubeSatに実装したいコンピューターよりおそらくひと回り大きいサイズです。小型で消費電力も少ないのですが、CubeSatには実装できません。そこで、研究所の会員であるNASAは、「高性能で信頼性が高いがNASAの担当部門が提供するより小型のコンピューターの要求がある」との意見を出しました。NASAは、この基板を開発するよう研究所に助言しました。基板の開発期間を通じて、私たちはNASAの技術者から非常に質の高い設計レビューを受けることができました。その過程で、研究所とNASAの間にとてもよい関係ができました。その結果、私はNASAで働いているわけです。

 

Judy Warner: それはすばらしいことです。うれしいお話ですね。非常に多くのベテラン設計者が、自分たちの引退後、後を継ぐ設計者がいないことを心配しています。このお話を聞いたら楽観的になれます。

 

MacKinnon: ええ、その問題は航空宇宙業界ではより顕著だと思います。比較的小さな業界ですから。カンファレンスに数回出席すれば、短期間で業界の全関係者に会えるようです。特にNASAは、この問題を認識しているので、学生のパイプラインを通じて後継者を確保できるようにしているのです。

 

Judy Warner: 修士課程で、実践的で複雑な設計を行うチャンスに恵まれ、とてもまれな、しかしすばらしい経験をなさったようですね。とはいうものの、誰もがそのようなチャンスに恵まれるわけではありません。そこでお聞きしたいのですが、次世代の技術者はどこで確保できると思いますか? 例えばNASAは、問題を理解してCHRECのような組織とパートナー関係になっているようですが。

 

James MacKinnon: もちろんそれも1つの方法だと思います。この研究所の場合、企業は研究所から優れた研究内容を得ています。ですが、基本的には全員、最終的にそれらの産業パートナーのところに就職することになります。私が一緒に作業した同僚のひとりはSpace Microに就職しました。ですから、企業は研究所を使って社員を集めているのです。とはいうものの、わずかな人数ですが同様の研究所に進むチャンスを得る人もいます。ここボルチモアで私が注目し、かかわりを持とうとしていることがあります。それはアマチュアの電子技術です。私の家から20~30分ほどのところに3つのハッカースペースがあります。そのうちのひとつに何回か行ってみました。彼らはいつも、ArduinoシールドやRaspberry Piのアダプター基板用の小さなデバッグPCBをレイアウトしています。基板を作って自分のドローンに載せた人もいます。電子機器設計者で構成された、実にクールな手作り活動を行う組織だと思います。早い時期に人々を巻き込むことは有効です。

高校時代にもっとかかわっていれば、その経験が役に立ったかもしれません。高校時代に電子機器を扱ったことは全くありません。ハッカースペース、あるいは高校をベースにしたハッカースペース、関心を刺激する遊べるハードウェアがある場所に人を集める方法があれば、効果的でしょう。いずれは、彼らも自分に足りないものがあるとわかるときがきます。そして、「自分でレイアウトをしたい、酸を使った化学エッチングを止めたい、自分のできることを確認したい」と主張し始め、それに基づいて、最終的にはもともと作っていたようなすごい小型基板を設計できるようになります。特に今は、基板をとても安く作ることができます。よい意味でそのようなアマチュアの技術が実際に活用されています。

 

Judy Warner: 私たちもそのことは知っています。実際、ここでの私の役割のひとつは、チームや大学、メーカーやハッカースペースをサポートすることです。彼らはそれぞれの場所で驚くべき成果を上げています。

 

James MacKinnon: よいやり方だと思います。私がAltium Designerを使っている主な理由は、私の大学にあったからです。初めてAltium Designerを学んで以来、より一層習熟するよう使用を続けています。難しいPCBを設計していれば、やがては、より複雑なAltium Designerの機能を使う必要が出てきます。今は大学にある無料ライセンスが使えないので、Altium Designerを習得できて本当によかったです。ホームプロジェクト用にKiCadを何度か使いましたが使い勝手はあまりよくありませんでした。(笑)

 

Judy Warner: Altium Designerのライセンスが自宅に確保してあるというのは何とも贅沢ですね。子ども時代を振り返って、技術好きになる素養が自分にあったと思いますか?

 

James MacKinnon: そうですね。幸い、父親が子どものそういう素質を生かすことに長けていました。 とても小さい頃に半田付けの方法を教えてくれましたし、いつもばらばらに分解できるものをくれましたので、回路をいじって遊んでましたね。小さい子供なのにLEDライトを作ったのはかなりの経験でした。 どの道に進むかを決心する際に、そういった経験が役に立ったと思います。 私は常に電子工学に興味がありましたが、大学進学にはだいぶ手間取りました。高校を卒業しても5年間大学には行きませんでした。自分の人生をどうしたいのかがわからなかったのです。技術系に進むんだろうなという思いはありましたが、実際には5年間SEARSで働いていました。

 

それはおもしろいですね。ですが、私の知り合いにも全く同じ経歴の人、つまりSERASで働いていたけれど最終的にはこの業界に身をおいた人がいますよ。

 

James MacKinnon: SEARSでしばらく働いて、その結果予感めいたことを感じました。「おい、自分の人生、何かをやらないといけないぞ!」私はいつも電子工学に熱中していましたし、Arduinoやその手のもので遊んでました。 それほどどっぷりとはまっていたわけではないでしょうが、何かを始めるにはそれで十分でした。だから、学校に戻ろうとやっと決意したときには、こう考えました。「とにもかくにも僕は常に電子工学が好きだった、だから電気工学に取り組んでみよう」と。そのときはロボット工学に興味があったので、初めはコミュニティカレッジに復帰しました。それからフロリダ大学に進みたいと常に考えていました。私はジャクソンビル出身なので、初めからフロリダ大学への進学を希望していました。

準学士を取得して、フロリダ大学に進学できることになり、その矢先にチャンスと数多くの幸運がやってきたのです。たまたま、私はCHRECの主席研究員に進むのにうってつけの教授に紹介されたのです。そういった全ての機会を手にできて本当に幸運だと思います。そして今NASAにいるのです。

 

Judy Warner: 本当にいいお話ですね。フロリダで育ったのでしたら、子どもの頃宇宙に興味を持ったことはありますか?

 

James MacKinnon: もちろんです。ジャクソンビルからシャトルの打ち上げが見えるんです。

 

Judy Warner: それはうらやましい限りですね!

 

James MacKinnon: 裏庭に引っ張り出されて「ほら、見てごらん」と言われたのを覚えています。シャトルのSRBは長い航跡を残すからよく見えるんですね。遠くにいても、はっきりとわかります。発射場所のケネディ基地からは3時間も離れていますが、ロケットの尾部から吐き出される大量のジャンクのおかげで見ることができるんです。

 

Judy Warner: 技術好きの少年にはなんてすばらしい経験でしょう。

 

James MacKinnon: そうですね。ですから、大きくなったらNASAで働きたいと思ったわけです。NASAで働くにどうすればいいのか全くわかりませんでしたが、そのチャンスがまさにひょっこりと転がり込んできました。そういうチャンスに恵まれたことに本当に感謝しています。

 

Judy Warner: ひとたびチャンスを手にしたら、一生懸命に働いてそのチャンスを最大限生かしたということですね。

 

James MacKinnon: そのとおりです。ある二つのことがうまく重なったと思います。それは、勤勉さと幸運です。

 

Judy Warner: 現在は中規模のCubeSatにかかわっていて、それ用の基板を設計しているとおっしゃいましたね。今担当されているのはそれだけですか?

 

James MacKinnon: いえ、他にも色々なことに携わっています。NASAでの公僕としての生活では、多くの異なるプロジェクトに時間を割く必要があります。私の働いている部門は、データ処理に特化しています。データ処理には多くの仕事が含まれます。例えば、最初の処理を実施させる処理基板の作成、つまり、FPGAやそういった性質のものにデータ処理パイプラインを構築するかどうか、といったことです。通常私が行っている基板作業は、他の基板のレビューパネルに参加しているか、自分でデバッグ用基板を作成しているか、デバッグを容易にするために航空機用ハードウェアにつながる基板を作成しているか、のいずれかです。自分のマシンにSSHを搭載したいと思っているとしましょう。そのためには、ある種のブレークアウト基板を構築する必要があります。それには、小さいデバッグ用PCB基板の作成も含まれます。そのPCB基板にはイーサネット-fiがあり、私たちがアクセスしたりルーターに接続したり通話したりできる航空機基準のコネクターと接続します。

航空用ハードウェアの設計の範囲では、まだそれをやっていません。それをやらせてもらえるほど食物連鎖の十分に高い位置にいるとは思いません。 今は、私が設計する基板は主として補助用の基板です。高速のものも含まれています。なぜなら、インターネット-fi とイーサネット-fiの経路設定は難しいですし、ギガバイト-fiはさらにやっかいだからです。高速デジタルの経験をそこでの仕事に生かすことができました。

 

Judy Warner: NASAにはどれくらい勤めていますか?

 

James MacKinnon: 約1年半です。

 

Judy Warner: それほど長くはありませんね。厳密さの程度の低い設計から開始しているのは、そのせいでしょうね。

 

James MacKinnon: そうですね、長くはありません。最近卒業したばかりですし。ですから、シングルボードコンピューター(私が変更し、設計したもの)は、自分にとってまだ新鮮です。私が設計した基板の2つは今や宇宙ステーションとともに飛行中です。来年は別の飛行が予定されています。部品を設計してしばらく待てば発射されます。

 

Judy Warner: お話を聴く限り、エキサイティングな経歴の道のりをたどっているようですね。憧れの技術者はいますか?

 

James MacKinnon: 父を挙げるべきでしょうね。彼は技術者でしたし、彼を超えたいといつも自分を鼓舞していましたから。(笑)そのおかげで可能な限りがんばることができます。 つまり、父は設計技術者で、数多くの技術を父から学びました。そして父がいなかったら、私は今この分野にいることはなく、SEARSで芝刈り機を売っていたと思います。(笑)

 

Judy Warner: お父様はどのような技術者ですか?

 

James MacKinnon: 電気技術者です。

 

Judy Warner: どのようなお仕事をなさっているのですか?

 

James MacKinnon: 父はいくつかの異なる場所で働いてきましたが、今は工業オートメーションの分野で働いています。海軍向けにパイプ設置やバルブなどの建設を自動化する機械を設計しています。操作すべきたくさんの巨大な機械があり、それらをできる限り自動化しようとしています。

 

Judy Warner: どうやら彼は指導者としても父親としても優れていらっしゃるようですね。

 

James MacKinnon: ええ、本当に。

 

Judy: お時間を割いて、NASAに勤務なさるまでの事情をお話しいただき、ありがとうございました。とても楽しいお話でした。

 

James: どういたしまして。ありがとうございました。

 

 

筆者について

筆者について

Judy Warnerは、25年以上にわたりエレクトロニクス業界で彼女ならではの多様な役割を担ってきました。Mil/Aeroアプリケーションを中心に、PCB製造、RF、およびマイクロ波PCBおよび受託製造に携わった経験を持っています。 また、『Microwave Journal』、『PCB007 Magazine』、『PCB Design007』、『PCD&F』、『IEEE Microwave Magazine』などの業界出版物のライター、ブロガー、ジャーナリストとしても活動しており、PCEA (プリント回路工学協会) の理事も務めています。2017年、コミュニティー エンゲージメント担当ディレクターとしてAltiumに入社。OnTrackポッドキャストの管理とOnTrackニュースレターの作成に加え、Altiumの年次ユーザー カンファレンス「AltiumLive」を立ち上げました。世界中のPCB設計技術者にリソース、サポート、支持者を届けるという目的を達成すべく熱心に取り組んでいます。

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