สวัสดีครับ วันนี้มีเพื่อนผมคนนึงตามให้มาดูเรื่องใน blognone มีเนื้อหาหลักๆ คือ Google จัดประกวด Little Box Challenge ซึ่งเป็นโครงการประกวดการออกแบบ power inverter เพื่อใช้ร่วมกับอุปกรณ์ solar cell โดยมีเงินรางวัล 1ล้านดอลลาร์สหรัฐ ผมคิดว่าอาจจะมีผู้สนใจอยู่บ้าง เลยต้องการเขียนเจาะรายละเอียดในมุมมองของผม เพื่อช่วย get started ให้กับมือใหม่ (ซึ่งอาจจะมีความคิดใหม่ๆ ที่น่าสนใจ) และดึงความคิดเห็นจากมือเก๋า (ที่มีประสบการณ์) แล้วมาดูกันครับว่าเราจะได้ข้อสรุปอะไรหรือเปล่า
โดยความเห็นส่วนตัว ผมเชื่อว่าวิธีการที่เป็นที่นิยมมากวิธีหนึ่งในการสร้าง inverter คือ Unipolar SPWM ครับ เราไปดูภาพกันชัดๆ ดีกว่า
ตอนนี้เราย้อนกลับไปที่ภาพ(d) อีกครั้งนะครับ
ภาพนี้มันมาได้ยังไง อธิบายแบบบ้านๆ หน่อยก็คล้ายกับอย่างนี้ครับ คุณมีแบตเตอรี่กระแสตรงอยู่ก้อนหนึ่ง กับ switches 2 ตัว switch ตัวแรก ทำหน้าที่กำหนด voltage (ประมาณว่าเปิดปิดแบตเตอรี่) อีก switch ทำหน้าที่กลับขั้วครับ คุณก็มาเปิดๆ ปิดๆ switches ทั้งสองตัวให้เวลามองจากปลายทาง (load) แล้วเห็นเป็นเหมือนภาพ(d) ครับ switches พวกนี้ใช้ในการอธิบายเฉยๆ เวลาออกแบบของจริงเราจะใช้วงจรที่เรียกว่า H bridge โดยทีเปลี่ยน switches ทางกล เป็นสารกึ่งตัวนำจำพวก transistor เช่น IGBT เป็นต้นครับ
เหมือนขนาดไหน?
ผมคิดว่าปัญหาพวกนี้ มีคนช่วยกันคิดหัวแทบแตกกันเป็นหมื่นๆ คน แต่มีอยู่ไอเดียนึงที่ยอดเยี่ยมมากๆ เขาตั้งชื่อวิธีการนี้เพื่อเป็นเกียรติแก่ผู้คิดค้นว่า Fourier transform และก่อนที่เราจะตอบปัญหาข้างบนได้ เราคงต้องไปรู้จักเจ้า transform นี้กันสักเล็กน้อย
แต่ถ้าคุณแค่ต้องการจะใช้งาน Fourier transform ล่ะก็ เรื่องนั้นไม่ได้ยากอย่างที่คิด เพราะคอมพิวเตอร์สามารถคิด Fourier transform ให้คุณได้ Fourier transform ชนิดที่ computer คิดได้เรียกว่า discrete Fourier transform (DFT) และ DFT ชนิดหนึ่งที่เป็นที่นิยมใช้และอยู่ในโทรศัพท์มือถือของคุณด้วย เรียกว่า fast Fourier transform (ทำงานเร็วกว่า DFT ทั่วไป แต่มีข้อจำกัดด้าน input เพื่อใช้งาน FFT คนถึงกับต้องยอม pad input เพื่อแลกกับ big O log ฐาน 2) และไม่ว่าจะ DFT หรือ FFT คุณแค่ต้องเข้าใจข้อจำกัดต่างๆ และลักษณะทั่วๆ ไปของมันก่อนใช้งานเท่านั้นเอง
ผมปูเรื่อง Fourier transform มาซะเยอะ เราย้อนกลับไปที่ปัญหาเดิมของเรานะครับ ในเมื่อเราต้องการให้ sinusoidal wave ผ่านเข้าหม้อแปลง แต่เราดันทำรูปเหลี่ยมๆ ขึ้นมาแทน และเราหวังว่าไอ้รูปเหลี่ยมๆ ของเราจะมีความเหมือน sinusoidal wave เราก็ต้องพิสูจน์ให้ได้ว่ามันหน้าตาคล้ายกันมากจริงๆ
วิธีพิสูจน์เป็นงี้ครับ คุณ oversampling สัญญาณมาอย่าให้เกิด alias (alias คืออะไร? สั้นๆ เคยได้ยินคำว่า anti alias รึเปล่าครับ อันนี้คือ alias เดียวกับอันนั้นแหละ เป็นความถี่ที่ไม่มีอยู่แต่เราคิดว่ามันมีอยู่) เช่น sample ที่ 4x(Nyquist rate) ก็ไม่ถือว่าเว่อร์จนเกินไป sample เสร็จ คุณเอามาตัดดึงจุดที่คุณจะพิสูจน์ว่ามันหน้าตาเหมือน sinusoidal wave มา 1 คาบ แล้ว resample ให้พอดีกับ หน้าต่าง FFT คุณก็ทำ FFT กับผล resampling ได้เลย โดยไม่ต้องครอบ window function ครับ
ทีนี้คุณคำนวณพลังงานของ แท่งความถี่ที่คุณต้องการให้ผ่านหม้อแปลง เทียบกับ integral (ภาษาไทยเรียกปริพันธ์มั้ง แต่ในทางปฏิบัติที่ใช้กับ DFT ผมเรียกมันง่ายๆ ว่าบวกกัน) ของพลังงานแท่งอื่นๆ
ผลลัพธ์ DFT ของคุณ ถ้าเป็นเหมือนที่ตั้งใจ จะมีลักษณะคล้ายๆ อย่างนี้ล่ะมั้งครับ
ป.ล.1 ไอ้ก้อนความถี่ carrier จะไม่ผ่านหม้อแปลงไปครับ ส่วนหนึ่งเพราะตัวหม้อแปลง (ขดลวด) มีลักษณะเป็น low-pass filter ครับ
ป.ล.1 efficient ของพลังงานในวงจร switching ปัจจุบันนี้ ทำได้ 90% up ครับ
ยังมีเรื่องราวที่ต้องคำนึงถึงอยู่เยอะแยะเช่นพวก dead time ของ switch หรือสมบัติของตัว switch (transistor) เอง การสร้าง controller เพื่อควบคุม output voltage เป็นต้น แต่พื้นๆ ของ inverter ในปัจจุบันก็ประมาณนี้ล่ะมั้งครับ
เป็นไปได้ว่า Google ไม่ได้หวังผลอะไรจากผู้ชนะเลยแต่หวังผลทางอ้อมอะไรบางอย่าง (ผู้ชนะก็คงเจ๋งอยู่ แต่ตัวผลงานอาจจะไม่ว้าวเท่าที่ควร) ผมเห็นว่า inverter design ของปัจจุบัน ก็ efficient มากๆ จนไม่รู้จะพัฒนาต่อยังไงดีแล้ว (ไม่มีชิ้นส่วนที่ขยับทางกล มีเสียงเบามาก และความร้อนสูญเสียต่ำ) ถ้าทำขนาดเล็กก็อาจจ่ายกำลังได้น้อยหน่อยแต่ก็ไม่ใช่ว่าจะทำไม่ได้ inverter ในปัจจุบันก็ผ่านการ optimize ลดต้นทุนเพิ่มประสิทธิภาพ โดยบริษัทระดับโลกมาหลายบริษัทอยู่แล้ว
หรืออีกทฤษฎีนึงคือ Google กำลังมองหาจิ๊กซอว์ที่หายไป ผมค่อนข้างให้ความสำคัญกับข้อสันนิษฐานนี้ เลยมาเขียนวิเคราะห์เรื่องเชิงลึก ใน blognone ผมเชื่อว่า เป็นไปได้ว่า Google คิดว่า ("ว่า" เยอะจัง)
ไอเดียอะไรบางอย่างจากใครสักคน + ความสามารถของสุดยอดวิศวกรที่ตัวเองจ้างไว้ = นวัตกรรมใหม่ที่ต้องการ
ดังนั้น project ที่ชนะ อาจไม่ใช่ของที่เจ๋งในตัวมันเอง แต่เป็น project ที่ทำให้ Google เห็นอะไรบางอย่าง
ทฤษฎีที่สาม Google ก็ไม่แน่ใจว่าตัวเองต้องการอะไร แต่ปล่อยเงินล้านดอลลาร์ออกมาเผื่อว่าจะได้พบกับอะไรบางอย่าง และถ้าได้พบจริงๆ Google จะลงทุนเพิ่มในจุดดังกล่าว
แต่สิ่งหนึ่งที่ผมไม่คิดว่า Google จะทำ คือเอา inverter ไปใช้กับเครื่อง server ของตัวเองโดยตรงครับ เพราะตัว server ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงตั้งแต่แรกอยู่แล้ว ถ้าจะ optimize ด้านพลังงาน (ต้นทุน) จริงๆ Google สามารถตัด power supply ออกจาก computer และเดินไฟกระแสตรงเข้าไปใช้กับ server ได้โดยเฉพาะ ถ้าทำอย่างนั้นระบบ redundant ด้านไฟฟ้าก็ทำได้ง่ายกว่าไฟกระแสสลับด้วย แถม switching regulator กระแสตรงน่าจะ efficient กว่าหม้อแปลง (อันนี้ผมไม่แน่ใจนัก เพราะไม่เคยเห็นเลข %efficient ของวงจร flyback ทั่วๆ ไปสักเท่าไหร่)
ผมคิดว่าเหตุผลที่ทำให้วิธีดังกล่าวไม่น่าใช้เท่าที่ควรคือมัน bleeding edge เกินไป ไม่ค่อยเสถียรอาจจะมีปัญหาที่มองไม่เห็นและยังไม่เคยเจอซ่อนอยู่ (ประหยัดไม่คุ้มความเสี่ยง+จริงๆ แล้ว green energy ถือว่าแพง) หรือถ้าคุณคิดถึงเหตุผลอื่นได้ ก็ comment แนะนำได้ครับ เจ้า inverter แบบใหม่ ก็คง bleeding edge ไม่แพ้กัน อย่างมากก็คงเอาไปจ่ายไฟใส่ grid ที่ redundant มากพอตั้งแต่แรกอยู่แล้วครับ (จริงๆ แล้วคนทำเรื่องเกี่ยวกับบัญชีในบริษัท น่าจะพอเข้าใจใช่มั้ยครับว่าต้นทุนค่าไฟฟ้าที่เราจ่ายกัน ไม่ใช่ต้นทุนค่าผลิตไฟฟ้าต่อหน่วยซะทีเดียว แต่เป็นค่าสร้างโรงงานไฟฟ้าต่างหาก การไฟฟ้าถึงมีหน่วยค่าไฟของแต่ละช่วงเวลาที่แตกต่างกันนั่นเอง ราคาหลักๆ แทนที่จะเป็นค่าพลังงาน กลับเป็นค่ากำลังงานสูงสุดที่ใช้)
และถ้ามีอันใดอันหนึ่งในสามทฤษฎีข้างบนที่เป็นสิ่งที่ Google คิดจริงๆ สิ่งที่เราสรุปได้ก็คือเรามีโอกาสครับ
นั่นนำไปสู่สิ่งสุดท้ายที่คุณควรรู้
คุณต้องทำเรื่องราวที่ไม่มีคนเคยทำ คิดในสิ่งที่ไม่มีคนเคยคิด มองในจุดที่คนอื่นไม่สนใจจะมอง ว่าง่ายๆ ถ้าคุณทำแบบนั้นบ่อยๆ ในชีวิตจริง จะมีคนที่แทบไม่รู้จักคุณเลยอย่างน้อย 1 คน บอกว่าคุณบ้า (หรืออาจจะเพราะว่าคุณอยู่ประเทศไทยก็เป็นได้) แต่รู้อะไรหรือเปล่าผมก็บ้าเหมือนกัน บ้าไม่แพ้คุณนั่นแหละ ผมพุ่งชนปัญหาวิศวกรรมด้วยศิลปะ ไม่ใช่ว่าวาดรูปเก่งหรืองอะไรอย่างนั้นนะครับ แต่พยายามแก้ปัญหาวิศวกรรมโดยใช้ art มากกว่า science (อันนี้เป็น term ที่อาจารย์ผมเคยใช้กับผมนะครับ ผมก็เพิ่งสังเกตว่ามันเป็นอย่างนั้นหลังจากอาจารย์ผมทักนั่นเอง) ถ้าคุณได้อ่านข่าวเก่าๆ ของผม ก็คงจะได้เห็นคนมาว่าผมเพี้ยนบ้าง คงต้องบอกว่าในชีวิต offline ก็ไม่ต่างกันเท่าไหร่ครับ
ตัวผมเองคงไม่ลง challenge นี้ด้วยตัวเองเพราะคิดว่าทำคนเดียวไม่ไหว และยังมีข้อจำกัดที่ไม่ได้เขียนไว้ตรงนี้ แต่ถ้าคุณเป็นบริษัทที่กำลังจัดทีมไปลงงานนี้อยู่ (ซึ่งเชื่อว่าเป็นการโฆษณาที่ดีทีเดียว) แล้วคุณมีทุนวิจัย และบุคลากรบ้าๆ มากพอสมควรแล้ว ขอให้ผมเข้าทีมไปเล่นบ้าด้วยคนนะครับ รับรองว่าต้องมีอย่างน้อย 1 ปัญหาที่ผมสามารถเสนอ solution ที่คุณไม่เคยได้ยินมาก่อนครับ ติดต่อmeet.again.somedayแอทaimดอทคอมครับ
สำหรับบุคคลทั่วไป ผ่านไปผ่านมา ตอนนี้ยังไม่สนใจ ผมแนะนำให้ลองสร้างอะไรไปแข่งดูเล่นๆ ดูนะครับ ตัว challenge นี้ คิดว่าไม่มีใครที่ไปร่วมด้วยหวังผลล้านดอลลาร์ตั้งแต่แรกอยู่แล้วนะครับ (สำหรับผม ผมลองทำอะไรใหม่ๆ หรือคิดเรื่องใหม่ๆ เป็นชีวิตประจำวัน (นึกถึงการ์ตูน Pinky and the Brain)) งานนี้คุณลองไปเล่นดูมั่งจะเป็นอะไรไป
สวัสดีครับ