Các điều bạn không biết về các máy tính sử dụng trong các chương trình nghiên cứu vũ trụ

1. Chương trình Apollo 1961-1972

- Chương trình Apollo – là một loạt chương trình của Hoa kỳ nghiên cứu vũ trụ, được chuẩn bị từ năm 1961 và thực hiện trong các năm 1966-1972. Mục đích của nó là đưa người lên mặt trăng và quay lại Quả đất an toàn. Nhiệm vụ này được thực hiện vào năm 1969, trên tàu Apollo11. Chương trình tiếp tục hết 1972 để nghiên cứu kỹ về các kết quả thu được và từ 381,7kg các chất lấy về từ mặt trăng. Chi phí toàn bộ là 25,4 tỷ USD.

- Các kỹ sư của chương trình đã thu nhỏ kích thước máy tính thời đó cỡ to bằng một chiếc xe tải thành to bằng một chiếc bàn làm việc để có thể chở trên tàu. Để an toàn, người ta lắp hai máy tính như nhau trên mô đun điều khiển trên tàu và mô đun hạ lên mặt trăng.

- Máy tính lắp trên Apollo 11 lúc đó đã là một thành tựu lớn của kỹ thuật: nó chỉ nặng có 32kg và được thiết kế năm 1966 ở Matssachusetts Institute of Technology (MIT). Nó dùng bộ nhớ từ trên lõi ferrit, các số liệu được giữ trên hàng ngàn lõi từ nối bằng dây dẫn mảnh với nhau, dung lượng bộ nhớ cố định là 74kB, bộ nhớ có thể xóa được RAM có dung lượng chỉ 4kB. Người ta nhờ các nhân viên giỏi nhất của một nhà máy sợi để cuốn bằng tay các cuộn dây và để ghi công lao của họ, người ta đặt tên không chính thức của hệ thống dây là Little Old Lady (Các bà già bé nhỏ). Có thể nói không ngoa rằng máy tính chở người lên mặt trăng khi đó về sức chỉ tương đương với bộ đặt chương trình trong máy giặt hay một calculator loại tồi bây giờ.

- Máy tính của mô đun hạ lên mặt trăng có đồng hồ tần số 40kHz, nghĩ là nó chạy chậm hơn các máy tính xách tay (laptop) trung bình hiện nay hơn một trăm nghìn lần! Các kỹ sư Udi Malber và Peter Norwig đã viết trên blog: „Chỉ một lần bây giờ bạn tìm kiếm gì đó dùng Google, thì công suất phải dùng lúc tìm kiếm đã bằng lượng tính toán của cả chương trình Apolo thám hiểm mặt trăng đã làm cả trên mặt đất và trên vũ trụ hồi ấy!”

- Máy tính của mô đun hạ lên mặt trăng còn nổi tiếng vì nó báo lỗi ở thời điểm quyết định trước khi hạ lên mặt trăng, do phải xử lý quá nhiều thông tin đồng thời. Xuýt nữa thì người ta đã hủy việc hạ cánh. Lúc này, người lập trình 26 tuổi, anh Steve Bales đã quyết định không tin vào tín hiệu báo lỗi từ máy và chủ yếu nhờ anh mà con tàu có cuộc hạ cánh an toàn.

- Cũng nhờ các kỹ sư của chương trình Apollo mà ngày nay chúng ta có các điện thoại thông minh (smartphone) như bây giờ. Nếu 40 năm trước không có cuộc đua với thời gian của họ và một số tiền đầu tư lớn như vậy, thì công nghệ hiện nay sẽ bị thụt lùi hàng chục năm!

2. Chương trình Orion hiện nay

Chương trình thiết kế tàu vũ trụ loại mới do NASA đang thực hiện nhằm đưa nhân loại đi xa hơn. Riêng tàu Orion trị giá 8 tỷ USD sẽ kế tiếp chương trình Apollo với mơ ước đưa người lên sao Hỏa. Ngày 5-12-2014 vừa qua nó được phóng bằng tên lửa Delta IV Heavy từ mũi Cape Canaveral và đã thực hiện an toàn chuyến bay theo hai vòng quanh quả đất trong hơn bốn giờ bay để thử nghiệm các loại trang thiết bị, sau đó hạ cánh trên Thái Bình Dương.

Vậy máy tính trên con tàu này là loại gì?

Đó là bộ vi xử lý Power PC750FX, do IBM chế tạo năm 2012. Có thể nói nó dùng bộ vi xử lý (procesor) có công suất tương đương với chiếc iBook của hãng Apple chế tạo cách đây…13 năm! Cũng cần nói thêm là máy tính do hãng Honeywell lắp cho Boeing 787 Dreamliner cũng dùng bộ vi xử lý này.

Orion (ảnh NASA)

- Tại sao các kỹ sư NASA lại dùng loại máy tính đơn giản cho một trọng trách đến thế?

Câu trả lời là khi chúng ta đưa người lên vũ trụ thì độ tin cậy quan trọng hơn nhiều so với việc dùng máy tính mới hay công suất lớn, ông Matt Lemke, người phó chỉ huy chịu trách nhiệm về trang thiết bị điện tử của chương trình Orion đã nói như vậy. Tàu vũ trụ không cần các máy tính có hình ảnh đẹp, không cần máy thông minh nhiều mà nó chỉ cần dùng để thực hiện chắc chắn các thao tác đơn giản như bật, tắt một động cơ hay quay phải, quay trái..

- Bộ vi xử lý Power PC750FX chịu sự rung lắc tốt, nhưng các bộ vi xử lý làm việc trong vũ trụ còn cần có một tính chất khác nữa, ấy là nó phải chịu đựng sự đâm xuyên của các bức xạ vũ trụ.

Ta hãy tưởng tượng một đám mưa các hạt năng lượng cao gồm các nguyên tử, hạt nhân nguyên tử hay điện tử chuyển động với vận tốc gần với vận tốc ánh sáng. Đám mưa này xuyên qua mọi thứ trên đường đi của nó và tạo ra các lỗ thủng. Ngay lúc này đây trên mặt đất, các máy tính cũng như cơ thể mỗi người chúng ta trong mỗi giây chịu ít nhất một hạt như vậy sau khi đi qua lớp khí quyển bảo vệ và tường nhà đâm xuyên qua. Con người có khả năng kích hoạt các cơ quan bảo vệ để lấp lỗ thủng có kích thước bằng một nguyên tử ấy, còn máy móc thì sao? Do trên mặt đất lượng phóng xạ đủ nhỏ, nên ngay cả khi một nguyên tử như vậy đâm xuyên qua một bộ phận quan trọng của máy tính, thì các nguyên tử bên cạnh sẽ góp một phần để „sửa lỗi” được.

Nhưng ở trên cao, ví dụ trên các máy bay bay ở tầm cao 10km, lượng phóng xạ lớn hơn, nên các máy tính của máy bay cần có thêm một lớp vỏ dày để bảo vệ. Ở trên cao nữa trong vũ trụ, mỗi giây máy tính bị hàng chục nghìn vụ đâm xuyên như vậy trong một giây. Giả sử một điện tử nào đó xuyên trúng một điểm của bộ nhớ, đang ở tình trạng số ‘1” làm nó chuyển sang số „0”, và như vậy con tàu đáng lẽ phải rẽ phải lại rẽ sang trái mất.

- Cách giải quyết thứ nhất là làm transitor to hơn để các bức xạ vũ trụ không ảnh hưởng nhiều lên chúng đã được dùng trong chương trình Apollo. Ở chương trình Orion người ta làm các máy tính dự phòng. Con tàu Orion có ba máy tính, hai máy chính và một máy dự trữ. Khi máy đo trên tàu báo có luồng bão phóng xạ sắp tới, máy chính sẽ được tắt và khởi động lại sau 20 giây. Vấn đề quan trọng là ở chỗ nếu 20 giây này là những giây quyết định để điều khiển tàu thì sao? Các nhà thiết kế NASA tính được là cứ trung bình 3,7 chuyến bay thì có một lần xảy ra hiện tượng một máy tính hỏng. Nếu thêm máy tính thứ hai thì khả năng hỏng đồng thời hai máy tính sẽ là 1/8500 lần, còn khả năng hỏng đồng thời cả ba máy tính sẽ là 1/1,8 triệu lần. Kỷ lục về số máy tính là trên các tàu con thoi nay đã ngừng hoạy động. Người ta đã dùng đến 5 máy tính, 4 máy chính và một máy dự phòng. Đó là máy tính cũ dùng trên máy bay F-15 của hãng IBM, loại 32 bit và cải tiến lại.

- Mỗi máy tính trên Orion có hai bộ vi xử lý giống nhau, nếu các bộ vi xử lý cho các kết quả khác nhau thì máy tính sẽ tự tắt và khởi động lại. Ông Lemker nói là từ kinh nghiệm thu được trong mười năm qua cho thấy, các bão điện từ chỉ làm các bộ vi xử lý trên „khó chịu”, chứ chưa bị gây hư hỏng hoàn toàn bao giờ cả.

Nguyễn Hữu Viêm, theo Wiki và Gazeta Wyborcza​