Bí mật thập niên 1970 đang “cứu sống” NASA

Những bộ não cổ xưa của không gian sâu

Có một điều mà hầu hết mọi người không nhận ra là những con tàu vũ trụ hàng tỷ đô la đang săn lùng sự sống ngoài hành tinh hiện nay lại chạy trên chính loại chip máy tính từng cung cấp năng lượng cho chiếc máy tính để bàn cồng kềnh của ông bà bạn vào năm 1979. Chiếc điện thoại thông minh bỏ túi của bạn thực sự nhanh hơn gấp hàng triệu lần so với chiếc máy tính điều khiển xe tự hành Mars Perseverance.

Bạn có thể cho rằng cơ quan vũ trụ hàng đầu thế giới sẽ muốn những con chip silicon nhanh nhất, tiên tiến nhất trên thị trường. Nhưng khoan đã — nếu điều đó là đúng, tại sao mọi tàu thăm dò không gian sâu đều được phóng đi với những bộ vi xử lý đáng lẽ nên nằm trong bảo tàng?

Thành thật mà nói, lần đầu tiên nhìn thấy sơ đồ thiết kế của tàu vũ trụ Orion, tôi đã nghĩ ai đó đã tải nhầm tệp. Nó dựa trên các bộ vi xử lý từ năm 2002, vốn bản thân chúng chỉ là phiên bản siêu bền của các loại chip từ cuối những năm 1990.

Những sứ mệnh hành trình xa hơn vào khoảng không vô định thậm chí còn sử dụng cấu trúc cũ hơn nữa. Sứ mệnh Galileo huyền thoại tới Sao Mộc chạy trên chip RCA 1802, một bộ vi xử lý được thiết kế từ năm 1974.

Kẻ ám sát vô hình

Vấn đề không nằm ở bản thân phần cứng. Vấn đề thực sự nằm ở môi trường khắc nghiệt nơi chúng ta gửi chúng tới.

Không gian là một trường bắn vô hình, hỗn loạn của các hạt năng lượng cao và tia vũ trụ. Dưới Trái Đất, từ trường của chúng ta đóng vai trò như một lá chắn bảo vệ khổng lồ. Nó dễ dàng làm chệch hướng những gì tồi tệ nhất từ cuộc oanh tạc không ngừng nghỉ này của vũ trụ.

But một khi bạn rời khỏi quỹ đạo tầm thấp của Trái Đất, lá chắn đó hoàn toàn biến mất. Bạn đột nhiên phải đối mặt với bức xạ thô bạo và dữ dội của hệ mặt trời.

Giống như cách mà một lỗi phần mềm duy nhất đã gây ra sự cố 45 phút làm sụp đổ cả một đế chế, một tia vũ trụ duy nhất có thể gây ra thảm họa tức thì cho một con tàu vũ trụ.

Khi một hạt năng lượng cao va chạm với một con chip máy tính, nó có thể gây ra hiện tượng mà các kỹ sư hàng không vũ trụ gọi là “lỗi đảo bit” (single-event upset). Theo đúng nghĩa đen, nó đảo ngược một số 0 kỹ thuật số thành số 1. Trong một bộ vi xử lý hiện đại cực kỳ phức tạp, sự thay đổi nhỏ nhoi đó có thể làm hỏng hệ thống dẫn đường hoặc làm ngừng hoạt động các hệ thống duy trì sự sống quan trọng chỉ trong vài giây.

Tại sao lớn hơn luôn tốt hơn

Các vi mạch hiện đại là những kỳ quan tuyệt đối của sự thu nhỏ. Chúng chứa hàng tỷ bóng bán dẫn siêu nhỏ trên một miếng silicon chỉ bằng móng tay.

Nhưng chính kích thước siêu nhỏ đó lại là thứ khiến chúng trở nên cực kỳ dễ bị tổn thương. Vì các bóng bán dẫn quá bé, một tia vũ trụ lạc lối chỉ cần một năng lượng gần như bằng không để đảo ngược trạng thái của chúng.

Các con chip cũ từ những năm 1970 và 1990 thực tế là những gã khổng lồ khi so sánh. Các bóng bán dẫn của chúng rất lớn, dày và đòi hỏi điện áp cao hơn đáng kể để hoạt động.

Một tia vũ trụ đi xuyên qua bộ vi xử lý những năm 1970 giống như một viên đạn súng hơi bắn vào một bức tường gạch kiên cố. Nó hầu như không để lại dấu vết gì. Công nghệ cũ kỹ, cồng kềnh hơn lại có khả năng miễn nhiễm về mặt vật lý với loại bức xạ vốn sẽ ngay lập tức làm cháy một chiếc máy tính xách tay đời mới.

Nỗi sợ hãi về sự thất bại kỹ thuật số thảm khốc này không hoàn toàn mới mẻ với chúng ta. Hãy nhớ về lời nói dối trị giá 300 tỷ đô la về sự cố Y2K? Chúng ta đã chi những khoản tiền khổng lồ để bảo vệ những đoạn mã mong manh khỏi một sự thay đổi ngày tháng đơn giản. NASA chi tiền của mình để bảo vệ phần cứng mỏng manh khỏi chính vũ trụ.

Sự đánh đổi cuối cùng

Vì vậy, NASA thực hiện một sự hy sinh đã được tính toán kỹ lưỡng. Họ sẵn sàng đổi tốc độ cực nhanh để lấy độ tin cậy tuyệt đối, không thể phá vỡ.

Những con chip cổ điển này phải trải qua một quy trình cường độ cao gọi là kiên cố hóa bức xạ (radiation hardening). Chúng được tôi luyện trong các cơ sở đặc biệt, được che chắn bằng các kim loại nặng và được thử nghiệm trong những điều kiện khắc nghiệt, khắc nghiệt nhất. Chúng có thể mất hai mươi phút để xử lý một hình ảnh mà điện thoại của bạn xử lý trong một phần nghìn giây, nhưng chúng sẽ không bao giờ bị hỏng khi một cơn bão mặt trời quét qua.

Sự hạn chế nghiêm ngặt về phần cứng này buộc các lập trình viên phải viết mã cực kỳ hiệu quả và không có sai sót. Đơn giản là không có chỗ cho phần mềm cẩu thả khi bạn chỉ có vài megabyte RAM để hạ cánh một con rô-bốt chạy bằng năng lượng hạt nhân xuống một hành tinh khác.

Lần tới khi bạn cảm thấy bực bội vì chiếc máy tính bảng cao cấp của mình mất thêm một giây để tải một trang web, hãy nghĩ về những tàu thăm dò Voyager ở xa xôi. Chúng đang ở cách xa hàng tỷ dặm, trong bóng tối lạnh giá, chạy trên công nghệ của những năm 1970 nhưng nhất quyết không chịu “nghỉ hưu”.

Nếu silicon cổ xưa là thứ duy nhất đứng giữa tàu vũ trụ của chúng ta và khoảng không vô tận, thì những công nghệ “lỗi thời” nào khác có thể nắm giữ chìa khóa cho tương lai của chúng ta giữa những vì sao?