Những "Bộ não Cổ xưa" của Không gian Sâu

Những cổ vật giữa các vì sao

Thực tế, đó là một buổi sáng lạnh lẽo tại Phòng Thí nghiệm Phản lực (JPL), và các kỹ sư đang dán mắt vào màn hình đo lường để theo dõi một con tàu vũ trụ xa xôi. Bạn có thể mặc định rằng cỗ máy đang duy trì sứ mệnh trị giá hàng tỷ đô la này chạy trên những con chip silicon nhanh nhất hiện nay. Nhưng thực tế lại thách thức mọi logic: NASA vẫn tin dùng các con chip Intel được thiết kế từ thập niên 1970 để vận hành những sứ mệnh không gian sâu quan trọng nhất của mình.

Chiếc lò vi sóng nhà bạn thậm chí còn có sức mạnh xử lý lớn hơn cả những con tàu thám hiểm mà chúng ta gửi đến Sao Mộc. Tại sao những kỹ sư thông minh nhất hành tinh lại đặt niềm tin vào công nghệ cổ xưa cho những thành tựu khoa học vĩ đại nhất của nhân loại? Câu trả lời nằm ở sự bạo liệt vô hình của vũ trụ.

Đại dương chết chóc của không gian

Không gian không chỉ là một khoảng không trống rỗng. Đó là một cơn bão bức xạ năng lượng cao cuồng nộ. Ngay khoảnh khắc tàu vũ trụ rời khỏi bong bóng từ trường bảo vệ của Trái Đất, nó sẽ bước vào một “bia bắn” vũ trụ.

Các tia vũ trụ thiên hà và các luồng bùng phát mặt trời bắn phá con tàu liên tục. Đây chính xác là lúc công nghệ hiện đại trở thành một điểm yếu chết người. Bộ vi xử lý trong điện thoại thông minh của bạn là một kỳ quan của sự thu nhỏ. Nó chứa hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor) siêu nhỏ được xếp khít nhau.

Những linh kiện hiện đại này nhỏ đến mức chúng hoạt động ở mức điện áp cực thấp. Nhưng khoan đã - nếu công nghệ mới mạnh mẽ như vậy, tại sao mọi tài liệu kỹ thuật đều thúc đẩy việc sử dụng các bộ vi xử lý nhanh hơn? Vấn đề nằm ở vật lý thuần túy.

Khi một hạt năng lượng cao từ một ngôi sao đang nổ ở xa va chạm với một con chip hiện đại, nó mang đủ điện tích để làm đảo ngược trạng thái của một bóng bán dẫn duy nhất. Số 0 ngay lập tức trở thành số 1. Sự kiện này được gọi là “lỗi do một sự kiện đơn lẻ” (single-event upset).

Trong một trò chơi điện tử, việc lật bit (bit flip) có thể gây ra một lỗi hình ảnh buồn cười. Nhưng trong không gian sâu, một cú lật bit có thể khiến tàu vũ trụ khai hỏa động cơ đẩy sai hướng. Nó có thể bốc cháy trong bầu khí quyển của một hành tinh lạ mãi mãi.

Vẻ đẹp của những khối Silicon “cồng kềnh”

Điều này đưa chúng ta trở lại với những con chip Intel cổ điển từ những năm 1970. Các bộ vi xử lý thời đó, như Intel 8085 huyền thoại, được xây dựng theo cách hoàn toàn khác. Các bóng bán dẫn bên trong chúng có kích thước khổng lồ so với các tiêu chuẩn siêu nhỏ hiện nay.

Vì chúng quá lớn, chúng đòi hỏi một lượng điện tích lớn hơn đáng kể để thay đổi trạng thái. Khi một tia vũ trụ xuyên qua một con chip Intel đời cũ, nó giống như một hạt bụi đập vào một bức tường gạch kiên cố. Những bóng bán dẫn “cồng kềnh” này đơn giản là phớt lờ những tác động vũ trụ đó.

Dữ liệu vẫn được giữ nguyên vẹn. Tàu vũ trụ tiếp tục hành trình đã định. Các cơ quan không gian đã sớm nhận ra rằng sự phức tạp cực độ thường là mầm mống của thất bại.

Chúng ta đã thấy những sơ suất nhỏ có thể gây ra thảm họa tức thì như thế nào. Hãy nhìn cách một lỗi tưởng chừng không đáng kể có thể phá hỏng mọi thứ, một bài học được khám phá trong The 75-Cent Flaw That Grounded the Gods. NASA ưu tiên sự tin cậy tuyệt đối hơn là tốc độ xử lý thô.

Nghệ thuật “thép hóa” trước bức xạ

Các kỹ sư lấy những kiến trúc vi xử lý cũ này và xây dựng lại chúng dành riêng cho các vì sao. Họ thay thế silicon tiêu chuẩn bằng các vật liệu cách điện đặc biệt như sapphire tổng hợp. Họ thêm các mạch dự phòng để con chip có thể liên tục tự kiểm tra các phép tính của chính mình.

Kết quả là một “bộ não” hoạt động ở tốc độ vài megahertz chậm chạp. Nó mất nhiều thời gian để xử lý một lệnh cơ bản hơn cả một cái chớp mắt của bạn. Tuy nhiên, nó sẽ dễ dàng sống sót qua một đợt bùng phát bức xạ có thể ngay lập tức làm “nướng chín” chiếc laptop mới đắt tiền của bạn.

Một tương lai kỳ lạ

Chúng ta vẫn sử dụng các màn hình và công nghệ mới hơn khi điều đó hợp lý. Các phi hành gia dựa vào các giao diện kỹ thuật số hiện đại bên trong những bức tường được bảo vệ nghiêm ngặt của khoang tàu. Bạn có thể thấy sự chuyển dịch thú vị này trong The Touchscreen That Saved Space.

Tuy nhiên, đối với các máy tính điều khiển bay cốt lõi tiếp xúc trực tiếp với môi trường chân không khắc nghiệt, các quy tắc thiết kế kiểu cũ vẫn giữ vị thế độc tôn. Chúng ta đang gửi các tàu thăm dò đến tận rìa của hệ mặt trời. Chúng ta đang lập kế hoạch cho các khu định cư vĩnh viễn trên Mặt trăng và Sao Hỏa.

Cần một sự khiêm nhường đặc biệt để các kỹ sư thừa nhận rằng những phát minh mới nhất của chúng ta không phải lúc nào cũng là công cụ tốt nhất cho công việc. Liệu chúng ta sẽ bao giờ chế tạo được một bộ vi xử lý hiện đại đủ cứng cỏi để sống sót trong vũ trụ, hay chúng ta định mệnh sẽ khám phá tương lai vô tận bằng chính những công nghệ của quá khứ?