Tại sao NASA vẫn tin dùng các bộ vi xử lý từ thập niên 1970?

Sự thật là, chiếc điện thoại thông minh trong túi bạn có sức mạnh xử lý gấp khoảng 100.000 lần so với những chiếc máy tính đang điều khiển các tàu vũ trụ tiên tiến nhất của chúng ta. Bạn có thể cho rằng các cơ quan hàng không vũ trụ sẽ sử dụng những bộ xử lý lượng tử tối tân, hiện đại nhất mà nhân loại có được.

Nhưng thực tế, xe tự hành Perseverance trên sao Hỏa hiện đang săn tìm sự sống ngoài hành tinh bằng bộ xử lý PowerPC 750 đã được tinh chỉnh. Đó chính xác là loại chip đã vận hành những chiếc iMac màu xanh trong suốt đời đầu của Apple từ năm 1998. Nó hoạt động với tốc độ cực kỳ chậm chạp: 200 megahertz.

Ngay cả tàu vũ trụ Orion hùng mạnh, được thiết kế để đưa con người trở lại Mặt Trăng và xa hơn nữa, cũng dựa vào các bộ xử lý được xây dựng trên kiến trúc từ những năm 1970.

Khoảng không vũ trụ đầy rẫy hiểm nguy

Nhưng khoan đã — nếu chúng ta có thể tiếp cận những con chip với hàng tỷ bóng bán dẫn ở đây trên Trái đất, tại sao lại gửi một chiếc xe tự hành trị giá 2,7 tỷ đô la vào hư không với bộ não từ thời đại internet quay số (dial-up)?

Câu trả lời nằm ở một kẻ sát nhân thầm lặng và vô hình. Không gian sâu thẳm tràn ngập các tia vũ trụ và các hạt năng lượng cao phát ra từ mặt trời.

Dưới này, từ trường của Trái đất bảo vệ các thiết bị điện tử mỏng manh của chúng ta. Nhưng ở trên kia, một hạt proton duy nhất di chuyển với tốc độ 299.000 km/giây có thể đâm xuyên thẳng qua một con chip silicon.

Khi điều đó xảy ra, tác động vật lý có thể làm đảo ngược một bit nhị phân từ 0 thành 1. Hiện tượng đáng sợ này được gọi là “lỗi đảo bit đơn lẻ” (single-event upset).

Nếu một bit ngẫu nhiên bị đảo trong máy tính xách tay của bạn, trình duyệt sẽ bị treo. Nhưng nếu một bit bị đảo trong quá trình đáp xuống một hành tinh, tàu vũ trụ sẽ biến thành một “hố bom” cực kỳ đắt đỏ. Chúng ta đã biết về những hậu quả thảm khốc của những lỗi kỹ thuật nhỏ; chỉ cần nhìn vào Sự cố suýt chút nữa đã đặt dấu chấm hết cho chúng ta.

Vẻ đẹp của những bóng bán dẫn cồng kềnh

Các chip máy tính hiện đại đạt được tốc độ chóng mặt bằng cách nén các bóng bán dẫn lại cực kỳ gần nhau. Ngày nay, những bóng bán dẫn đó được đo bằng nanomet. Chúng siêu nhỏ, mỏng manh và cực kỳ nhạy cảm với bất kỳ sự nhiễu loạn điện nào.

Tuy nhiên, các con chip cũ hơn lại có kích thước vật lý lớn hơn. Các bóng bán dẫn của chúng cồng kềnh và đòi hỏi nhiều năng lượng hơn đáng kể để chuyển từ trạng thái 0 sang 1.

Chính sự “cồng kềnh” về mặt vật lý đó lại là siêu năng lực của chúng. Một tia vũ trụ lạc lối đập vào bộ xử lý kiểu những năm 1970 đơn giản là không đủ lực để vô tình làm thay đổi các công tắc khổng lồ và ngốn điện của nó.

Công nghệ cũ thực tế miễn nhiễm với các bức xạ có thể ngay lập tức làm “nướng chín” một chiếc iPhone hiện đại. NASA không chọn công nghệ cũ để tiết kiệm tiền. Họ chọn nó vì nó đơn giản là không chịu khuất phục trước cái chết.

Tôi luyện trong lửa đỏ

Để đảm bảo những con chip di sản này tồn tại được, NASA đưa chúng qua một quá trình “gia cường” (hardening) nghiêm ngặt. Họ không chỉ lấy những bảng mạch cũ ra khỏi kho lưu trữ bụi bặm.

Các kỹ sư xây dựng lại các kiến trúc cổ điển này bằng các kỹ thuật sản xuất chuyên dụng. Họ thay thế silicon tiêu chuẩn bằng các phiến sapphire, loại vật liệu có khả năng chống bức xạ cực cao.

Họ “nướng” các bộ xử lý trong buồng chân không ở chính xác 125°C và đóng băng chúng xuống -55°C. Họ bắn phá chúng bằng các ion nặng để mô phỏng điều kiện khắc nghiệt của không gian sâu. Đôi khi, sự kiên nhẫn tột độ và thử nghiệm sâu rộng là những công cụ sinh tồn tối thượng bên ngoài thế giới này, một khái niệm được minh họa hoàn hảo trong Tại sao họ phải chờ 144 giờ để rời đi.

Sản phẩm cuối cùng có giá lên tới hơn 200.000 USD mỗi chip. Nó trông giống như một cổ vật cổ xưa, nhưng nó sở hữu tỷ lệ thất bại gần như bằng không.

Phần mềm hiện đại, phức tạp cũng kéo theo hàng triệu dòng mã. Càng nhiều mã đồng nghĩa với việc càng có nhiều nơi để các lỗi nghiêm trọng ẩn náu — một bài học xương máu được rút ra trong Phím bấm đã phá vỡ cả thế giới.

Con đường chậm rãi tới những vì sao

Bằng cách giữ cho phần cứng đơn giản và dựa vào kiến trúc hàng chục năm tuổi, các cơ quan vũ trụ đã giảm đáng kể khả năng xảy ra các vòng lặp phần mềm gây chết người. Các máy tính trên tàu chỉ làm chính xác những gì chúng cần làm, không hơn không kém.

Chúng giám sát hệ thống duy trì sự sống, tính toán quỹ đạo và kích hoạt động cơ đẩy. Chúng không chạy các ứng dụng chạy ngầm, và chắc chắn chúng không cần xử lý đồ họa hào nhoáng.

Có lẽ bạn đã nghe nói rằng chuyến đổ bộ lên Mặt Trăng của tàu Apollo 11 được thực hiện với sức mạnh tính toán kém hơn cả một chiếc thiệp chúc mừng có phát nhạc hiện đại. Nhưng điều mà hầu hết mọi người bỏ lỡ là đây không chỉ là giới hạn của thời đại đó.

Nó đã thiết lập một triết lý về sự đơn giản tàn khốc giúp giữ cho các phi hành gia sống sót cho đến ngày nay. Khi bạn cách bàn hỗ trợ kỹ thuật (IT support) gần nhất 400.000 km, bạn không cần tốc độ. Bạn cần sự tin cậy tuyệt đối và không thể lay chuyển.

Liệu chúng ta có bao giờ đạt đến điểm mà chúng ta tin tưởng vào silicon hiện đại mỏng manh của mình đủ để dẫn dắt chúng ta đến hệ sao tiếp theo, hay chúng ta định sẵn sẽ chinh phục thiên hà bằng những “linh hồn” của nền máy tính những năm 1970?