Tại sao NASA lại "khiếp sợ" điện thoại của bạn?

Sự thật là, khi bạn chứng kiến tàu vũ trụ Orion trị giá hàng tỷ đô la xé toạc khoảng không đen thẳm của vũ trụ trong vụ phóng Artemis đầy rực lửa năm 2022, “bộ não” điện tử của nó cũng chỉ mạnh tương đương một chiếc máy chơi game cổ điển. Một cột lửa khổng lồ nâng hàng ngàn tấn kim loại lên bầu trời, mang theo những hy vọng lớn nhất của nhân loại về việc thám hiểm mặt trăng. Thế nhưng, các máy tính điều khiển chuyến bay cho kỳ quan hiện đại này lại được vận hành bởi hai bộ vi xử lý IBM PowerPC 750X.

Nếu cái tên đó nghe có vẻ quen thuộc, thì đúng là như vậy. Đó chính là kiến trúc bộ vi xử lý đã từng vận hành chiếc Apple iMac G3 vỏ nhựa xanh mờ cồng kềnh từ tận năm 1998.

Thú thật, tôi đã phải kiểm tra lại bảng thông số kỹ thuật của NASA tới ba lần trước khi tin vào điều đó. Chiếc điện thoại thông minh trong túi bạn hiện nay nhanh hơn gấp hàng trăm nghìn lần so với những chiếc máy tính đang lèo lái những con tàu vũ trụ tiên tiến nhất của chúng ta.

Tại sao những bộ óc sáng giá nhất trong ngành hàng không vũ trụ lại tin dùng một cấu trúc chip đã 30 năm tuổi thay vì những con chip silicon bóng bẩy, siêu tốc độ của ngày nay? Câu trả lời nằm ở thực tại khắc nghiệt và tàn bạo của vũ trụ.

Mối đe dọa vô hình từ vũ trụ

Ở dưới Trái Đất, các thiết bị điện tử của chúng ta được “nuông chiều”. Chúng được bảo vệ bởi lớp khí quyển dày và từ trường mạnh mẽ giúp ngăn chặn những cơn “thịnh nộ” hung hãn nhất của vũ trụ.

Vũ trụ không có sự xa xỉ đó. Ngay khi một con tàu vũ trụ rời khỏi cái nôi khí quyển, nó sẽ bị oanh tạc bởi một trận mưa đá không ngừng nghỉ của các tia vũ trụ. Hãy tưởng tượng bạn đang lái xe trên một xa lộ tối tăm giữa bão tuyết, nơi mỗi bông tuyết là một viên đạn nhỏ. Đó chính là thực tế đối với các thiết bị điện tử trên tàu vũ trụ.

Những hạt năng lượng cao này, chủ yếu là proton, được bắn ra từ các siêu tân tinh xa xôi và những đợt bùng nổ tia lửa mặt trời dữ dội. Chúng xuyên qua lớp vỏ bảo vệ bằng nhôm tiêu chuẩn của tàu vũ trụ như xuyên qua giấy ướt.

Khi một trong những “viên đạn đại bác” dưới nguyên tử này va trúng một con chip máy tính hiện đại, sự hỗn loạn sẽ xảy ra. Các bộ vi xử lý ngày nay được nén chặt với hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor) siêu nhỏ, đặt cực kỳ sát nhau và hoạt động dựa trên những dòng điện cực yếu. Một hạt proton lạc lối có thể dễ dàng làm đảo ngược một bit dữ liệu nhỏ từ số 0 thành số 1.

Hiện tượng này được gọi là “sự cố đơn lẻ” (single-event upset). Trên máy tính xách tay của bạn, một bit bị lỗi có thể chỉ đơn giản là làm trình duyệt web bị sập. Nhưng ở ngoài không gian sâu thẳm, một bit bị lỗi có thể kích hoạt động cơ đẩy sai thời điểm, khiến một module xoay tròn vô định vào khoảng không. Chúng ta đã thấy những sai sót nhỏ có thể dẫn đến thảm họa như thế nào, giống như sự cố suýt chút nữa đã kết liễu chúng ta trong các đợt thử nghiệm phòng thủ tự động thời kỳ đầu.

”Lớp giáp” cho vi mạch

Để sống sót trong “trường bắn” vũ trụ, các cơ quan không gian không thể sử dụng linh kiện bán sẵn. Họ cần những linh kiện được “tôi luyện” chống bức xạ (radiation-hardened).

Quá trình “tôi luyện” này là một thách thức kỹ thuật cực kỳ khó khăn. Các kỹ thuật viên loại bỏ lớp nền silicon tiêu chuẩn và thay thế bằng các vật liệu cách điện như đá sapphire. Họ làm cho các sợi dây vi mạch dày hơn nhiều và đặt các bóng bán dẫn cách xa nhau hơn để ngăn năng lượng thất thoát nhảy qua các khoảng cách.

Việc sản xuất những con chip chuyên dụng này mất nhiều năm thử nghiệm nghiêm ngặt. Chúng được nướng trong các buồng chân không nhiệt và bị bắn phá bởi các chùm bức xạ ngay tại Trái Đất chỉ để chứng minh rằng chúng sẽ không hề hấn gì trong bóng tối vũ trụ. Một con chip RAD750 duy nhất có thể có giá lên tới 200.000 USD. Đó là một mức giá gây sốc cho một thứ thậm chí không thể chạy được một trò chơi điện tử hiện đại.

Kích thước vật lý lớn này đồng nghĩa với việc bạn đơn giản là không thể nhồi nhét quá nhiều bóng bán dẫn lên một con chip. Một bộ vi xử lý điện thoại thông minh hiện đại có hơn 15 tỷ bóng bán dẫn. Trong khi đó, RAD750 — phiên bản chống bức xạ của con chip iMac 1998 mà NASA sử dụng — chỉ có 10,4 triệu bóng bán dẫn.

Sự dự phòng quan trọng hơn tốc độ

Những bộ vi xử lý cổ xưa này không chỉ dày dặn về mặt vật lý; chúng còn cực kỳ “đa nghi”. Máy tính điều khiển chuyến bay hiếm khi hoạt động đơn độc.

Chúng chạy theo các nhóm đồng bộ, liên tục kiểm tra chéo các phép tính của nhau. Nếu một tia vũ trụ lạc lối xuyên qua lớp vỏ bảo vệ và làm xáo trộn logic của một máy tính, các máy tính còn lại sẽ lập tức “bỏ phiếu” loại bỏ đơn vị đang bị lỗi đó. Đây là một cơ chế an toàn tuyệt vời chống lại sự mong manh đáng sợ của các hệ thống phức tạp. Chúng ta thường lờ đi sự mong manh này cho đến khi một lỗi đơn giản xảy ra, nhắc nhở chúng ta về phím bấm đã làm tê liệt thế giới trên các mạng lưới toàn cầu.

Các kỹ sư không cần một chiếc máy tính có thể render video 4K. Họ cần một cỗ máy có thể tính toán cơ học quỹ đạo một cách hoàn hảo, mọi lúc, ngay cả khi bị bắn phá bởi bức xạ mặt trời ở mức nhiệt độ không tuyệt đối.

Tốc độ là một sự xa xỉ. Sự tin cậy tuyệt đối, không thể lay chuyển mới là yêu cầu bắt buộc để sống sót.

Lần tới khi bạn bực mình vì điện thoại mất thêm một giây để tải một ứng dụng, hãy ngước nhìn lên bầu trời đêm. Những cỗ máy đang lập bản đồ các vì sao đang chạy chậm hơn cả một chiếc modem quay số (dial-up), và chúng vẫn đang làm rất tốt công việc của mình. Liệu chúng ta có bao giờ thiết kế được một siêu máy tính hiện đại đủ bền bỉ để sống sót giữa các vì sao, hay chúng ta định sẵn sẽ chinh phục thiên hà bằng sức mạnh xử lý của một chiếc máy chơi game thùng cổ điển?