Mỹ và máy tính điện tử đưa con người lên mặt trăng

chương trình hàng không vũ trụ NASA thúc đẩy tiến bộ công nghệ nhân loại qua những thăng trầm.

ví dụ: máy vi tính, chiếc máy tính dẫn đường Apollo, viết tắt là AGC, là một trong những máy tính đầu tiên sử dụng mạch điện tích hợp dựa trên silic

Định vị
tổng thống Kennedy đặt ra thử thách Hoa Kỳ đưa người lên mặt trăng và đem người ấy trở về an toàn - là phần việc khó nhất - vào năm 1962 khi Mỹ mới có 15 phút kinh nghiệm đưa người lên vũ trụ

có nhiều biến số mà NASA phải xử lý, một trong số đó là định vị - làm sao để dẫn đường cho tàu vũ trụ để di chuyển 400 000 kilomet vào không gian và sau đó thâm nhập đúng mực vào quỹ đạo 110 kilomet trên bề mặt mặt trăng
vận tốc phải được điều chỉnh chính xác, sai sót chỉ ít phần trăm quá thấp là tàu Apollo sẽ va vào mặt trăng, nếu ít phần trăm quá cao thì tàu Apollo sẽ bị văng ra khỏi vòng quỹ đạo xa không thể thoát ra được.

tàu Pioneer 4 thử nghiệm, đã được phóng ít năm trước bài phát biểu của tổng thống Kennedy, để đo lường bức xạ của mặt trăng, tàu đã đủ nhanh để thoát khỏi quỹ đạo trái đất nhưng một lỗi căn thời điểm ở công đoạn phóng tên lửa đã đá văng tàu thăm dò đi quá xa và sau đó bị hụt mặt trăng một khoảng cách 27000 kilomet quá xa không thể kích hoạt cảm biến quang điện.

Công cụ
tháng 8 năm 1961 NASA trao hợp đồng đầu tiên cho chương trình mặt trăng sắp tới, hợp đồng cho phòng thí nghiệm công cụ [Instrumentation lab] của học viện công nghệ Massachusetts làm hệ thống dẫn đường và định vị

năm 1970 phòng thí nghiệm công cụ được đổi tên thành phòng thí nghiệm Draper và bị tách khỏi MIT năm 1973 vì bị biểu tình phản đối phòng làm việc liên quan đến vũ khí

phòng thí nghiệm ra mắt một hệ thống dựa trên công trình làm việc trước đó cho tên lửa đạn đạo Polaris bắn từ tàu ngầm - một hệ thống quán tính, độc lập với một cảm biến có kích cỡ bằng quả bóng rổ có 3 con quay hồi chuyển nằm bên trong

hệ thống cũng dùng một máy tính thông dụng để tính vị trí, phương hướng và vận tốc của tàu

định kỳ, người du hành vũ trụ sẽ lấy kính lục phân để định vị sao và đưa dữ liệu ấy cho máy tính. Để đo lường vận tốc của mình, người du hành sẽ lấy một ngôi sao đã biết, nhắm thấu kính của tàu về hướng nó và ấn nút ra lệnh cho máy tính làm phần [tính toán] còn lại

phương án gây tranh cãi vì người du hành vũ trụ là các cựu phi công nên họ muốn kiểm soát tàu giống như máy bay quân sự, còn trạm điều khiển ở trái đất lại muốn lái tàu [dẫn đường] từ xa

MIT tìm được cách, nhưng phương án cần một máy tính thông dụng đem ra ngoài vũ trụ cách trái đất hàng nghìn dặm

Đáng tin cậy
những lựa chọn khác đã có sẵn nên đáng tin cậy hơn. Khi tàu Apollo phóng lên, máy tính dẫn đường Apollo không phải chiếc máy tính duy nhất trên tàu. Một máy tính kỹ thuật số khác ít phức tạp hơn được đặt phía dưới bên trong tên lửa Saturn V

máy tính phương tiện phóng của Saturn không có giao diện người dùng nhưng vẫn đủ để hoàn thành nhiệm vụ quan trọng là chức năng dẫn đường và định vị tên lửa, gửi lệnh cho động cơ để tạo lực đẩy

máy tính tên lửa này không sử dụng mạch điện tích hợp. Người bán là công ty IBM biết rằng công nghệ mạch tích hợp đã có nhưng quyết định [công nghệ] chưa đủ trưởng thành cho công việc lên mặt trăng nên lựa chọn công nghệ bóng bán dẫn truyền thống hơn
tên lửa được cho là môi trường biến động và nóng, thỉnh thoảng tăng tốc đột ngột. Để đảm bảo độ tin cậy tiêu chuẩn NASA thì IBM đã phát triển TMR viết tắt cho "3 mô đun dự phòng"

IBM nhét vào TMR 3 phiên bản giống nhau của những mạch điện tử chính của máy tính phóng, sau đó bổ sung một mạch lựa chọn để chọn ra mạch điện tử chính trong trường hợp một trong 3 không hoạt động [hỏng]
phương pháp "3 mô đun dự phòng" hoạt động như mong muốn và máy tính dẫn đường cho tên lửa Saturn V đã hoạt động mượt mà kể cả một lần vào tháng 11 năm 1969 sét đánh trúng tên lửa Saturn V sau khi phóng và đã nướng sạch điện tử của mô đun chỉ huy Apollo

phương án cũng giành được ủng hộ. NASA liên hệ với một nhánh của công ty AT&T để được cố vấn kỹ thuật và được khuyến nghị mua máy tính dẫn đường từ IBM

nhưng MIT muốn cách khác, chiếc máy tính dẫn đường cần linh hoạt và thông dụng hơn, cần phải nhận nhập liệu từ con người và các thiết bị khác

để có chức năng phụ thêm mà vẫn đạt tiêu chuẩn tin cậy của NASA thì MIT đã tìm đến công nghệ điện tử mới nhất

Ống chân không đến bóng bán dẫn đến mạch tích hợp
từ lâu, máy tính đã phụ thuộc ống chân không mặc cho nhược điểm thiếu tin cậy, tốn điện năng và mong manh dễ vỡ

năm 1947 bóng bán dẫn đầu tiên được phát minh, ưu điểm tiết kiệm điện năng, di động, được gói gọn trong những vật phẩm riêng rẽ, có thể cắm vào để khuyếch đại tín hiệu điện hoặc bật tắt

nhưng bóng bán dẫn dựa trên germanium thuở đầu cũng có nhược điểm, các nhà công nghiệp gặp khó không sản xuất được quy mô lớn, sản phẩm thiếu tin cậy, dễ vỡ nếu lắc hoặc dưới nhiệt độ cao và phải kết nối thủ công

nhược điểm như vậy nhưng bóng bán dẫn này vẫn nhiều tiềm năng

năm 1953 IBM ra mắt máy tính kỹ thuật số bóng bán dẫn đầu tiên chiếc IBM 608 trang bị 3000 bóng bán dẫn germanium và nhanh hơn 50% chiếc tiền nhiệm và tiết kiệm 90% điện tiêu thụ

cải thiện sản xuất cắt giảm giá thành và cải thiện độ tin cậy, sau đó càng giúp bóng bán dẫn thay thế ống chân không

Fairchild
giữa thập niên 1950 quân đội Mỹ bắt đầu phát triển tên lửa đạn đạo xuyên lục địa ICBM chiếc Minuteman làm vũ khí răn đe được thiết kế để Hoa Kỳ có khả năng trả đũa

ví dụ nếu Liên Xô dùng vũ khí hạt nhân lên Mỹ thì một cú trả đũa tên lửa hạt nhân sẽ là lập tức

tên lửa Minuteman cần đặt trong trạng thái luôn luôn sẵn sàng, có khả năng phóng ra chỉ chưa đến một giờ sau khi ra lệnh

tên lửa tiền nhiệm mang bom mạnh hơn nhưng Minuteman có hệ thống dẫn đường chính xác hơn, là hệ thống dẫn đường quán tính của Apollo

năm 1958 quân đội Mỹ chọn phòng máy tính dẫn đường tự động của công ty hàng không Bắc Mỹ là một trong những nhà thầu chính cho hệ thống dẫn đường của Minuteman

mang theo sản phẩm bóng bán dẫn mới, phòng máy tính dẫn đường tự động ấy đã chia ra thành công ty Texas Instruments và một công ty khởi nghiệp sản xuất bán dẫn nho nhỏ ở Mountain View bang California là Fairchild Semiconductor

để đáp ứng yêu cầu tin cậy ngặt nghèo của máy tính dẫn đường tự động [Autonetic], Fairchild đã đặt các bóng bán dẫn silic vào các máy ly tâm và dưới cả nhiệt độ cao và thấp

đến năm 1960 quân đội Mỹ đã chi 52 triệu đôla mua bóng bán dẫn cho tên lửa đạn đạo và chi 33 triệu đôla bóng bán dẫn cho chương trình lên vũ trụ

những thử nghiệm ban đầu cùng với ngân sách quốc phòng chi ra đã cho phép Fairchild hoàn thiện công nghệ và sau đó phát triển ngành kinh doanh bóng bán dẫn lên mạch tích hợp

Mạch tích hợp
bóng bán dẫn có nhược điểm là phải kết nối [hàn thiếc] thủ công với nhau, trong khi một mạch tích hợp chỉ đáng tin cậy được như điểm yếu nhất của mạch

lỗi kết nối thủ công gây đoản mạch và hỏng

mạch tích hợp giải quyết nhược điểm bằng cách đặt lên một tinh thể silic đơn nhất

ngày nay, ngành có thể làm hàng triệu bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện - những linh kiện của một mạch điện - nhét vào mà không cần lo về yếu tố lỗi thao tác con người

Lợi thế quy mô khổng lồ và hiệu năng tăng cấp số nhân
năm 1958 Jack Kilby của công ty Texas Instruments phát minh mạch tích hợp đầu tiên và được đồng giải Nobel vật lý năm 2000

phát minh mạch tích hợp của Jack Kilby chưa thương mại hoá được, các linh kiện của mạch như bóng bán dẫn, điện trở... được làm từ silic nhưng được kết nối bằng dây vàng riêng, trở thành điểm yếu nhất của mạch

năm 1959 một trong những sáng lập của Fairchild phát triển tiến trình Planar [mặt phẳng]

silic phản ứng hoá học với không khí để tạo thành một lớp ôxit silic (4)

lớp này vốn là một vấn đề gây nhức đầu cho nhà sản xuất và thường bị loại bỏ

Fairchild đã phát hiện cách biến vấn đề ôxi hoá này thành lợi thế. Lớp ôxit silic (4) giúp bảo vệ các bóng bán dẫn khỏi môi trường bên ngoài, khiến chúng [bóng bán dẫn] bền hơn nhiều
trong quá trình sản xuất, ta có thể cắt những lỗ trên lớp [ôxit silic] ấy để chèn những linh kiện cần thiết vào

cùng với việc sử dụng quang khắc để đặt những dây nhôm làm kết nối, Fairchild đã có thể đặt nhiều linh kiện và mối kết nối mạch lên một miếng silic duy nhất - gọi là mạch tích hợp đơn khối

công ty Texas Instruments mới đầu phát minh mạch tích hợp nhưng Fairchild đã giúp sản phẩm có thể thương mại hoá
luật sư của hai công ty đã đăng ký bản quyền chéo những phương pháp ấy

tiến trình của Fairchild sớm thống lĩnh ngành

Khác biệt IC [mạch tích hợp]
mạch tích hợp ngay lập tức gây ảnh hưởng lên ngành, chỉ nhờ độ tin cậy và hiệu năng

năm 1962 quân đội Mỹ khởi động dự án tên lửa xuyên lục địa Minuteman 2

phòng máy tính dẫn đường tự động chọn mạch tích hợp để thiết kế máy tính, mua sản phẩm chủ yếu của Texas Instruments và Westinghouse

Texas Instruments phát triển hơn 24 thiết kế IC [mạch tích hợp] cho tên lửa Minuteman 2

đến năm 1965 công ty Texas Instruments bán 15000 mạch tích hợp mỗi tuần cho dự án tên lửa, thử nghiệm máy tính dẫn đường cho tên lửa Minuteman 2 đã cho thấy cải thiện hiệu năng đáng kể so với Minuteman 1

thành công lan truyền ra toàn quân [Mỹ] và đến tai phòng thí nghiệm MIT và NASA

Chuyển sang mạch tích hợp
các kỹ sư chương trình Apollo biết về mạch tích hợp vì họ sử dụng công nghệ mới nhất trong phát triển điện tử, 40% dự toán chi tiền phóng tên lửa, 70% ngân sách tàu vũ trụ và 90% ngân sách theo dõi/dữ liệu là dành cho các linh kiện điện tử

năm 1959 và 1960 MIT đã đặt hàng Texas Instruments một số mẫu IC [mạch tích hợp] để nghiên cứu tiềm năng

năm 1961 Fairchild chào bán loạt sản phẩm Micrologic cho khách hàng chính phủ và thương mại với giá 120 đôla Mỹ - tính theo lạm phát là bằng 1200 đôla Mỹ ngày nay

MIT đặt mua một số Micrologic và nhận thấy tiềm năng
sản phẩm thực hiện được những phép tính như phép nhân, cộng và logic chia nhánh nhanh gấp 2 lần linh kiện bóng bán dẫn tiêu chuẩn, kích thước và cân nặng thì lại thu nhỏ được còn 2/3

Micrologic cũng rẻ hơn, cắt giảm số môdun logic trong một máy tính từ 34 môdun chỉ còn 1

nhưng phối hợp các mạch tích hợp với nhau sẽ cần tái thiết kế triệt để và thận trọng

mạch tích hợp giúp người dùng bớt việc vì linh kiện đã được đóng gói sẵn, có nghĩa là mọi chức năng phải thiết kế sẵn cho con chip trước khi được chế tạo

bấy giờ chỉ có công ty Fairchild độc quyền bán mạch tích hợp Micrologic, nếu họ trễ thì thôi coi như không có. Sau đó những công ty cạnh tranh cũng xuất hiện, nhưng tình trạng thu mua dự phòng vẫn tiếp diễn

may mắn là chương trình NASA đã linh hoạt và cởi mở chấp nhận những giải pháp tiến bộ [dù chỉ có Fairchild bán]

năm 1962 các kỹ sư của phòng thí nghiệm MIT được phép tái thiết kế lại máy tính dẫn đường sử dụng mạch tích hợp mới

phiên bản đầu tiên của máy tính dẫn đường có tên là Block 1 có 4100 mạch tích hợp cùng loại để đảm bảo độ tin cậy

Tin cậy?
tranh cãi đã nổ ra về độ tin cậy của sản phẩm máy tính mới dẫn đường cho chương trình vũ trụ

AT&T thì vẫn khuyến nghị NASA dùng máy tính dẫn đường "3 môđun dự phòng" vì rất có thể máy tính sẽ bị trục trặc trong chuyến hành trình. Liệu phi hành gia có thể sửa máy tính trong vũ trụ không?

NASA thuê IBM nghiên cứu những điều kiện trong tàu Apollo và xem liệu có thể dùng được máy tính phóng Saturn V để làm máy tính dẫn đường hay không

IBM hồ hởi trả lời: "Được"
kỹ sư MIT mặt khác biết rằng máy tính MIT dùng thiết bị mua của Fairchild nhanh gấp 10 đến 20 lần và đa dụng hơn, và kết quả tính vị trí và vận tốc cũng chính xác hơn chiếc Saturn gấp 5 lần

các công ty khác cũng nhảy vào tranh thầu. Công ty hàng không Grumman bấy giờ đang phát triển môđun mặt trăng, cho rằng máy tính dẫn đường không khả thi và đề nghị NASA phát triển một phương án dự phòng riêng để hạ cánh

Grumman gây áp lực chính trị lên thương vụ. Joseph Karth chính trị gia Minnesota viết thư gửi James Webb giám đốc NASA:
"Thường trực lo ngại về hệ thống dẫn đường của MIT có đủ tin cậy để đảm bảo cho một chuyến đi an toàn. Liệu có dữ liệu thử nghiệm nào được ghi nhận cho thấy 'nó' [máy tính dẫn đường] đáp ứng được chuyến đi đến mặt trăng của Apollo?"

Joseph Karth sau đó gợi ý về hệ thống dẫn đường dự phòng, nhắc 2 lần
NASA hồi đáp rằng chương trình Apollo mang theo 2 máy tính dẫn đường và luôn sẵn sàng nhận lệnh từ trạm Houston
cuối cùng phòng thí nghiệm MIT ra quyết định sau sự cố suýt gây hoạ
tháng 5 năm 1963 các linh kiện điện tử của nhiều hệ thống trọng yếu trong tên lửa Mercury-Atlas 9 là chuyến bay vào quỹ đạo độc hành cuối cùng của Mỹ, đã hỏng gần cuối hành trình
phi công Gordon Cooper đã phải lái thủ công vào bầu khí quyển và lái tên lửa an toàn về trái đất

sau đó, kỹ sư công bố rằng axit đã chảy ra trong môi trường không trọng lực và thâm nhập hệ thống điện tử, phá hỏng hệ thống
máy tính Block 2 sự cố Mercury-Atlas 9 xảy ra đúng lúc MIT sắp phải ra mắt phiên bản kế nghiệm cho máy tính dẫn đường Block 1

phiên bản Block 2 sẽ dùng cho tất cả các chuyến bay chở người của chương trình Apollo

Block 2 có hơn 5500 mạch tích hợp và nhỏ hơn, bớt đi 7.7 kilogam so với thế hệ cũ

14 sản phẩm máy tính Block 1 đã rất tin cậy, chạy được 38000 giờ năm 1965 miễn là được chế tạo hoàn chỉnh và đóng gói kín thì không vấn đề gì
MIT quyết định đóng kín nó [máy tính] khỏi môi trường bên ngoài. Phi hành gia sẽ không thể sửa máy tính nếu lỗi trong hành trình nhưng đóng kín sẽ bảo vệ khỏi tổn thương từ bên ngoài

NASA cũng phát triển một máy tính dự phòng nữa là hệ thống dẫn đường huỷ ngang: một máy tính thông dụng được TRW bán ra sử dụng mạch tích hợp của Signetics là đối thủ cạnh tranh với Fairchild

hệ thống huỷ ngang mới đầu được phát triển chỉ để phòng hờ, nhưng không bao giờ được dùng đến và có lẽ là lãng phí

cuối năm 1975 NASA hối tiếc rằng nguồn lực mua máy tính huỷ ngang riêng có lẽ nên để củng cố hệ thống máy tính chính thì hơn

Kết
có thể nói dự án Apollo và Minuteman 2 giúp tài trợ mở ra kỷ nguyên IC [mạch tích hợp] nhưng tác giả không đồng ý

NASA chọn IC vì sản phẩm nhanh, nhỏ và thực tiễn cho thấy tin cậy không kém những sản phẩm tiền nhiệm

năm 1962 giá bán IC là 20 đến 30 đôla thì không rẻ hơn công nghệ mạch lẻ đương nhiệm

NASA và quân đội thì đủ tiền mua giá cao và chắc chắn có giúp các công ty thu lợi nhuận, nhưng khách hàng thương mại thì chưa có

năm 1961 Fairchild bán chưa đến 5000 sản phẩm Micrologic và Texas Instruments cũng buộc phải giảm giá từ 435 đôla còn 76 đôla sau 3 tháng mở bán

ngành chỉ tăng trưởng năm 1964 khi Robert Noyce và Fairchild quyết định bán sản phẩm IC giá rẻ, tin rằng họ sẽ có lãi nhờ quy mô sản xuất

Fairchild chọn đúng: năm 1963 ngành bán được 2.5 triệu IC thì năm 1964 chỉ một đơn đặt hàng là Fairchild đã bán 500 000 IC
năm 1965 năm Gordon Moore công bố luật Moore, công ty chế tạo máy tính Burroughs mua 20 triệu mạch tích hợp

cho nên tác giả cho rằng: không phải chương trình Apollo hay tên lửa Minuteman kích hoạt cách mạng silic mà chỉ là người Mỹ nhanh chân thích nghi sản phẩm mới và sử dụng nó để lái tàu bay lên tận mặt trăng mà thôi.