Đảo ngược kỹ thuật máy tính Spacelab: Bên trong một siêu máy tính từ năm 1980

Spacelab là một phòng thí nghiệm không gian có thể tái sử dụng, được đặt trong khoang hàng của Tàu con thoi (Space Shuttle), cung cấp không gian để các phi hành gia thực hiện các thí nghiệm khoa học. Điều thú vị là "bộ não" điều khiển Spacelab không phải là một máy tính hiện đại tích hợp vi xử lý, mà là một máy tính nhỏ (minicomputer) do Pháp chế tạo mang tên Mitra 125 MS.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng đi sâu vào quá trình đảo ngược kỹ thuật một trong các bo mạch bộ xử lý của这台 máy tính, cụ thể là một phần thuộc Đơn vị Logic Số học (ALU), để hiểu rõ cách các kỹ sư thời đó xây dựng một máy tính mạnh mẽ từ những linh kiện cơ bản.

Máy tính Mitra 125 MS và bo mạch ALU

Kiến trúc của Mitra 125 MS

Khác với hầu hết các máy tính ngày nay sử dụng một vi xử lý duy nhất tích hợp hàng tỷ bóng bán dẫn, Mitra 125 MS được xây dựng từ nhiều bo mạch chứa các chip logic rời rạc. Đây là đặc điểm phổ biến của các máy tính nhỏ vào thập niên 1970-1980.

Máy tính sử dụng công nghệ TTL (Transistor-Transistor Logic), cụ thể là dòng chip quân sự 5400 series để đảm bảo độ tin cậy cao trong môi trường vũ trụ khắc nghiệt. Trái tim của hệ thống là chip 74181, một ALU 4-bit nổi tiếng của Texas Instruments. Để xử lý dữ liệu 16-bit (và thậm chí là 32-bit nội bộ), Mitra 125 MS đã kết hợp nhiều chip 74181 lại với nhau.

Một phát hiện bất ngờ: ALU 32-bit

Khi phân tích các bo mạch, một chi tiết kỹ thuật đáng chú ý đã được phát hiện. Mặc dù Mitra 125 MS là một máy tính 16-bit, nhưng hệ thống ALU của nó thực sự hoạt động ở độ rộng 32-bit.

Ba bo mạch ALU/Register của máy tính Spacelab

Tại sao lại có thiết kế này? Việc mở rộng ALU lên 32-bit giúp tăng tốc độ đáng kể các phép tính phức tạp. Khi nhân hai số 16-bit, kết quả sẽ là một số 32-bit. Nếu ALU chỉ có 16-bit, máy tính phải thực hiện nhiều bước tính toán liên tiếp. Với ALU 32-bit, phép nhân này diễn ra nhanh hơn nhiều. Ngoài ra, máy tính cũng hỗ trợ các số thực dấu chấm động (floating-point) 32-bit, do đó bộ xử lý mở rộng này giúp tối ưu hóa hiệu năng cho các tác vụ khoa học nặng nề trên quỹ đạo.

Chi tiết bo mạch ALU/Register

Bo mạch được tác giả phân tích là một phần của hệ thống ALU và thanh ghi (register). Nó chứa 3 chip ALU 4-bit (loại 54S181 tốc độ cao), cùng với các chip đa chọn (multiplexer) để chọn dữ liệu đầu vào và các chip thanh ghi để lưu trữ tạm thời.

Sơ đồ khối của hệ thống ALU/Register

Các bo mạch này có cấu tạo rất đặc biệt:

• Lưới lỗ cố định: Bo mạch có các lỗ được bố trí theo một lưới đều đặn, tương tự như thiết kế của IBM System/360 những năm 1960, thay vì chỉ khoan lỗ tại nơi cần thiết như các bo mạch hiện đại.
• Tản nhiệt: Dưới các chip tích hợp là các thanh kim loại đứng để dẫn nhiệt away, giúp giải quyết vấn đề nhiệt lượng của công nghệ bóng bán dẫn song cực (bipolar).
• Dây sửa lỗi (Bodge wires): Phía sau bo mạch xuất hiện những dây màu vàng nối các điểm mạch. Đây là bằng chứng cho thấy các kỹ sư đã phải sửa chữa các lỗi thiết kế hoặc sản xuất ngay trên bo mạch.

Bối cảnh lịch sử: Ngành công nghiệp máy tính Pháp

Sự tồn tại của máy tính Mitra trong Spacelab là niềm tự hào của châu Âu, nhưng cũng gắn liền với một câu chuyện lịch sử phức tạp. Vào những năm 1960, Pháp cảm thấy bị đe dọa khi Mỹ từ chối xuất khẩu các siêu máy tính CDC 6600 và IBM 360 cho chương trình phát triển bom hạt nhân của họ.

Để giải quyết vấn đề phụ thuộc công nghệ, Tổng thống Pháp Charles de Gaulle đã khởi xướng "Plan Calcul" (Kế hoạch Máy tính) vào năm 1966, nhằm tái cơ cấu ngành công nghiệp máy tính quốc gia. Công ty CII (Compagnie Internationale d'Informatique) được thành lập và đã phát triển dòng máy tính Mitra. Sau này, CIMSA - một công ty con chuyên về điện tử quân sự - đã chịu trách nhiệm sản xuất phiên bản "quân sự hóa" Mitra 125 MS cho nhiệm vụ Spacelab.

Sự thay thế bởi công nghệ Mỹ

Mặc dù là một thành tựu kỹ thuật đáng nể, máy tính Mitra cuối cùng cũng đã lỗi thời. Vào đầu những năm 1990, khi công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc, hệ thống máy tính của Spacelab cần được nâng cấp.

Năm 1991, máy tính CIMSA Mitra đã được thay thế bằng IBM AP-101SL. Đây là một biến thể của máy tính AP-101S được sử dụng trên chính Tàu con thoi. Điểm thú vị là IBM đã thiết kế AP-101SL để mô phỏng kiến trúc tập lệnh 16-bit của Mitra thông qua vi mã (microcode), trong khi phần cứng bên dưới thực chất là một bộ xử lý 32-bit mạnh mẽ hơn nhiều.

Kết luận

Việc đảo ngược kỹ thuật máy tính Spacelab mang lại cái nhìn thú vị về kỷ nguyên trước khi vi xử lý thống trị. Khi đó, một chiếc máy tính không phải là một con chip duy nhất, mà là một hệ thống phức tạp gồm hàng chục bo mạch và hàng trăm linh kiện rời rạc được kết nối tinh tế. Dù chỉ có dung lượng bộ nhớ 128 KB, những cỗ máy này đã đóng vai trò then chốt trong việc khám phá vũ trụ, đại diện cho đỉnh cao của kỹ thuật phần cứng thời bấy giờ.