Grumman F-14 Tomcat và bí mật về con chip bán dẫn đầu tiên của loài người

Tìm kiếm lịch sử chip bán dẫn, chúng ta sẽ tìm thấy một sản phẩm tên là Intel 4004, ra mắt cuối năm 1971. Con CPU 4-bit được sử dụng trong những chiếc máy tính số học, với sản phẩm đầu tiên là chiếc máy tính 141-PF của Busicom. Chip xử lý của Intel ra mắt nửa thế kỷ trước hoàn toàn có khả năng lập trình lại để phục vụ nhiều công dụng khác, như vận hành máy tính tiền hay máy chơi pinball. Đa dụng và rẻ, chính con chip 4004 đã khiến ngành công nghiệp chip bán dẫn của loài người có được bước khởi động để có được những thành tựu như ngày hôm nay. Không có Intel 4004, hẳn cũng rất khó có được chính chiếc máy mà anh em đang dùng để đọc bài viết này.



Nhưng đôi khi lịch sử trớ trêu ở chỗ, một sản phẩm không được trở thành “đầu tiên”, đơn giản vì nó là một món đồ tuyệt mật do chính phủ phát triển, sử dụng trong những ứng dụng quân sự.

Intel 4004 đúng là chip bán dẫn đầu tiên, nhưng là sản phẩm thương mại hóa đầu tiên. Còn muốn nói về chip bán dẫn đầu tiên được con người phát triển, đó lại là Central Air Data Computer (CADC) do một công ty tên là Garrett AiResearch, đối tác của Grumman, nhà sản xuất chiếc máy bay “cánh cụp cánh xòe” F-14 Tomcat. Bản thân F-14 tuần trước cũng đã kỷ niệm 50 năm lần cất cánh đầu tiên. Nhờ có CADC, phi công có thể biết được tốc độ siêu thanh cũng như độ cao mà chiếc máy bay đang hoạt động, biết được thông tin để hạ cánh và tính toán tấn công đối phương bằng tên lửa, điều khiển góc mở của cánh, cho phép phi công điều khiển được chiếc máy bay ngay cả khi cánh cụp lại hoặc xòe ra ở tốc độ rất cao.

Ray Holt và Bill Holt

Ray Holt là một trong số những kỹ sư phát triển Central Air Data Computer. Trong lịch sử ngành điện toán và chip bán dẫn, hẳn Ray Holt không phải một cái tên được đề cập nhiều. Điều này cũng dễ hiểu thôi, vì một chiếc máy bay siêu thanh, linh kiện bên trong, đã vậy lại còn là chiếc máy tính quan trọng nhất để điều khiển F-14, ắt nó cũng là một thứ linh kiện tuyệt mật. Bản thân Central Air Data Computer cũng chỉ được khoảng hai chục kỹ sư phát triển, gọi là nhóm “thiết kế logic” trong hai năm trời, từ năm 1968 đến năm 1970. Một trong số những kỹ sư phát triển con chip chính là là em trai của ông Holt, Bill Holt. Cả hai anh em không thể khoe thành tựu của mình với bất kỳ ai, vì con chip bán dẫn được cả Hải quân Mỹ lẫn Garrett AiResearch giữ kín trong hàng thập kỷ, trong lúc các kỹ sư khác thì lần lượt được vinh danh vì tạo ra những con chip bán dẫn “đầu tiên”.



Ngay cả sau này, khi chính bản thân cha đẻ con chip nói về chính đứa con tinh thần của mình, mọi người vẫn vô cùng nghi ngờ. Phải chăng người ta ngại không muốn đụng lại lịch sử, không muốn thay đổi lịch sử đúng theo cách nó đã diễn ra chăng?

Giờ này, Ray Holt đã 76 tuổi. Ông sống ở vùng hẻo lánh thuộc bang Mississippi, nơi ông dạy lớp STEM ở trường trung học, và có một tổ chức phi lợi nhuận đem kỹ thuật tự động hóa tới cho các bạn trẻ. Vài chục năm về trước, suýt chút nữa sự nghiệp kỹ sư điện toán của Ray Holt đã không trở thành hiện thực. Lớn lên ở Compton, cậu bé Ray kiếm tiền ăn vặt bằng cách sửa xe đạp và radio bóng bán dẫn cũ. Đến trung học ông trở thành chủ tịch lớp, và là một vận động viên bóng chày rất cừ, nhưng cùng lúc, Ray lại là một học sinh toàn được điểm B và mắc chứng khó đọc. Giáo viên nào cũng so sánh Ray với em trai của ông: “Tôi ước gì cậu giỏi như Bill”. Trong khi đó, Bill thực sự giỏi môn toán.


Ray Holt

Đến khi Ray làm bài kiểm tra năng khiếu vào cuối năm trung học, ông bị nói là kỹ năng cơ học kém, và bị nói rằng “đừng cố trở thành kỹ sư.” Nhưng rồi Ray vào được đại học Idaho, còn Bill tới học ở Stanford nhờ học bổng dành cho những sinh viên tham gia đội bóng chày. Về phần Ray, ông gặp khó khăn cho tới khi tham gia lớp Vật lý Điện, và trở thành sinh viên giỏi nhất lớp ấy. Ông nhận điểm A môn tích phân, rồi sau đó tốt nghiệp tấm bằng kỹ sư điện ở Cal Poly Pomona, và nhận được lời mời đến làm cho Bendix, Westinghouse và Garrett AiResearch. Hóa ra, cậu em trai của Ray cũng đang thi tuyển vào Garrett AiResearch vào vị trí lập trình viên máy tính. Cả hai anh em đều quyết định vào làm cho Garrett.
Và ở đây, Ray và Bill đã làm nên lịch sử.

Biến analog thành digital

Một trong những khả năng khủng khiếp và sáng tạo nhất của chiếc F-14 Tomcat chính là khả năng thay đổi vị trí cánh để vận hành ở vận tốc siêu thanh. Khi ấy, Hải quân Mỹ muốn có một chiếc máy bay chiến đấu có thể bay nhanh hơn tốc độ Mach 2 (gần 2.500 km/h), nhưng vẫn phải điều khiển dễ dàng, dễ hạ cánh xuống tàu khu trục, cùng lúc vẫn phải vận hành hiệu quả ở tốc độ thấp để tuần tra trên biển. Thay đổi vị trí cánh giúp điều này trở nên khả thi. Khi cất và hạ cánh, hai cánh của máy bay “xòe” ra, và ở tốc độ siêu thanh, cánh máy bay “cụp” lại. Khi xòe cánh, máy bay có thể vận hành ở tốc độ tương đối thấp, cho phi công thêm nhiều thời gian phản ứng để hạ cánh an toàn.

Bản thân F-14 hoàn toàn không phải chiếc máy bay đầu tiên với thiết kế “cánh cụp cánh xòe”. Trước đó đã có chiếc F-111 “mũi dài”, bắt đầu bay từ đầu thập niên 60 của thế kỷ trước. Nhưng F-111 yêu cầu phi công phải kéo cánh thủ công bằng cần gạt bên trái buồng lái. Còn đối với F-14, cánh máy bay tự động xòe cụp dựa vào kết quả tính toán vận tốc từ máy tính Central Air Data Computer.

Ngay ngày đầu tiên làm việc ở Garrett, giám đốc nhân sự đem cho Ray một chiếc hộp, bên trong chứa một cục máy móc đầy bánh răng. Ray nhớ lại: “Nhìn nó cũng đẹp, toàn bánh răng và trục cam, màu sắc vàng và bạc hay chrome nhìn bóng loáng.” Bộ bánh răng đó chính là máy tính cơ học tính toán tốc độ và độ cao dùng trên chiếc F-4 Phantom. Vị giám đốc nói rằng Ray là người duy nhất theo học lớp thiết kế máy tính điện toán, và giao nhiệm vụ cho Ray biến bộ máy tính cồng kềnh khổng lồ ấy trở thành một chiếc máy tính điện tử 100 phần trăm để dùng trong một chiếc máy bay mới.

Ông đưa ra những bức hình vẽ biểu đồ. Mỗi cửa logic đóng vai trò một phép tính bên trong máy tính, lấy thông tin từ tốc độ bay và nhiệt độ cùng độ cao thu được từ mũi và bụng chiếc máy bay, đưa về những cảm biến thạch anh analog trong hộp máy tính Central Air Data Computer, và biến nó trở thành thông tin số.


Đây không phải Central Air Data Computer, mà là Standard Central Air Data Computer, được Không quân Mỹ phát triển vào những năm 80 dựa trên công nghệ trước đó để trang bị cho tất cả những chiếc tiêm kích của họ.

Ray chia sẻ về quá trình phát triển Central Air Data Computer và cách từng kỹ sư trong nhóm của ông hoàn thành nhiệm vụ. Một người nghiên cứu phần tính toán, một người khác thì tính đến thiết kế cả hệ thống hoàn chỉnh. Ray tập trung vào việc ứng dụng cụ thể cho từng vai trò của cỗ máy tính, viết nháp ra giấy. Họ tạo ra một bản thử nghiệm và để tất cả những mạch điện vào bên trong. Bill thì lập trình một chương trình mô phỏng, dùng ngôn ngữ Fortran để kiểm tra kết quả lao động của các đồng nghiệp. Trong khoảng thời gian đó, nhà sản xuất chiếc máy tính, công ty AMI, tham gia khảo sát bản thiết kế mẫu.

Ông Ray nhớ lại: “Khi ấy họ nói rằng, dù thiết kế sẽ hiệu quả, nhưng những con chip sẽ không hoạt động tốt vì chúng quá to, dễ quá tải nhiệt. Chúng sẽ không đáng tin cậy, nên các anh phải thay phần này phần kia.” Rồi những kỹ sư của Garrett lại thay đổi thiết kế, thay đổi linh kiện và chạy mô phỏng xác nhận kết quả cho tới khi AMI cho rằng họ có thể sản xuất chiếc máy tính.

Điều kỳ diệu là, bên trong Central Air Data Computer sử dụng những mạch điện kín MOS (metal-oxide-semiconductor) được thiết kế riêng để xử lý dữ liệu đã được số hóa. Và nó chính là con chip bán dẫn đầu tiên của con người.



Central Air Data Computer hỗ trợ đa xử lý, nghĩa là nhiều phép tính có thể được những con chip bên trong máy tính xử lý cùng lúc. Ray nói rằng, cỗ máy tính này tạo ra một đường ống cho phép các tác vụ xếp hàng lần lượt. Tác vụ sau sẽ bắt đầu ngay sau khi tác vụ trước hoàn thành, và thiết kế máy tính ứng dụng nhiều chip xử lý. Điều này đồng nghĩa với việc hệ thống rất linh hoạt và có thể mở rộng. Sức mạnh xử lý của nó vừa mạnh vừa đáng tin cậy, hơn nhiều tất cả những giải pháp khác tồn tại trên thế giới thời bấy giờ.

Khi F-14 bay lần đầu vào năm 1970, Popular Mechanics dành tặng cho chiếc tiêm kích những lời có cánh: “Nó sẽ là một chiếc tiêm kích, một chiếc máy bay chiến đấu với toàn bộ ý nghĩa của cụm từ này. Nó sẽ đảo cánh và đuổi theo những chiếc tiêm kích tốt nhất, ngay cả ở tốc độ siêu thanh, bám đuổi chúng ở mọi tốc độ, hạ gục chúng bằng súng và hỏa tiễn. Nó sẽ bay nhanh và bay được chặng dài. Nói một cách ngắn gọn, F-14 là một chiếc tiêm kích giành lấy ưu thế trên không, được thiết kế để bảo vệ không phận khỏi mọi mối đe dọa đối với hạm đội.”

Tuyệt mật

Rõ ràng Central Air Data Computer trên F-14 đã phát huy tác dụng. Ba năm trước, nghĩa là 2017, Ray nói chuyện với một sĩ quan Không lực Hoa Kỳ chịu trách nhiệm bảo trì chiếc máy bay gần 50 năm tuổi và phát hiện ra, công nghệ mà Ray, Bill cùng các đồng sự phát triển chưa bao giờ bị thay thế, và vẫn phục vụ trên F-14.

Việc biến một cỗ máy tính toán cơ học thành kỹ thuật số vào năm 1968 rõ ràng là một bước ngoặt lớn, đặc biệt là khi nó được ứng dụng vào một trường hợp yêu cầu độ bền và tính chính xác cao, vận hành được ở độ cao, nhiệt độ, tốc độ và áp lực rất lớn, thứ mà quân đội Mỹ yêu cầu. Và rồi sau đó, Garrett chuyển sang hợp đồng tiếp theo, và trở thành đối tác của rất nhiều cơ quan thuộc chính phủ Mỹ, NASA là một trong số đó.



Sau này, Ray viết một bài tham luận có tên là “Kiến trúc của một chip vi xử lý” để đăng trên tạp chí Computer Design. Nhưng dĩ nhiên, cả Garrett lẫn Hải quân Mỹ đều không muốn bài viết này được đăng tải. Lý do cũng đơn giản: An ninh bảo mật. Rõ ràng sau khi người em trai Bill mất, việc khó nhất của Ray là giữ bí mật về thành quả lao động của hai anh em. Bill mất khi thông tin về Central Air Data Computer vẫn là thông tin tuyệt mật. Điều này đồng nghĩa với việc công sức của Bill cũng bị che phủ trong bóng tối. Ray nói: “Tôi chưa bao giờ có cơ hội khoe khoang về những gì Bill đã làm được và đóng góp.”



Sau dự án Central Air Data Computer, Ray tiếp tục thiết kế những chip vi xử lý khác cho nhiều công ty. Thậm chí đầu những năm 70 ông cùng đối tác còn hợp tác với Intel để hướng dẫn mọi người lập trình và vận hành con chip CPU 4004 và 8008. Ông cũng thiết kế một chiếc máy tính tên là Sym. Bart Everett, người sau này trở thành giám đốc kỹ thuật mảng tự động hóa của Trung tâm Hệ thống Chiến tranh Không gian và Hải quân Thái Bình Dương dùng Sym để trang bị cho hai mẫu robot cảm biến mà ông tạo ra, tên là Robart I và Robart II. Đến thế hệ Robart III, dù không dùng Sym nhưng Ray vẫn ghi nhận chú robot này là “một trong những hệ thống tự động hóa quan trọng nhất thế giới”. Nhờ có Robart III, giờ chúng ta mới có được những robot vận hành mượt mà trơn tru như những sản phẩm của Boston Dynamics.

Một khoảng thời gian ngắn, Ray là phó chủ tịch Honeywell. Ông tham gia cố vấn cho nhiều dự án. Và sau khi nghỉ hưu, ông trở về quê nhà Oklahoma.

Central Air Data Computer có phải chip bán dẫn đầu tiên?

Câu hỏi ấy thiết nghĩ chỉ có lịch sử mới trả lời được công bằng. Nhưng lịch sử khi nào cũng phức tạp. Năm 1998, Ray cuối cùng cũng được Hải quân Mỹ cho phép nói về Central Air Data Computer, rồi tờ The Wall Street Journal viết một bài tên là “Một ‘người cha’ nữa của chip bán dẫn muốn được ngành công nghiệp bán dẫn ghi nhận công lao.”

Những kỹ sư Intel, những người từng được coi là cha đẻ chip bán dẫn nói rằng, Central Air Data Computer cồng kềnh, đắt, và không phải thiết bị đa dụng như CPU như chúng ta sử dụng. Một chuyên gia thì nói rằng nó không phải chip vi xử lý vì quy trình xử lý được chia đều cho nhiều con chip trong cả hệ thống. Một chuyên gia khác, Russell Fish thì nói rằng, “công ty nào có những công nghệ này đều có thể trở thành một ông lớn hệt như Intel. Nó có thể tăng tốc độ nghiên cứu chip bán dẫn trong ngành ít nhất 5 năm.”



Nhiều người khác cũng muốn được coi là cha đẻ của chip vi xử lý, rồi họ lao vào kiện tụng nhau, nhưng chính bản thân định nghĩa chip vi xử lý là gì, họ cũng còn chẳng đồng thuận được.

Fish cho rằng, “những tranh cãi hoàn toàn không thiên về kỹ thuật, mà tuyệt đối thiên về triết luận.” Xét về kỹ thuật, chip Intel 4004 4-bit chỉ có thể “đếm đến 16” (2 mũ 4), còn chip Central Air Data Computer 20-bit thì có thể “đánh giá các biểu thức đa thức bậc 6 đủ nhanh để di chuyển máy bay chiến đấu siêu thanh trong quá trình không chiến.” Rất khó để cãi nhau về kỹ thuật khi so sánh hai món đồ này với nhau.

Fish thừa nhận rằng: “Những gì Ray làm được là vô cùng tuyệt vời, nhất là về thời điểm. Ông ấy đã nghiên cứu được một thứ dẫn trước tất cả những bên khác vài thế hệ, kể cả về thuật toán lẫn tính toán.”

Nhưng nếu giờ này chúng ta đọc một cách cẩn trọng, dễ thấy rằng Intel đã ngầm xác nhận Central Air Data Computer là chip bán dẫn đầu tiên, khi mô tả CPU 4004 của họ như thế này: “Vi xử lý đa dụng thế hệ thứ nhất lập trình được đầu tiên trên thị trường.”



Món đồ mà Ray, Bill cùng cộng sự phát triển được hoàn toàn không phải một món đồ để thương mại hóa mua được ngoài cửa tiệm. Nó phục vụ một chiếc máy bay siêu thanh bay nhanh chậm tùy ý, và bắn tên lửa với sự chính xác chưa từng có trước đó. Nhưng thành tựu này lại chẳng giúp ích được gì cho cuộc chạy đua điện toán của nhân loại.

Và từ đó, thành tựu của con chip bán dẫn đầu tiên mắc kẹt trong một chiếc máy bay có tuổi đời 5 thập kỷ, và được Hải quân Mỹ ngừng sử dụng vào ngày 22/9/2006.

Theo Wired