Biến phòng trống thành “siêu máy tính” đèn điện tử Liên Xô: dự án retro độc lạ của một người nghỉ hưu ở Anh

Trong khi phần lớn người yêu công nghệ cổ điển chỉ dừng ở máy chơi game cũ hay PC thập niên 1980, một người đàn ông nghỉ hưu tại Anh, được biết đến với tên Mike, đã đi xa hơn rất nhiều: tự chế tạo một máy tính dùng đèn điện tử chân không từ các linh kiện Liên Xô cũ khoảng 75 năm tuổi. Dự án được ông chia sẻ trên website cá nhân và trang Hackaday, nhanh chóng thu hút sự chú ý của cộng đồng phần cứng retro.

Trái tim của hệ thống là 460 bóng đèn điện tử 6N3P tái chế, một loại bóng chân không từng khá phổ biến trong thời kỳ Liên Xô nên hiện vẫn có thể tìm mua trực tuyến với giá không quá cao. Đèn điện tử chân không là công nghệ tiền bán dẫn, hoạt động bằng cách nung nóng để giải phóng electron và điều khiển dòng điện. Mỗi bóng 6N3P thực chất chứa hai triode nhiệt điện tử, tức linh kiện ba cực dùng hiện tượng phát xạ nhiệt để khuếch đại hoặc chuyển mạch tín hiệu. Tổng cộng, cỗ máy của Mike sở hữu 920 triode. Tuy nhiên, vì nhiều bóng đã qua sử dụng rồi bị cất kho hơn nửa thế kỷ, tuổi thọ thực tế rất khó đoán. Mike cho biết bóng mới thường chỉ được kỳ vọng khoảng 500 giờ hoạt động, trong khi các sai lệch sản xuất thời Liên Xô khiến từng linh kiện có hành vi không hoàn toàn giống nhau.

Một trong những thách thức lớn nhất của dự án là sự khác biệt giữa mô phỏng và thực tế. Theo Mike, các giá trị linh kiện tính toán trên lý thuyết nhiều khi không cho ra kết quả đúng như mong đợi khi áp dụng vào các bóng đèn đã cũ. Vì vậy, ông phải tự chế một “test rig”, tức giàn thử nghiệm chuyên dụng, để kiểm tra nhiều cấu hình linh kiện khác nhau và tìm ra khoảng giá trị hoạt động ổn định trong đa số trường hợp. Đây là kiểu công việc đòi hỏi kiến thức sâu về phần cứng analog, tức điện tử tương tự, nơi tín hiệu thay đổi liên tục chứ không chỉ có hai trạng thái 0 và 1 như logic số hiện đại.

Toàn bộ hệ thống được lắp trên 46 bảng mạch PCB, mỗi bảng chứa 10 bóng, rồi kết nối vào 5 bảng backplane. PCB là bảng mạch in, nền tảng vật lý để gắn và nối các linh kiện điện tử; còn backplane có thể hiểu là bảng mạch xương sống, đóng vai trò liên kết nhiều module với nhau trong một hệ thống lớn. Mike cũng trang bị cho máy một bảng điều khiển trung tâm, dù chính ông thừa nhận nó “quá đơn giản” và cần thiết kế lại hoàn toàn để xử lý tốt hơn sự dao động mức logic của hệ thống. Mức logic là các ngưỡng điện áp đại diện cho 0 và 1; với phần cứng đèn điện tử cũ, những ngưỡng này có thể kém ổn định hơn nhiều so với chip hiện đại.

Không giống máy tính ngày nay bật là chạy, hệ thống của Mike cần từ 10 đến 15 phút để ổn định sau khi cấp điện. Trong thời gian đó, hàng trăm bóng đèn nóng dần lên, biến căn phòng thành một không gian “ấm áp và dễ chịu” đúng nghĩa. Vì các bóng khởi động ở trạng thái ngẫu nhiên, máy phải được reset mỗi lần bật nguồn trước khi bắt đầu tính toán. Đây là đặc trưng quen thuộc của những hệ thống điện tử đời đầu, nơi nhiệt độ và trạng thái vật lý của linh kiện ảnh hưởng trực tiếp đến hành vi của toàn bộ máy.

Về mặt logic, cỗ máy được xây dựng hoàn toàn từ cổng NOR, một loại cổng logic cho kết quả đúng chỉ khi mọi đầu vào đều sai. NOR được xem là “cổng phổ dụng”, nghĩa là có thể ghép lại để tạo ra mọi chức năng logic khác. Mike cho biết cách tiếp cận này tương tự máy tính dẫn đường Apollo, hệ thống từng hỗ trợ các sứ mệnh đưa con người lên Mặt Trăng. Nhờ đó, thiết kế của ông gọn hơn một số máy tính đèn điện tử cổ điển khác. Hệ thống có thể thực hiện phép toán 16-bit, tức xử lý dữ liệu theo từ dài 16 bit, cùng nhiều tác vụ khác dựa trên tập lệnh 16 chỉ thị và thanh ghi lệnh 4-bit. Thanh ghi lệnh là vùng lưu tạm mã lệnh mà bộ xử lý đang chuẩn bị thực thi.

Hiện tại, Mike đã cấu hình máy để xuất ra dãy Fibonacci 64-bit, một chuỗi số nổi tiếng trong toán học mà mỗi số bằng tổng của hai số đứng trước. Nhưng tham vọng thú vị hơn nằm ở một dự án mô phỏng bay đơn giản dành cho các cháu của ông và cả những ai còn giữ niềm háo hức trẻ thơ với công nghệ. Khi hoàn thiện hệ thống I/O, tức đầu vào/đầu ra giúp máy giao tiếp với thiết bị bên ngoài, cỗ máy sẽ điều khiển một phần mềm mô phỏng tàu khí cầu R80. Theo kịch bản Mike xây dựng, người dùng sẽ điều khiển một khí cầu Anh thập niên 1920 từ Brighton bay sang Paris bằng cách nhấn vào các điều khiển trên hình ảnh buồng lái, bao gồm dằn tải, xả khí, công suất động cơ, bánh lái và thiết bị neo mũi.

Điểm đặc biệt là hệ thống gần như không có đầu ra đồ họa hiện đại. Thay vào đó, tín hiệu nhị phân từ máy tính được dùng để điều khiển trực tiếp một màn hình cơ khí từng phục vụ như đồng hồ tại một ga tàu của British Rail. Cách hiển thị này khiến dự án mang dáng dấp của một tác phẩm trình diễn kỹ thuật hơn là một chiếc máy tính thông thường. Người xem không chỉ thấy kết quả tính toán, mà còn quan sát được cách bản thân cỗ máy “biểu diễn” quá trình xử lý ở mức nền tảng nhất.

Mike gọi sự say mê với máy tính đèn điện tử là một “cơn nghiện”, và đây đã là hệ thống thứ ba ông chế tạo kể từ khi hoàn thành chiếc đầu tiên vào năm 2021. Ông nói mục tiêu của The Tube Computer là cho phép người xem thấy máy tính vận hành ở cấp độ cơ bản nhất của điện toán. Dù vậy, yếu tố an toàn luôn được đặt lên hàng đầu: nhiệt lượng tỏa ra lớn đến mức có thể ngửi thấy máy đang chạy, nên bình chữa cháy luôn được đặt sẵn bên cạnh. Theo Mike, cỗ máy hiện tại vẫn “ngoan” hơn một hệ thống trước đó từng phát nổ hai lần. Việc tinh chỉnh định kỳ cũng không hề đơn giản, bởi máy được treo trên tường với kích thước lớn, buộc ông phải dùng cả tua vít chỉnh nhỏ lẫn một chiếc thang cao để bảo trì.

Trong bối cảnh công nghệ hiện đại xoay quanh AI, điện toán đám mây và chip bán dẫn tiên tiến, dự án của Mike là lời nhắc sống động rằng lịch sử điện toán từng được xây từ những linh kiện nóng, cồng kềnh và khó chiều hơn nhiều. Chính sự chậm chạp, thủ công và đôi khi khó lường ấy lại tạo nên sức hấp dẫn đặc biệt cho cộng đồng retro computing, tức những người theo đuổi việc bảo tồn, tái tạo và khám phá lại các hệ thống máy tính cổ. Với Mike, đây không chỉ là một cỗ máy hoạt động được, mà còn là cách biến lịch sử công nghệ thành thứ có thể nhìn thấy, nghe thấy và thậm chí cảm nhận bằng hơi ấm trong căn phòng.