1969年7月20日，人類第一次登上了月球。這當然不是個能輕松拿下的任務，但是當兩位宇航員離開阿波羅 11 的指揮艙、進入月球著陸器時，恐怕誰都沒想到，他們會在一個4分鐘內(nèi)連續(xù)死機5次的制導電腦的幫助下，成為踏上月面的第一批人類。
1969年7月20日，尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）和巴茲·奧爾德林（Buzz Aldrin）正在距離月球地面上方 110 千米的空間軌道上工作：他們需要將自己乘坐的著陸器從阿波羅 11 號指揮艙中分離出來，向那個地球唯一的衛(wèi)星下降，邁克爾·柯林斯（Michael Collins）則從指揮艙的窗口中目送他們離開。在狹窄的月球著陸器艙內(nèi)，他們可以通過小小的三角形窗戶看到月球的地表，手邊則是設(shè)備控制臺，安放在其中的是接下來那個讓他們名垂青史的行動的控制中樞——阿波羅制導計算機。大部分太空航行中，宇航員都是乘客。航天器能自動導航，將其位置轉(zhuǎn)接到任務控制中心的 IBM 大型機——這種精密的裝置和小型冷庫差不多大，1969 年人們普遍認知里的“計算機”就是這個模樣。當時，航天領(lǐng)域剛剛引入了“微型計算機”，和冰箱差不多大。阿波羅的制導計算機大概就這么大，在指揮艙和著陸器上各有一個。它大約 30 公斤，是人類當時所能設(shè)計出來的最復雜的設(shè)備。阿波羅計算機使用的不是笨重的真空管，而是被稱為芯片的硅薄片。每個芯片包含一對邏輯門，每個門是一個簡單的電子開關(guān)，對三個輸入進行監(jiān)測，如果其中有輸入為“開”，輸出便為“關(guān)”。約 5600 個這樣的原始集成電路按順序排列，組成了計算機“大腦”中的數(shù)字級聯(lián)。它安裝在宇航員身后艙壁上一個硬化金屬容器中，用導線和他們面前的控制臺相連。這些芯片是由加利福尼亞帕洛阿爾托的一個科技初創(chuàng)公司——仙童半導體（Fairchild Semiconductor）設(shè)計的。20 世紀 60 年代初，計算機行業(yè)相對分散，貝爾實驗室、麻省理工學院等研究集團是東海岸的主要力量；仙童半導體則在西海岸異軍突起。在小型化的需求下，仙童的研發(fā)主管戈登·摩爾（Gordon Moore）提出了一個著名的假說，預測集成電路上的元件數(shù)量每年都會增加一倍。NASA率先使用了硅，宇航員身后艙壁上的計算機就是對摩爾定律（Moore's law）的概念性證明。計算機的控制臺連帶著數(shù)字鍵盤，看上去和微波爐很相似，小小的顯示屏從后部投射出詭異的綠光。奧爾德林輸入背下來的兩位數(shù)命令管理這臺設(shè)備，三個小面板會返回五位數(shù)代碼——他接受過解讀這些數(shù)字的訓練。當宇航員開始下降的第一階段時，發(fā)動機點火，計算機將著陸器送入距月面 15.24 千米的橢圓軌道。而后，奧爾德林會輸入一個新程序，將著陸器從當前軌道送入與之相交的月球軌道。接下來的三分鐘，著陸器離月面隕石坑越來越近，到還有 14 千米的時候，阿姆斯特朗旋轉(zhuǎn)飛行器，將著陸雷達對準月球表面，宇航員則面對地球。月球引力是不均勻的，為應對這一情況，宇航員必須再次進行測量：奧爾德林向控制臺輸入了一個命令，想要比較著陸器的計算位置和雷達上的讀數(shù)。得到的反饋是一聲刺耳的警報。奧爾德林匆忙輸入“5-9-enter”的兩位數(shù)代碼，大致可以翻譯成“顯示警報”。控制臺返回了錯誤代碼“1202”。盡管已經(jīng)接受了好幾個月的模擬訓練，奧爾德林還是不知道這個代碼是什么意思。同樣一頭霧水的阿姆斯特朗隨即用無線電聯(lián)系任務控制中心請求解釋。他的聲音中充滿壓力，但是直到后來兩個人才意識到情況到底有多糟糕。在那個關(guān)鍵時刻，在這個像被扔到月球表面的飛鏢一樣的著陸器里，阿波羅制導計算機崩潰了。時間退回幾年前，麻省理工學院儀器實驗室的計算機科學家哈爾·蘭寧（Hal Laning）被邀請設(shè)計登月操作系統(tǒng)。他遇到了從未有過的限制：為節(jié)省時間，阿波羅的操作系統(tǒng)在處理輸入、提供輸出之間不能有明顯的延遲。為完成著陸，系統(tǒng)必須有足夠的彈性，無論發(fā)生人為失誤還是其他錯誤，都要能恢復過來。蘭寧的同事因為這項任務對他肅然起敬。他辦公室在一間放著兩臺大型計算機、占據(jù)了樓層一大半的空調(diào)房隔壁。程序員通過桌面大小的控制面板與計算機進行交互，遇到困難了他們就得穿過大廳和蘭寧討論。計算機代碼不在顯示器上顯示——沒有任何顯示器——而是印在一摞成為“列表”的特大號紙上，程序員用記號筆在上面手寫修改。蘭寧的辦公室被這些列表塞得滿滿的，來討論問題的人連把能坐的椅子都找不到。蘭寧曾為計算設(shè)定過一次范式。20 世紀 50 年代，他開始為麻省理工第一臺數(shù)字計算機編程，當時這項任務剛剛完工。編程需要用到復雜的數(shù)學符號，為減小自己的工作量，蘭寧設(shè)計出一個助手“喬治”（George），它能將高階代數(shù)方程轉(zhuǎn)換為計算機可以理解的語言。這個早期的編譯器演化出了 Fortran 語言，而后者又衍生出了當今使用的大多數(shù)主要計算機編程語言。做阿波羅的項目時，蘭寧又這么做了一次。沒有歷史實例可參考的情況下，他根據(jù)直覺決定給阿波羅操作系統(tǒng)中的每個程序分配一個優(yōu)先級編號。像指導和控制這樣的工作分配的數(shù)字較低，會在后臺持續(xù)運行。它們可以被更高級別的工作打斷，比如來自宇航員的數(shù)據(jù)請求。最后他做出了一個可以在中央處理器上運行的虛擬并行處理器。勾勒出原型機的草圖后，蘭寧回到了自己的辦公室；他的學生查爾斯·蒙茲（Charles Muntz）接手了大部分實際的編程工作。蘭寧方案中的一個問題是，程序中斷太多次可能會堵塞 CPU。蒙茲設(shè)計了一種叫做重啟保護（restart protection）的解決方案。如果發(fā)送給處理器的任務過多，某些受保護的程序?qū)阉鼈兊臄?shù)據(jù)吐入內(nèi)存庫，而后處理器隊列重置，計算機立即重啟，恢復受保護的任務并放棄其余任務。蒙茲的團隊設(shè)計完成后，操作系統(tǒng)會被裝在一臺大型機上，然后被作為指令打印出來，送到附近一臺國防承包商雷聲公司（Raytheon）的設(shè)施中。將代碼轉(zhuǎn)換為機器可讀的二進制編碼，意味著用一種織機將銅線穿過磁芯。大多數(shù)織工都是女性，她們的工作要一點點完成：導線穿過磁芯是 1 ；導線在磁芯外面是 0。一捆做好的導線叫做纜線。包含操作系統(tǒng)信息的所有纜線做完之后，就把它們插入計算機，進行一系列測試。錯誤代碼 1202 表示處理器過載，蘭寧構(gòu)造的計算機范式會被強制重啟。在阿波羅 11 號登月前的幾個月，計算機科學家們故意在模擬中引入了大量重啟，操作系統(tǒng)從未丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)。從阿波羅 11 號指揮艙拍攝的登月艙。圖片來源：NASA可阿姆斯特朗和奧爾德林不知道這些。計算機控制臺上方，有一個寫著“中止”（ABORT）的圓形按鈕，按下這個按鈕航天器就會被分成兩部分，爆炸后上半段將被送回軌道，其余部分則沖入月球。兩位宇航員接受過各種情境下計算機錯誤的訓練，但可能的錯誤代碼有幾十種，他們并沒有全部記住。有些錯誤一個“繼續(xù)”（go）的命令就能覆蓋，有些需要按“中止”。怎么解決得由位于休斯頓的地面指揮中心決定。控制中心聽到阿姆斯特朗緊張地請求解釋的時候，事情像反復排練過的那樣進行下去。飛行指揮吉恩·克蘭茲（Gene Kranz）把決定權(quán)交給制導官史蒂夫·鮑爾斯（Steve Bales），鮑爾斯向任務專家杰克·加曼（Jack Garman）和拉塞爾·拉森（Russell Larson）求助，專家又查閱了加曼手寫的錯誤代碼。而后加曼和拉森共同證實，錯誤代碼 1202 意味著計算機在崩潰之前已經(jīng)保存了著陸器的導航數(shù)據(jù)。“繼續(xù)”命令就能解決問題。但如果計算機再冒出意料之外的問題怎么辦？除了運行著陸器的制導系統(tǒng)，計算機還得協(xié)助阿姆斯特朗進行轉(zhuǎn)向和控制。在一定高度（30.48米）以下，不可能再使用“中止”命令，即便計算機發(fā)生了故障，阿姆斯特朗也將被迫嘗試著陸。他幾乎沒有犯錯的余地。如果是硬著陸，宇航員可能當場遇難；情況稍微好點的話，宇航員沒準能幸存，但會被困在月球上。在這場噩夢般的場景中，控制中心要向阿姆斯特朗和奧爾德林告別，在兩人窒息前切斷通訊，留在指揮艙的邁克爾·柯林斯將獨自返航回地球。終止登月？或者不終止登月，而后向國會解釋兩名宇航員為何遇難？權(quán)衡過后，24 歲的杰克·加曼給出了繼續(xù)的信號，而拉爾森害怕得說不出話，只能豎起大拇指表態(tài)。貝爾斯做出了最后的決定。直到最近他才透露：“那是個調(diào)試警報，飛行時永遠也不該出現(xiàn)。”貝爾斯面前有個顯示器，衡量計算機各項重要指標的的數(shù)字看起來沒受影響。“繼續(xù)。”他指揮道。休斯頓把這個決定傳達給阿姆斯特朗的時候，時間已經(jīng)過去了 30 秒。阿姆斯特朗重新開始評估路線。此前，阿波羅 10 號已經(jīng)對著陸區(qū)域進行了偵察，這些照片阿姆斯特朗已經(jīng)研究了很長時間，把地標都刻進了腦海里。在這之前他發(fā)現(xiàn)飛行軌跡有點長，但在他真正做出反應之前，奧爾德林向計算機查詢了高度數(shù)據(jù)。和上次一樣，他得到的是一聲警報，電腦又死機了。回到麻省理工，一個通過開放線路連接到控制中心的對講機周圍，圍了好幾十人。其中包括 26 歲的唐·埃爾斯（Don Eyles），著陸器最終降落的軟件是他和同事艾倫·克倫普（Allan Klumpp）一起編寫的。第一次重啟讓埃爾斯吃了一驚，第二次則讓他嚇壞了。這不是僅僅一個小故障，而是一串小故障，他擔心任務控制中心沒有完全意識到事情的嚴重后果。這一階段的制導程序占用了計算機處理能力的 87% 左右。奧爾德林的請求又占了大約 3%。中間某段一個不知名的程序占用了剩下的 10%，再多一點，處理隊列就會超載，引發(fā)強制重啟。下一階段著陸占用的處理能力會更多，那時即使沒有奧爾德林的輸入，計算機也會死機。埃爾斯在回憶錄中寫道：“有些可怕的東西在計算機中運行著，我們不知道它是什么，也不知道下一步會引發(fā)什么。”控制中心發(fā)布第二道命令的時候，埃爾斯和同事面面相覷。埃爾斯沒在指揮隊伍里，但他比休斯頓的任何一個人都了解這臺計算機的工作方式。它很可能會再次重啟，阿姆斯特朗和奧爾德林離月球表面越近，問題就越嚴重。埃爾斯那時到底推斷出了什么，可能他未來幾年內(nèi)也不會公開披露；對他而言，這種情況的解決方法不是“繼續(xù)”，而是“中止”。1969 年的登月任務中，奧爾德林在登月艙。圖片來源：NASA
接下來的 3 分鐘，著陸器下降了大概 6 千米。掃描過月球荒涼的表面后，阿姆斯特朗開始繪制月球上平原的特征。計算機自動進入下一階段的降落——它再次重啟，任務中心又給出了“繼續(xù)”的指令。但是，距離月球表面不足 610 米的時候，最嚴重的死機發(fā)生了。警報響起，著陸器的讀數(shù)失靈了。將近 10 秒鐘，控制臺沒有任何顯示——沒有高度數(shù)據(jù)，沒有錯誤代碼，只有三塊空白。阿姆斯特朗的心跳加速到每分鐘 150 次，和剛剛完成一次加速沖刺一樣。所幸控制臺最后終于正常了。控制中心確認：又是 1202 錯誤。阿姆斯特朗后來說：“我從沒想過控制臺能恢復。”警報消除，但幾秒之后又出現(xiàn)了一次重啟，示數(shù)再次消失，這最后一次事故發(fā)生在距月面約 244 米的地方。這四分鐘內(nèi)總共發(fā)生了五次事故，而休斯頓的命令是繼續(xù)下降。地面指揮員把信心寄托在艙壁的匣子里。貝爾斯告訴我：“‘中止’指令也沒那么安全，高度越低，越不安全。我一直有種想法沒說出來，在 305 米以下不管多高，阿姆斯特朗會自己采取行動。”控制中心靜悄悄的；他們已經(jīng)不能再給出有用的建議了。依照程序，阿姆斯特朗接管了部分控制權(quán)。這一操作減少了計算機的處理負荷，結(jié)束了錯誤，但注意力的分散使得阿姆斯特朗超出了指定的降落范圍好幾英里。先前用來熟悉阿波羅 10 號拍下來的照片的那么多時間都被浪費了。阿姆斯特朗現(xiàn)在可以依靠的只有自己的眼睛。阿姆斯特朗駕駛著陸器大致沿月面平行飛行，飛過一個大隕石坑和一塊不合適的碎石地，找到了一塊平坦的、充滿灰塵的區(qū)域。奧爾德林近向計算機查詢了能對最后幾秒的著陸進行導航的數(shù)據(jù)，而且不知道它會不會再次變成空白。計算機最后一次重啟后僅 40 秒，阿姆斯特朗減小了著陸器的前進動力，而后旋轉(zhuǎn)支架對準月球表面。發(fā)動機揚起了一團阻礙視線的塵埃，奧爾德林大聲報出控制臺不斷涌出的數(shù)字。由于幾乎沒有多余燃料，著陸器十分緩慢地降落到了月球表面。揚起的塵埃懸浮在陽光下，直到月球的微弱重力將它們拉回地表。地球上，計算機科學家們爭先恐后地想要弄清楚處理器過載的原因。奧爾德林和阿姆斯特朗正在月球上行走，但如果計算機一直死機，他們就很難回地球了。如果不想讓宇航員在進入登月艙后爆炸，他們還有 13 個小時。在還剩兩三個小時的時候，麻省理工學院的團隊找到了錯誤的來源。由于預感到可能會出現(xiàn)“中止”，奧爾德林一直讓登陸器的交會雷達保持開啟狀態(tài)。這一系統(tǒng)指向上級設(shè)備，允許計算機跟蹤指令艙中的柯林斯。在降落過程中，交會雷達的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到了錯誤的位置。通常這不會引起問題，但由于設(shè)計缺陷，系統(tǒng)每過一陣就會向計算機發(fā)送大量不必要的請求。這是最糟糕的一種錯誤：不穩(wěn)定，具有微妙的危險性，而又難以復現(xiàn)。阿波羅 11 號的交會雷達系統(tǒng)觸發(fā)了這一罕見的錯誤，在著陸過程中最艱難的部分，13％ 的計算機資源都被這根指向太空的天線偷走了。幸運的是，程序員認為這些零散的請求是可以舍棄的，每次重啟，它們都會被暫時拒絕。相反，計算機能集中處理導航、制導、控制等關(guān)鍵任務。阿波羅計算機的程序員已經(jīng)確定，這些事是所有程序中最重要的，甚至比運行顯示器的軟件還重要。計算機在清空寄存器時，會試圖保留導航數(shù)據(jù)，指導航天器接下來去哪。蘭寧和蒙茲設(shè)計的范式交織地密密實實，挽救了登陸過程。根據(jù)控制中心的命令，離開月球之前，阿姆斯特朗和奧爾德林將交會雷達的旋鈕轉(zhuǎn)到正確的位置，并切斷了它的電源。完成這一粗略的修復之后，在一聲炸響中他們被發(fā)射到了月球軌道，留下了空著的下半部分著陸器，還掀翻了之前插在月球表面的美國國旗。他們與柯林斯匯合的三天后，阿波羅 11 號掉落進了太平洋。接下來，等待他們的就成了榮耀。柯林斯在回憶錄中承認任務有多危險。當自己看著阿姆斯特朗和奧爾德林準備從月面返回的時候，他這樣寫到：“如果他們不能從月面飛起來，或者又撞回月面，我承認我不會自殺。我還是會回來，但我知道自己會在議論中活一輩子。”征服了太空飛行的哈爾·蘭寧退居幕后，轉(zhuǎn)而涉足 3D 建模領(lǐng)域。阿波羅號應用之后，他設(shè)計的操作系統(tǒng)又用到了美國海軍的 F-8 戰(zhàn)斗機上，證明計算機制導飛行控制是可行的。戈登·摩爾在觀察到了阿波羅號對微型硅芯片的無限需求后，離開了仙童，與人聯(lián)合創(chuàng)辦了英特爾（Intel）。1971 年，《電子新聞》（Electronic News）的記者唐·赫弗勒（Don Hoefler）調(diào)查了在仙童之后如雨后春筍般涌現(xiàn)出的數(shù)十家灣區(qū)公司，并寫成了一系列文章。它們的標題是“美國硅谷”（Silicon Valley）。最后還有唐·埃爾斯——要不是因為沒有得到允許，他肯定會放棄這個任務。在沉淀了 50 年之后，我終于在今年 4 月份趕著見到了他。任務控制中心的指令是否正確？他說：“我認為，在麻省理工，我們的計算機缺點東西，某些未知的東西嚴重影響了我們的軟件。也沒準是我們知道的太多了！控制中心的人只能從外部進行判斷。某種程度上這對他們更容易，我覺得他們的指令下對了。”他停頓了一會。“無論如何，降落任務完成了，所以他們做的肯定沒錯。”接著埃爾斯指出了另一個事實：“這是人類第一次駕駛由電腦控制的飛行器。”在降落的最關(guān)鍵階段，計算機在 4 分鐘內(nèi)經(jīng)歷了 5 次意外重啟，但它的運行穩(wěn)定性比程序員預想的要好。阿波羅宇宙飛船又承擔了六次任務，但公眾的興趣逐漸減弱。在也許阿波羅登月計劃的真正遺產(chǎn)不是刻在月塵中，而是刻在硅芯片上。奧爾德林和阿姆斯特朗獲得了榮耀，但在著陸器艙壁后的一個金屬盒子里，保存著現(xiàn)代世界的藍圖。原文鏈接：
https://www.wired.com/story/apollo-11-mission-out-of-control/
文章來源：科研圈
IEEE Spectrum
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