👨🏼‍💼 🖇️ 👞 PCB de la fusée Saturn-5 - reverse engineering avec explications 🧗🏽 🥁 💛

Traduction d'un article du blog de Ken Shirrif

Dans les missions lunaires d'Apollo, la fusée Saturn-5 était contrôlée par un ordinateur de bord avancé développé par IBM. Le système a été assemblé à partir de modules hybrides, similaires aux circuits intégrés, mais contenant des composants séparés. J'ai effectué le développement inverse de la carte de circuit imprimé à partir de ce système et compris son objectif: dans le module d'entrée / sortie de l'ordinateur, cette carte a sélectionné la source de données souhaitée.

Lorsque cette carte avec Saturn-5 m'est venue, elle était partiellement démontée et manquait de puces.

Dans cet article, je vais expliquer comment la carte fonctionnait - des minuscules cristaux de silicium à l'intérieur des modules hybrides à la carte de circuit imprimé et sa connexion à la fusée. Le premier à l' étudierFran Planch à Apollo Saturn V LVDC. Une vidéo a été réalisée à son sujet sur le blog EEVblog . Maintenant c'est mon tour.

Booster Digital Launch Computer (LVDC) et Booster Data Adapter (LVDA)

Lunar RaceCela a commencé le 25 mai 1961, lorsque le président Kennedy a annoncé que les États-Unis enverraient un homme sur la Lune avant la fin de la décennie. trad.]. La mission a nécessité une fusée Saturn-5 à trois étages, la plus puissante de toutes à l'époque. La fusée a été dirigée et contrôlée par l'ordinateur de lancement numérique du Launch Vehicle Digital Computer (LVDC), qui l'a mise en orbite autour de la Terre, puis dans la trajectoire vers la Lune. À une époque où la plupart des ordinateurs allaient d'un réfrigérateur à une pièce, le LVDC était très compact et ne pesait que 40 kg environ. Son inconvénient était une très faible vitesse - il n'exécutait que 12 000 instructions par seconde.

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LVDC . – ACME ( ). .

LVDC a travaillé en collaboration avec le Launch Vehicle Data Adapter (LVDA), qui a fourni des entrées / sorties pour l'ordinateur. Toutes les communications entre l'ordinateur et la fusée sont passées par LVDA, qui a converti les signaux analogiques de la fusée et les signaux de commande 28 V en données binaires série requises par l'ordinateur. LVDA avait des tampons (sur les lignes à retard en verre ) et des registres de contrôle pour ses diverses fonctions. LVDA avait des convertisseurs analogique-numérique pour lire les données d'un module inertiel avec ses gyroscopes et des convertisseurs numérique-analogique pour fournir des signaux de commande aux missiles. Il a également traité les signaux de télémétrie envoyés à la Terre et a reçu des commandes de la Terre destinées à l'ordinateur. Enfin, LVDC était alimenté par la commutation d'alimentations avec redondance de LVDA.

Le LVDA de Saturne 5 était une boîte de 80 livres fournissant une entrée / sortie LVDA. Il avait 21 connecteurs ronds pour les câbles vers d'autres parties de la fusée.

Depuis LVDA avait tant de fonctions différentes, il était presque deux fois plus grand que LVDC. Ci-dessous, un schéma de tous les schémas compressés en 80 kg LVDA. Il est divisé en 2 sections remplies de cartes de circuits imprimés, ou «pages»: la section logique avant et la section logique arrière (la carte de la section avant est tombée entre mes mains). Les filtres et les alimentations étaient dans la section centrale. Le liquide de refroidissement à base de méthanol a été pompé à travers les canaux LVDA. LVDA était connecté au LVDC et à d'autres parties de la fusée via 21 connecteurs ronds.

LVDA Schéma de travail détaillé

Logique du transistor à diode

Les portes logiques peuvent être créées de plusieurs façons. Pour LVDC et LVDA, ils ont utilisé une technologie telle que la " logique diode-transistor " (DTL), qui permet de réaliser une grille de diodes et un transistor. Il s'agissait d'une technologie plus avancée que la logique résistance-transistor (RTL) utilisée sur l'ordinateur de commande embarqué d'Apollo, mais elle était inférieure à la logique transistor-transistor (TTL), qui est devenue très populaire dans les années 1970.

La porte logique standard dans LVDC était AND-OR-INVERT (AOI), qui implémente une fonction logique telle que (A • B + C • D) ». Il est appelé ainsi car il applique la fonction logique ET à l'ensemble de données d'entrée, puis OU, puis modifie le résultat à l'inverse. La vanne AOI était fonctionnelle, car il était possible d'en former des éléments avec un nombre d'entrées différent, par exemple, (A • B + C • D • E + F • G • H) ». Et bien que la valve AOI puisse vous sembler compliquée, il n'a fallu qu'un seul transistor pour la mettre en œuvre, ce qui était important à une époque où vous deviez économiser sur leur quantité.

Pour comprendre le fonctionnement de la vanne, reportez-vous au schéma suivant. Il montre une vanne AOI avec quatre entrées et deux membres ET. Le premier est responsable des entrées A et B, dont la valeur est actuellement 1 (haute tension). Une résistance de rappel tire vers le haut la valeur ET (rouge, 1). Dans la porte ET inférieure, l'entrée C est 0, donc le courant passe par l'entrée C, tirant la valeur ET vers le bas (bleu, 0). De cette façon, des diodes et une résistance de rappel mettent en œuvre la porte ET. Voyons maintenant l'étape OR. Le courant du haut ET (rouge) fait monter le OU (1). Enfin, ce courant active le transistor, tirant la sortie vers le bas (bleu, 0) et procurant une inversion. Si les deux étapes AND sont à 0, alors l'étape OR ne sera pas relevée. Au lieu de cela, une résistance de pull-up tirera la valeur OU vers le bas (0), éteignant le transistor,en conséquence, la sortie sera tirée vers le haut (1).

Une porte AOI peut être constituée de plusieurs résistances ou diodes, fournissant autant d'entrées que nécessaire. On pourrait s'attendre à ce que cette vanne soit implémentée sur une seule puce, cependant, LVDC a utilisé plusieurs puces pour chaque vanne. Différentes puces ont différentes combinaisons de diodes, résistances et transistors, connectées de manière flexible pour former les portes logiques nécessaires.

Dispositifs logiques modulaires

LVDC et LVDA sont créés en utilisant une technologie hybride intéressante appelée Unit Logic Devices (ULD). Bien qu'ils ressemblent à des circuits intégrés, les modules ULD contiennent plusieurs composants. Ils utilisaient de simples cristaux de silicium, dont chacun ne vendait qu'un transistor ou deux diodes. Ces cristaux, ainsi que des résistances à couches épaisses, ont été montés sur un substrat en céramique d'une superficie de 2 cm2. Ces modules étaient une variante de la technologie Solid Logic (SLT) utilisée dans les ordinateurs IBM S / 360 populaires. IBM a commencé à développer des modules SLT en 1961, avant que les circuits intégrés ne soient commercialement viables, et en 1966, il produisait 100 millions de modules SLT par an.

Les modules ULD étaient nettement plus petits que les modules SLT, comme on le voit sur la photo, et étaient donc mieux adaptés à un ordinateur spatial compact. Les modules ULD utilisaient des sacs plats en céramique au lieu de canettes métalliques SLT et avaient des contacts métalliques sur le dessus au lieu de broches. Les clips sur les circuits imprimés maintenaient les modules ULD et étaient connectés à ces broches. LVDC et LVDA ont utilisé plus de 50 types différents de ULD.

À droite se trouvent les modules ULD, nettement plus petits que les modules SLT ou les circuits intégrés DIP plus modernes (à gauche). Le module SLT mesurait 13 mm de long, le module ULD mesurait 8 mm et était beaucoup plus mince.

Le module ULD contenait jusqu'à quatre minuscules cristaux de silicium carrés. Chacun d'eux a vendu soit deux diodes, soit un transistor. La photo ci-dessous montre les composants internes du module, à côté du module intact. Sur la gauche, les chemins du circuit sur un substrat en céramique sont visibles, connectés à quatre minuscules cristaux carrés de silicium. Il ressemble à une carte de circuit imprimé, mais gardez à l'esprit que l'appareil est en réalité beaucoup plus petit qu'un clou. Des résistances à couche épaisse ont été imprimées au bas du module, elles ne sont donc pas visibles.

Le type ULD INV est ouvert de sorte que quatre cristaux de silicium sont visibles. Le supérieur droit est un transistor, les trois autres sont des doubles diodes. Le module était protégé par du silicone rose.

La photo microscopique ci-dessous montre un cristal de silicium du module ULD qui implémente deux diodes. Le cristal est très petit - les grains de sucre sont montrés sur la photo pour l'échelle. Le cristal a trois contacts externes - des billes de cuivre soudées à trois cercles. Des impuretés (zones sombres) ont été ajoutées aux deux cercles inférieurs pour former les anodes des deux diodes, et le cercle supérieur était une cathode connectée au substrat. Notez que ce cristal est beaucoup plus simple que même le circuit intégré le plus simple.

Photo composite d'un cristal de silicium à diode à côté de grains de sucre

Le diagramme suivant montre un diagramme à l'intérieur d'un module INV. Le côté gauche forme une porte AOI avec une entrée. Une vanne à entrée unique peut sembler inutile, cependant, des entrées supplémentaires ET peuvent être connectées à la jambe 1, et des vannes OU supplémentaires peuvent être connectées à la jambe 3. Le côté droit forme des composants qui peuvent être utilisés comme entrées supplémentaires.

Circuit du module onduleur

La carte utilise également des modules de porte ET (types AA et AB). Notez que ce ne sont pas des portes indépendantes, mais seulement des composants qui peuvent être connectés à la puce INV pour fournir plus d'entrées ET et OU. Ces modules sont connectés de manière flexible, de différentes manières, il n'y a pas d'entrées et de sorties spéciales. Une option courante consiste à utiliser la moitié de la puce AA comme porte ET avec trois entrées. Une partie de la puce AB peut, si nécessaire, fournir deux entrées supplémentaires.

Schéma des portes ET des types AA et AB

La photo ci-dessous montre des semi-conducteurs (doubles diodes) à l'intérieur de la valve AA. Vous pouvez faire correspondre les composants avec le circuit ci-dessus; Les plus intéressants sont les contacts 1 et 5. A noter que la numérotation des contacts ne coïncide pas avec le circuit standard du CI.

AA type ULD ouvert pour révéler quatre cristaux de silicium. Ce sont des diodes doubles avec des cathodes connectées.

Schéma du circuit PCB

Pour comprendre les fonctions de la carte, j'ai passé le travail fastidieux de sonner avec un multimètre toutes les connexions entre les puces pour dessiner un schéma de câblage. Cependant, peu de temps après, nous sommes entrés dans les mains des instructions LVDA avec tous les schémas, c'est pourquoi mes tentatives de rétro-ingénierie étaient redondantes. La carte forme un multiplexeur à 7 entrées, sélectionne l'une des 7 entrées et enregistre la valeur reçue dans un déclencheur . Et pour la technologie des années 1960, une action aussi simple a nécessité la création d'une carte entière avec plusieurs puces.

Le schéma ci-dessous montre un schéma simplifié de la carte. Sur la gauche, la carte a 7 entrées; six d'entre eux sont des signaux 28 V qui doivent être mis en mémoire tampon pour recevoir des signaux logiques, et le septième est un signal logique 6 V. Un courant est appliqué à l'une des sept lignes pour sélectionner l'entrée correspondante, puis les données sont stockées dans le déclencheur. Lorsqu'un courant est appliqué à «réinitialiser le multiplexeur» et à «l'adresse du multiplexeur», le déclencheur est réinitialisé.

Fonctionnement simplifié de la carte de circuit imprimé Carte de circuit imprimé complète. Les rectangles désignent des éléments logiques. NU indique des entrées inutilisées - il y a des pistes sur la carte, mais la puce n'est pas connectée.

Bien que de nombreuses portes logiques soient dessinées sur le diagramme, tout est mis en œuvre avec seulement deux portes AOI. Les valves jaunes forment une grande valve AOI, et les bleues forment la seconde. Deux OR jaunes fusionnent en un. Deux portes sont implémentées sur huit puces - deux puces INV, quatre AA et deux AB. Cela démontre la flexibilité et l'extensibilité du modèle logique AOI, ainsi que l'utilisation d'un grand nombre de puces par le circuit. Dans tout le circuit, seuls deux transistors sont utilisés - presque toute la logique est mise en œuvre sur des diodes.

Schéma de tampon

Sur les 26 puces de la carte, 18 étaient analogiques et s'occupaient de la mise en mémoire tampon et du traitement des signaux d'entrée. Les signaux ont été envoyés à l'entrée 28 V, et la logique a nécessité 6 V. Chaque entrée (sauf le n ° 7) a traversé un "circuit d'interface discrète" (DIA), qui a transformé l'entrée en un signal logique. Le schéma suivant montre un circuit assemblé à partir des puces 321, 322 et 323 (pour la plupart des puces sur la carte, les désignations sont en code alphabétique, comme INV, DLD et ED; cependant, pour les puces analogiques, les désignations sont numériques et, apparemment, seulement les trois derniers chiffres du numéro de pièce de rechange). La photo montre le contenu de chacune des puces. Étant donné que la puce 321 se compose uniquement de résistances (en bas), elle semble vide par le haut. La puce 322 se compose d'une diode et la puce 323 se compose de deux transistors (il n'y a pas de cristaux sur la photo 323; ce sont les mêmes petits carrés que sur la 322).

Circuit d'entrée discret de type A (DIA). Le schéma de connexion 322 donné a une erreur - deux contacts n ° 5.

Le schéma suivant donne la structure générale de la carte. Les huit puces logiques du milieu sont entourées de vert. Chacun des six tampons d'entrée se compose de trois puces (321, 322 et 323). Le chemin du signal qui les traverse est indiqué par des flèches bleues. Il y a 35 emplacements pour les puces sur la carte et 26 sont utilisés.Si vous placez des puces supplémentaires dans des endroits libres, la même planche peut être utilisée à d'autres fins.

Rôle du conseil d'administration dans LVDA

Cette carte faisait partie d'un multiplexeur du sous-système LVDA appelé «System Data Sampler», qui sélectionne les signaux et les envoie à un ordinateur ou à la Terre pour la télémétrie. SDS se compose d'un multiplexeur qui sélectionne l'un des huit signaux et d'un sélecteur de sérialiseur qui convertit les données 14 bits en une forme série. Le multiplexeur dispose de plusieurs sources de données - l'ordinateur au sol RCA-110, qui avant le lancement était connecté à la fusée; «Dispositif de réception des commandes», qui a reçu des commandes informatiques du sol après le lancement d'une fusée; retour d'information du "sélecteur", un ensemble de relais que l'ordinateur utilisait pour contrôler la fusée; télémétrie à partir du système d'acquisition de données numériques (DDAS) et données en temps réel.

Physiquement, bon nombre de ces sources de données étaient de grandes boîtes situées dans un module d'outils. Par exemple, le «distributeur de contrôle» était un boîtier de 17 kg monté à côté du LVDA et relié à celui-ci par un câble épais. Les signaux reçus du «décodeur de commande», une boîte de 4 kg connectée à d'autres boîtes impliquées dans la réception et la transmission de signaux radio, ont été entrés dans le «dispositif récepteur de commande» LVDA. Étant donné que le LVDA était connecté par câbles à de nombreux dispositifs de modules d'instruments différents, il nécessitait 21 connecteurs.

Où se trouvaient le module d'instruments LVDA, LVDC, décodeur de commande et distributeur de commande.

Structure physique du conseil

Les planches en LVDA et LVDC ont utilisé des techniques de fabrication intéressantes pour résister aux grandes accélérations et vibrations de la fusée, ainsi que pour refroidir les éléments. La planche qui est tombée dans mes mains a été endommagée, elle n'avait pas d'attaches, mais la photo ci-dessous montre un module entier appelé la «page». Le cadre de page est fait d'un alliage de magnésium et de lithium - un matériau durable et léger qui conduit bien la chaleur. La chaleur de la carte est passée à travers le châssis vers les châssis LVDA et LVDC, qui a été refroidi par du méthanol liquide à travers les canaux percés dans le châssis.

Page avec un cadre en métal.

Chaque page peut accueillir deux cartes de circuits imprimés, recto et verso. Une carte de circuit imprimé a 12 couches - beaucoup pour les années 1960 (même dans les années 1970, il y avait généralement 2 couches sur les cartes de circuits imprimés commerciales). La page a un connecteur pour 98 contacts - 49 pour chacune des cartes. Les planches sont reliées par 30 pieds traversants, en haut des planches. Il y a également 18 contacts de test en haut de chaque carte - ils ont permis de vérifier les cartes lorsqu'elles étaient déjà installées. IBM a ensuite réutilisé cette conception avec des «pages» dans les ordinateurs aérospatiaux System / 4 Pi.

Le tableau qui m'est venu a été arraché de l'autre côté de la page avec force. La photo suivante montre son inverse. Les contacts traversants sont visibles en haut - ils doivent être connectés à une autre carte. Ci-dessous sont visibles 49 contacts de la carte manquante. Une partie de l'isolation est retirée de la carte et 12 vias sont visibles pour chaque module ULD en place. Grâce à eux, le contact de la puce peut être connecté à n'importe laquelle des 12 couches de la carte de circuit imprimé.

Conclusion

Cette petite carte de circuit imprimé illustre plusieurs choses liées aux ordinateurs des années 1960.

La carte n'utilise pas de circuits intégrés, qui ne sont apparus qu'à cette époque, mais la technologie des modules hybrides. Bien qu'il puisse sembler rétrograde, il est devenu la clé du succès de la gamme IBM System / 360. Il a été introduit il y a 56 ans (7 avril 1964) et utilisait des modules SLT hybrides avec logique AOI. Ces ordinateurs dominent le marché depuis de nombreuses années et l'architecture System / 360 est toujours prise en charge sur les mainframes IBM.

LVDC et LVDA ont également servi à créer la gamme d'ordinateurs aérospatiaux IBM System / 4 introduite en 1967. Ces ordinateurs utilisaient également les mêmes «pages» et connecteurs que cette carte, bien qu'ils aient abandonné les modules ULD au profit des circuits intégrés plats TTL. La ligne System / 4 Pi a ensuite évolué vers les ordinateurs de la navette spatiale AP-101S.

Enfin, le tableau montre à quel point la technologie s'est améliorée depuis les années 1960. Chaque module ULD contenait jusqu'à 4 transistors, donc même pour un circuit aussi simple qu'un multiplexeur, il était nécessaire de faire une carte entière de modules. Le processeur iPhone d'aujourd'hui contient plus de 8 milliards de transistors. Étonnamment, une telle technologie primitive a pu amener la fusée sur la lune.

PCB de la fusée Saturn-5 - reverse engineering avec explications