จำลอง CADC ของ F‑14 Tomcat บน FPGA พร้อมโมเดล 3D พิมพ์

Lead: นักพัฒนาอิเล็กทรอนิกส์ Alan Taylor ได้ทำการจำลอง Central Air Data Computer (CADC) ของเครื่องบินรบ F‑14 Tomcat ลงบน FPGA และทดสอบด้วยแบบจำลอง 3 มิติที่พิมพ์จากไฟฟ้า การทำเช่นนี้ช่วยให้ผู้สนใจระบบฝังตัวได้เห็นวิธีการทำงานของ MP944 ชิปไมโครโปรเซสเซอร์แรกของโลกซึ่งเป็นหัวใจของระบบปีกกว้าง‑แฉกของ Tomcat

Overview

โครงการล่าสุดของ Taylor เป็นการผสานระหว่างเทคโนโลยีแบบดิจิทัลและงานศิลป์เชิงวิศวกรรม โดยเขาได้สร้าง FPGA recreation ของ CADC ทั้งหกระบบที่เคยใช้ใน F‑14 Tomcat ตั้งแต่ปี 1970 รายละเอียดทั้งหมดถูกเปิดเผยบน GitHub ภายใต้ลิขสิทธิ์แบบโอเพนซอร์ส ซึ่งรวมถึงโค้ด VHDL, เอกสารอธิบายการทำงานและชุดทดสอบ (testbenches)

ในขั้นตอนต่อมา ทีมของ Taylor ใช้โมเดล F‑14 ที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3D printing เพื่อจำลองการเคลื่อนที่ของปีกกว้าง‑แฉก (swing‑wing) จริง ๆ การทดสอบนี้ทำให้เห็นว่า FPGA สามารถตอบสนองต่อสัญญาณควบคุมแบบเรียลไทม์ได้เหมือนกับระบบต้นแบบ ซึ่งเป็นการพิสูจน์ศักยภาพของ FPGA ในงานอากาศยานระดับสูง

โครงการได้รับความสนใจจากชุมชนผู้พัฒนา embedded systems เนื่องจากให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการออกแบบและการทำงานของคอมพิวเตอร์บนเครื่องบินที่เคยถูกจัดเป็น “ความลับทางทหาร” จนกระทั่ง 1998

Technical Background

CADC ของ F‑14 Tomcat ทำหน้าที่คำนวณค่าพารามิเตอร์การบินเช่น ความสูง, ความเร็วอากาศและจำนวนมาช์ (Mach number) แบบเรียลไทม์ ทั้งหกระบบทำงานร่วมกันเป็น ระบบ 6 ชิป ซึ่งหนึ่งในนั้นคือ MP944

• MP944 เป็นไมโครโปรเซสเซอร์แบบ 20‑บิต มีการออกแบบแบบ pipeline และ parallel multi‑microprocessor
• ทำงานที่ความถี่ 375 kHz สามารถประมวลผลประมาณ 9,375 คำสั่งต่อวินาที
• ถูกพัฒนาโดยทีมวิศวกร 25 คน ภายใต้หัวหน้าคือ Steve Geller และ Ray Holt
• ทดสอบความทนทานในอุณหภูมิระหว่าง ‑55 °C ถึง +125 °C**

แม้ MP944 จะเริ่มให้บริการตั้งแต่เดือนมิถุนายน 1970—ก่อน Intel 4004 ที่เปิดตัวเมื่อพฤศจิกายน 1971 แต่ข้อมูลเกี่ยวกับชิปนี้ถูกจัดเป็นความลับจนถึงปี 1998 ทำให้ Intel ได้รับการยอมรับว่าเป็นผู้สร้าง “ไมโครโปรเซสเซอร์แรกของโลก”

FPGA Recreation Details

Taylor ใช้ **Spartan‑7 based System‑on‑Module (SoM) จากแพลตฟอร์ม Adiuvo Embedded System Tile เป็นฮาร์ดแวร์หลักในการจำลอง CADC ทั้งหกระบบ ชิพ VHDL ที่เขาเขียนขึ้นเป็นแบบ synthesizable ทำให้สามารถสังเคราะห์ลงบน FPGA ได้โดยตรง

โค้ดที่เปิดเผยใน GitHub ประกอบด้วย:

• การจำลอง logic ของ MP944 รวมถึง pipeline และการจัดการคำสั่ง
• โมเดล VHDL สำหรับชิปอื่น ๆ ทั้งหกระบบใน CADC
• Testbench ที่ตรวจสอบความถูกต้องของผลลัพธ์เทียบกับข้อมูลดั้งเดิมจากเอกสารทางทหาร

การใช้ Spartan‑7 ทำให้ระบบสามารถทำงานที่อัตราความเร็วใกล้เคียงกับ MP944 ดั้งเดิม แม้ว่าจะอยู่บนสภาพแวดล้อมของ FPGA ที่มีความยืดหยุ่นสูงกว่าชิปจริงหลายสิบปี

Demonstration with 3D‑Printed F‑14 Model

เพื่อให้เห็นผลการทำงานในสถานการณ์จริง ทีม Taylor จัดทำแบบจำลองขนาดสเกลของ F‑14 Tomcat ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โดยใช้วัสดุพลาสติกที่ทนต่อความร้อนและแรงดึง

เมื่อเชื่อมต่อ FPGA ที่จำลอง CADC เข้ากับระบบควบคุมปีกของโมเดล ปีกสามารถเปิด-ปิดแบบ articulated sweep‑wing ได้อย่างแม่นยำตามคำสั่งจากซอฟต์แวร์ การทดสอบนี้ไม่เพียงแต่พิสูจน์ความถูกต้องของการจำลอง CADC แต่ยังแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของ FPGA ในการทำงานแบบเรียลไทม์บนอุปกรณ์ที่มีข้อจำกัดด้านพลังงาน

วิดีโอสาธิตที่แนบมากับบทความต้นฉบับเผยให้เห็นว่าแม้ปีกจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว ระบบยังคงรักษาอัตราการตอบสนองและความเสถียรที่ใกล้เคียงกับการทำงานของระบบบนเครื่องบินจริง

Significance & Impact

โครงการนี้เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการใช้เทคโนโลยี FPGA เพื่ออนุรักษ์และเผยแพร่ความรู้ด้านอากาศยานระดับสูง ซึ่งก่อนหน้านี้ข้อมูลเกี่ยวกับ CADC และ MP944 ถูกจำกัดไว้ในวงแคบของนักวิจัยทหาร

จากมุมมองของชุมชนผู้พัฒนา embedded systems การเปิดโค้ด VHDL ทั้งหกระบบทำให้สามารถศึกษาแนวคิดการออกแบบ processor 20‑bit ที่มีประสิทธิภาพสูงและความทนต่อสภาพแวดล้อมสุดขีดได้โดยตรง นอกจากนี้ นักวิจัยด้านประวัติศาสตร์คอมพิวเตอร์อาจใช้ข้อมูลนี้เพื่อยืนยันว่า MP944 เป็น ไมโครโปรเซสเซอร์แรกของโลก อย่างแท้จริง

การผสมผสานระหว่าง 3D printing และ FPGA ยังเปิดทางให้ผู้สนใจสามารถสร้างโมเดลจำลองเครื่องบินและระบบควบคุมอื่น ๆ เพื่อการเรียนรู้แบบมืออาชีพ โดยไม่ต้องพึ่งพาอุปกรณ์ต้นฉบับที่มีค่าใช้จ่ายสูงหรือเป็นความลับ

Summary

Alan Taylor ได้ทำการจำลอง CADC ของ F‑14 Tomcat บน FPGA และทดสอบด้วยโมเดล 3D พิมพ์ เพื่อพิสูจน์ว่าชิป MP944 สามารถทำงานได้จริงในสภาพแวดล้อมที่เปิดเผยต่อสาธารณะ โครงการนี้ให้ข้อมูลเชิงเทคนิคสำคัญแก่ชุมชน embedded systems และช่วยยืนยันประวัติศาสตร์ของ MP944 ในฐานะไมโครโปรเซสเซอร์แรกของโลก.