1969. Mondlandung. Dieser Tag ging in die Geschichte ein. Doch neben Neil Armstrongs ersten Schritten auf dem Himmelskörper schaffte die Mission eine ganz neue Revolution: Der Apollo Guidance Computer navigierte den Raumflug und sollte die Elektronikentwicklung für immer verändern. Dieses 32 Kilogramm schwere Gerät gilt als erstes Embedded System. Es legt damit den Grundstein für eine neue Welt der Entwicklung.
Was machte der Apollo Guidance Computer?
Die Entwicklung des Apollo Guidance Computers begann bereits 1961. Er diente als Navigator für fast alle Apollo Flüge und landete die Apollo 11 letztendlich sicher auf dem Mond. Dafür wurde sowohl das Mutterschiff als auch die Raumkapsel mit der entsprechenden Hardware ausgestattet. Die wesentlichen Features waren eine Echtzeituhr, Unterbrechungen, Paritätsprüfung und eine umfangreiche Eingangs- und Ausgangskonnektivität. Diese sind wesentliche Eigenschaften, notwendig für das Navigieren durch das All.
Durch das Reaction Control System steuerte der Apollo Guidance Computer die Kapsel. Dieses System bestand aus Düsen an den Seiten der Kapsel, die jeweils nach unten, oben und zu den beiden Seiten zeigten. Aus den Düsen kam Druck, der die Kapsel anschob. So konnte sie in die entsprechende Richtung gelenkt werden. Um welche Richtung es sich handelte, ermittelte die dazugehörige Inertial Measurement Unit. Diese Einheit war fest in der Kapsel installiert und bewegte sich nicht eigenständig. Wenn sich die Kapsel um die Unit drehte, registrierte die Inertial Measurment Unit diese Bewegungen, ohne sich selbst zu bewegen. Dadurch konnte die Kapsel präzise gesteuert und die Bewegungsrichtung genau bestimmt werden.
Mithilfe des DSKY konnten die Astronauten und die Kommandozentrale auf der Erde mit dem Apollo Guidance Computer interagieren. Dabei handelte es sich um ein einfaches Embedded Gerät, das einen Bildschirm mit Zahlenausgabe hatte, verschiedene beschriftete Felder, die je nach Status aufleuchteten, sowie Taster mit Zahlen für eine Eingabe.
Beim Landen auf dem Mond spielte das DSKY eine entscheidende Rolle: Die Astronauten starteten die Landesoftware mit dem Code „37“. Daraufhin berechnet der Apollo Guidance Computer, welche Distanz die Kapsel hinlegt, wann mit dem Bremsen und mir der Zündung begonnen wird. Die Echtzeituhr kommt zum Einsatz. Bevor die Landung fortgesetzt wurde, fragte der Computer, ob die Kapsel manövriert – also sich drehen – darf und anschließend, ob die Landung erfolgen soll. Erst nach Bestätigung der Astronauten setzte sie dies um. Er benutze das Reaction Control System und die Inertial Measurment Unit für das Manövrieren durch den Weltraum und den letzten Meter: die Landung auf dem Mond.
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Schaue Dir in dieser Playlist an, wie Weltraum-Ingeneure den Apollo Guidance Computer vollständig restaurieren, sodass er 2019 wieder funktionstüchtig ist.
Die Arbeitsweise des Apollo Guidance Computer
Der Apollo Guidance Computer besteht nur aus 3-Input NOR-Gattern. Diese Form von Architektur benötigt wenig Transistoren. Somit ist sie Kosten- und Energieeffizienz sowie mit 32 Kilo klein. Dieser minimalistische Ansatz in der Konstruktion führte zu einer Reduzierung von Größe, Gewicht und Energieverbrauch – kritische Faktoren in der Raumfahrt, wo jedes Gramm und jede Wattstunde zählen.
Die Tatsache, dass der Apollo Guidance Computer mit einem 16-Bit-Prozessor und einem begrenzten Speicher von 4 KiB RAM präzise Navigationsberechnungen durchführen konnte, demonstriert die Effizienz und Raffinesse seiner Architektur. Diese Konstruktionsentscheidungen machten ihn zu einem Pionier in der Nutzung von integrierten Schaltkreisen und zu einem Vorbild für Energie- und Ressourceneffizienz in der Computertechnik, was seine Funktionalität unter den extremen Bedingungen des Weltraums erst ermöglichte. Im Vergleich dazu bieten heutige moderne Smartphones Milliardenmal mehr Speicher und Prozessorgeschwindigkeiten.
Diese Gegenüberstellung verdeutlicht, wie revolutionär der Apollo Guidance Computer zu seiner Zeit war und wie weit die Technologie seitdem fortgeschritten ist. Das zeigt, dass auch mit begrenzter Rechenkapazität außerordentliche technologische Meilensteine erreicht werden können. Die präzisen Navigationsberechnungen und die zuverlässige Funktionsweise dieses Systems ermöglichten eine der größten Errungenschaften der Menschheit: die Mondlandung. Nicht allein die Größe oder Leistungsfähigkeit der Technologie, sondern vor allem ihre kluge und effiziente Anwendung sind entscheidend für den Erfolg.
Was können wir von dem Gerät lernen?
Die Entwicklung des Apollo Guidance Computers stellte die Entwicklerin Margaret Hamilton und ihr Team vor ganz neue Herausforderungen. Wie sollte man etwas entwickeln, das noch nie da gewesen ist? Die 300 Köpfe schafften es mit ihrer Entwicklung, die Grenzen der bekannten Welt wahrhaftig zu brechen. Sie machten das Unmögliche möglich. Damit schufen sie nicht nur das erste Embedded System, sondern prägten diese Art der Entwicklung: Es geht dabei um Fortschritt, Verbesserung und Innovation. Wie 1969 sollten wir mit Embedded Systems neue Welten entdecken.
Nicht nur, dass Margaret Hamilton die Entwicklung leitete und somit die Verantwortung für eine der größten Entwicklungen der Geschichte trug, sie und ihr Team machten die Mondlandung möglich. Wenige Minuten, bevor Neil Armstrong den ersten Schritt auf dem Himmelskörper machen konnte, schien die Mission zu scheitern. Der Apollo Guidance Computer war durch für die Landung nicht nötige Daten überlastet. Doch weil die Entwickler:innen eine sogenannte fixed-priority pre-emptive scheduling Architektur verwendeten, konnte alles fortgesetzt werden. Diese Architektur ermöglichte es, dass weniger relevante Aufgaben während kritischer Vorgänge – wie die Landung – unterbrochen wurden. Es ist dieses Outside-of-the-Box-Denken, das Neil Armstrong am 21. Juli 1969 landen ließ. Dieses Denken brauchen wir für die Entwicklung Embedded Systems jederzeit.
