Bản nhạc số đầu tiên được tạo ra như thế nào?

Máy tính CSIR (CSIRAC).

Sau bao thách thức vô cùng khó khăn người ta đã có thể lần đầu tiên chơi nhạc số trên chiếc máy tính mang tên CSIR Mark 1. Sự kiện này đã đánh dấu bước chuyển mình ngoạn mục của cả ngành công nghiệp âm thanh lẫn các lĩnh vực khác ở giai đoạn sau này.

Chiếc máy tính thứ 4 trên thế giới được thiết kế và chế tạo tại tại Úc bởi Viện nghiên cứu Khoa học Công nghiệp Úc (CSIR). Sau khi hoàn tất vào năm 1947 với tên gọi CSIR Mark 1 (sau này đổi lại thành CSIRAC), cỗ máy bắt đầu chương trình chạy thử nghiệm vào năm 1949. Tiếp đến, vào khoảng năm 1950 hoặc 1951 thì bắt đầu chơi bản nhạc đầu tiên.

Âm thanh từ "chiếc còi" của máy tính

Khi ấy CSIRAC vẫn còn rất đơn sơ, tốc độ chậm và không có nhiều bộ nhớ (khoảng 2KB RAM và 3KB đĩa nhớ). Tuy nhiên, kích thước của nó lại bằng cả một căn phòng và còn không có cả màn hình hiển thị như máy tính bây giờ. Đầu ra chủ yếu từ CSIRAC đều được đẩy tới một cuộn giấy đục lỗ, sau đó chuyển thành văn bản tới một cỗ máy khác. Còn duy nhất một đầu ra khác được dẫn tới loa ngoài (gọi là hooter) và sau đó được sử dụng để người ta theo dõi tiến độ thực hiện chương trình.

Các lập trình viên sẽ đặt một âm thanh vào cuối chương trình của họ để biết khi nào nó chạy hoàn tất (gọi là "blurt"). Ngoài ra, họ cũng có thể đặt nhiều blurt vào trong tiến trình chạy để báo hiệu nó đã tới bước nào. Mặc dù vẫn còn rất sơ khai, nhưng CSIRAC được xem như một bước đột phá, phục vụ cho nhiều nghiên cứu khoa học quan trọng khác nhau như chạy các tính toán nhằm xác định trung tâm thiên hà của chúng ta vào năm 1953 hoặc phục vụ công tác thiết kế các tòa nhà chọc trời.

CSIRAC là một máy tính chuỗi, xử lý từng bit tại một thời điểm chứ không phải xử lý song song 32 hoặc 64 bit như những chiếc máy tính hiện đại. Bộ nhớ trên CSIRAC là một ống chứa thủy ngân chảy chậm bên trong mang tên acoustic delay lines (tạm dịch: bộ nhớ âm học thời gian trễ theo chuỗi). Một xung sẽ được đưa vào đầu ống nhớ, sau đó di chuyển tới đầu kia và chu trình này cứ lặp lại như vậy. Bằng cách này, nhiều bit và từ ngữ dưới dạng kỹ thuật số sẽ được lưu trữ trong một ống thủy ngân và cần phải có tới 20 ống nhớ như thế hoạt động tại bất cứ thời điểm nào.

Một hậu quả của việc sử dụng bộ nhớ dạng này là thời gian truy xuất vào từng bộ nhớ sẽ khác nhau. Đây rõ ràng là một vấn đề khó khăn để chạy các ứng dụng đòi hỏi sự chính xác về thời gian, điển hình là chơi nhạc theo thời gian thực.

Geoff Hill - người đầu tiên tạo nên nhạc số

Kỹ sư phần mềm hoặc lập trình viên đầu tiên là Geoff Hill, người ta còn gọi ông là người hùng thầm lặng của ngành điện toán nước Úc. Hill sinh ra và lớn lên trong một gia đình có truyền thống âm nhạc, mẹ của ông là một giáo viên dạy nhạc, người chị là một nhạc công còn cha thì có giọng cao hoàn hảo.

Một yếu tố quan trọng khác nằm ở đặc điểm máy CSIRAC: tạo ra âm thanh bằng cách gởi các xung thô từ dữ liệu máy tính tới loa. Nếu lập trình ngẫu nhiên, các xung này sẽ đi tới loa tại những thời điểm cũng ngẫu nhiên, do đó các lập trình viên phải sử dụng các âm thanh khác nhau nhằm xác định chính xác từng thời điểm trong quá trình thực thi phần mềm. Do đó, Hill nhận thấy rằng nếu ông có thể tìm cách làm cho các xung này tới đúng thời điểm thì sẽ tạo nên được những âm thanh với cao độ chính xác, ổn định. Tiếp theo, ông lập trình các nốt dưới góc độ âm nhạc.

Tuy nhiên, như đã nói ở trên thì đây là công việc cực kỳ khó khăn do tùy vào bộ nhớ mà thời gian truy xuất sẽ khác nhau, đồng thời tốc độ xung nhịp chỉ có 1.000 chu trình mỗi giây. Và cuối cùng Hill đã tìm được cách vượt qua được rào cản này, kết hợp với kiến thức âm nhạc vô giá của ông trong quá trình tạo ra các nốt nhạc. Chuyện kể rằng có lúc giữa đêm Hill phải gọi cho mẹ ông, đặt điện thoại tới gần chiếc loa để bà xác định xem các blurt mà ông chọn có đúng cao độ hay không. Khi đó, phản ứng của bà là mắng Hill đã gọi bà dậy vào giữa đêm chỉ để cho nghe một bài hát ngớ ngẩn. Bà không biết điều gì đang xảy ra đâu!

Những giai điệu đơn giản ra đời

Hill đã lập trình cho CSIRAC chơi một số giai điệu phổ biến vào thời đó, thí dụ như Colonel Bogey, Girl With Flaxen Hair... Tuy nhiên, suy cho cùng thì Hill là một lập trình viên chứ không phải một chuyên gia âm nhạc nên ông cũng không quá quan tâm tới việc tận dụng nó để phục vụ cho nhu cầu nghe nhạc thuần túy.

Âm nhạc là một trong những thủ thuật hấp dẫn của CSIRAC. Một thành viên của nhóm nghiên cứu CSIRAC là Dick McGee nhớ lại rằng cỗ máy này đã chơi lên các giai điệu tại hội nghị điện toán Úc vào tháng 7/1951 và nhận được sự quan tâm không nhỏ từ đông đảo người tham dự. Và CSIRAC đã trở thành chiếc máy tính đầu tiên trên thế giới có thể chơi nhạc như thế đó. Đáng tiếc là người ta không hề quay lại đoạn video nào lúc CSIRAC chơi nhạc để chúng ta xem lại.

Chuyển biến trong việc sử dụng CSIRAC và tương lai của ngành công nghiệp nhạc số

Không lâu sau khi bản nhạc đầu tiên được CSIRAC phát lên, vào năm 1951, đài BBC đã ghi lại cảnh chiếc máy tính Ferranti Mark 1 tại Anh chơi nhạc. Và đây cũng chính là lần đầu tiên một bản nhạc phát ra từ máy tính được ghi lại.

Bộ phận van tái tạo và khuếch đại tích hợp thêm vào CSIRAC nhằm tạo nên những xung chính xác.

Trong thời gian sau, các nhà khoa học có một số thay đổi trong kế hoạch nghiên cứu CSIRAC, bao gồm tập trung vào lĩnh vực thời tiết và quá trình sản xuất cơ bản, để lại các nghiên cứu tính toán thuần túy hoặc các lĩnh vực khác cho những nhóm khác hoặc lĩnh vực thương mại. Và sau đó, nhóm nghiên cứu tại Đại học Melbourne dẫn đầu bởi Phó giáo sư Paul Doornbusch đã tiếp tục phát triển thêm phần cứng van tái tạo và khuếch đại âm thanh để tái cấu trúc dạng xung của Paul Doornbusch. Đồng thời, họ tạo nên những phần mềm để chạy được các chương trình cũ trên máy mới.

Sau khi nhập và đọc dữ liệu từ những đoạn băng giấy đục lỗ trước đó, các chương trình mới sẽ được chạy lại, các xung sẽ được tái tạo lại và dĩ nhiên những bản nhạc cũng được khôi phục lại một cách chính xác. Sau đó, nhóm nghiên cứu còn tiếp tục tìm một chiếc loa khác để chơi các bản nhạc cũ. Đến bây giờ thì những đoạn âm thanh đó mới được ghi lại, cất giữ trong bảo tàng Victoria cho tới ngày nay, mời các bạn nghe thử bên dưới.

Không lâu sau khi CSIRAC được chuyển tới cho các nhà nghiên cứu tại Đại học Melbourne, nó vẫn tiếp tục chơi nhạc. Một giáo sư toán học tại đây là Tom Cherry đã viết nên một chương trình cho phép ai cũng có thể tự ghi những "điểm" hoặc "các nốt piano" trên một cuộn giấy đục lỗ để chơi trên máy tính mà không đòi hỏi quá nhiều kiến thức chuyên môn.

Giấy hướng dẫn sử dụng chương trình tạo nhạc chơi trên máy tính viết bởi giáo sư Tom Cherry.

Những phát kiến cực kỳ quan trọng đối với sự phát triển của ngành công nghiệp âm thanh lẫn kỹ thuật chơi nhạc trên máy tính được thực hiện bởi các nhà khoa học Bell Labs vào những năm 1950 tại Mỹ. Vào năm 1957, nhà nghiên cứu âm thanh Max Mathews đã nhìn thấy trước tiềm năng của công nghệ này. Khi đó, ông viết một chương trình cho phép chiếc máy tính IBM 704 có thể chơi được một đoạn nhạc 17 giây.

Mặc dù những nghiên cứu âm nhạc đầu tiên được thực hiện bằng máy CSIRAC ở Úc, nhưng sau này người ta thường công nhận Matthews là cha đẻ của công nghệ chơi nhạc trên máy tính. Quá trình phát triển vào những năm 1950 đã mở đường cho nhiều phát kiến khác trong lĩnh vực chơi nhạc trên máy tính, bao gồm cả các công nghệ sáng tạo, thu, nghe, phát và phân phối nhạc số sau này.