Colossus — pierwszy programowalny komputer cyfrowy z Bletchley Park

Cel i pochodzenie

Regularne transmisje radiowe wiadomości "Tunny" rozpoczęły się w czerwcu 1941 roku. Brytyjscy programiści zauważyli, że używał on pięciostronicowego kodu jak system tele-drukarek. Ich badania wykazały również, że kodowanie odbywało się za pomocą wirnikowej maszyny szyfrującej z 12 kołami (wirnikami). Dla każdej nowej wysłanej wiadomości, koła musiały być najpierw obrócone na nowe pozycje. Pozycja wyjściowa dla wiadomości była wybierana przez operatora, który wysyłał wiadomość. Powiedział on operatorowi, który odbierał wiadomość, jakie są pozycje startowe z 12 literami, które nie były zakodowane. Całkowita liczba możliwych pozycji startowych 12 kół była rzeczywiście bardzo duża.

Maszyna kodująca zsumowała prosty tekst (niekodowaną wersję wiadomości) i strumień znaków (litery, cyfry, interpunkcja) nazwany strumieniem klucza (strumień pozornie przypadkowych znaków), który wygenerowała, aby stworzyć szyfrowany tekst (kodowaną wersję wiadomości). Zaszyfrowany tekst, który nie miał sensu, był transmitowany drogą radiową. Na końcu odbiorczym identyczna maszyna usunęła strumień kluczy w celu wytworzenia prostego tekstu wiadomości.

Gdyby niemieccy operatorzy zawsze działali prawidłowo, żadne dwa komunikaty nie miałyby tej samej pozycji wyjściowej kół. Popełniono jednak błędy. Pomogły one brytyjskim programistom. 30 sierpnia 1941 r. dwie wersje tej samej wiadomości, o długości prawie 4000 znaków, zostały wysłane z tymi samymi pozycjami startowymi kół. Błąd ten był bardzo przydatny dla badaczy koderów. Łamacz kodów o nazwisku John Tiltman był w stanie uzyskać strumień klucza z tych wiadomości.

Łamacz kodów próbował na podstawie tych informacji wypracować szczegóły maszyny, ale na początku im się to nie udało. Następnie dołączył do nich młody łamacz kodów zwany Bill Tutte, który otrzymał tę pracę. Po dużej ilości pracy udało mu się i stworzył logiczny opis niewidzialnej maszyny. Praca ta została opisana jako "największe intelektualne osiągnięcie II wojny światowej". Tutte odkrył, że maszyna ta stworzyła każdy kluczowy charakter poprzez połączenie efektów dwóch zestawów pięciu kół. Do nazwania kół użył greckich liter. Jeden zestaw pięciu kół nazwał kołami χ ("chi"), a drugi zestaw pięciu kół ψ ("psi"). Odkrył, że koła χ poruszają się na jednej pozycji dla każdego nowego zakodowanego znaku. Koła ψ nie poruszały się jednak regularnie. Poruszały się tylko przez pewien czas. Czy koła ψ poruszał się na był kontrolowany przez dwa koła, które nazwał dwa μ ("mu") lub "koła silnika".

Max Newman był matematykiem i łamaczem kodów w Bletchley Park. Dostał zadanie wypracowania sposobu, w jaki maszyna może łamać wiadomości "Tunny". Maszyna miała wykonywać obliczenia dla wielu możliwych pozycji startowych kół χ. Pozycja startowa, która dawała największą liczbę z tych obliczeń, była prawdopodobnie właściwa. Pierwsza maszyna nazywała się "Heath Robinson". Nie działało to zbyt dobrze. Miała ona dwie papierowe taśmy perforowane, które musiały działać dokładnie razem. Jedna taśma zawierała szyfrogram w ciągłej pętli. Druga taśma w pętli zawierała wzory wykonane przez koła maszyny do kodowania. Taśmy często rozciągały się lub łamały przy 2000 znaków w każdej sekundzie. Czasami taśmy nie układały się w jedną linię; wtedy liczba znaków była błędna.

Budynek Colossus

Tommy Flowers pracował w Post Office Research Station na Dollis Hill w północno-zachodnim Londynie. Został poproszony o spojrzenie na maszynę Heath Robinson. Myślał, że to słaba maszyna. Zaprojektował maszynę elektroniczną do tej samej pracy. Zrobiłby wzory maszyny do kodowania przez elektronikę tak, że potrzebna byłaby tylko jedna taśma papierowa. W lutym 1943 roku pokazał Maxowi Newmanowi ten wzór. Projekt potrzebował 1500 zaworówtermicznych (rur próżniowych). Niewiele osób uważało, że tak wiele zaworów może działać bez większych problemów. Zamówiono więcej maszyn Heath Robinson. Kwiaty jednak trzymały się idei maszyny elektronicznej. Otrzymał on wsparcie od osoby kierującej Stacją Badawczą Poczty, która nazywała się Gordon Radley. Tommy Flowers i jego zespół rozpoczęli pracę nad Colossusem w lutym 1943 roku.

Taśma z wiadomością na niej umieszczoną musiała być odczytywana z dużą prędkością. Tommy Flowers testował czytnik taśmowy z prędkością do 9 700 liter/sekundę (53 mph (85 km/h)), zanim taśma pękła. Wybrał 5.000 znaków na sekundę jako dobrą prędkość do regularnej pracy. Oznaczało to, że taśma papierowa poruszała się z prędkością 40 ft/s (12 m/s) lub 27,3 mph (43,9 km/h). Obwody elektroniczne były napędzane sygnałem pochodzącym z odczytywania otworów w kołach zębatych dziurkowanej taśmy.

Pierwszy Colossus pracował w Dollis Hill w grudniu 1943 roku. Następnie rozebrali Colossusa i przenieśli go do Bletchley Park. Dotarł tam 18 stycznia 1944 roku. Harry Fensom i Don Horwood złożyli go z powrotem razem. Colossus przeczytał swoją pierwszą wiadomość 5 lutego. Po pierwszym Colossusie (Mark 1) było dziewięć maszyn Mark 2. Każda z nich miała 2,400 zaworów. Były one łatwiejsze w użyciu. Można je było zaprogramować do pracy z pięciokrotnie większą prędkością niż Mark 1. Colossus Mark 2 po raz pierwszy pracował 1 czerwca 1944.

Początkowo Colossus służył tylko do znajdowania miejsc na koła startowe używane do wysyłania wiadomości (tzw. ustawienie koła). Łamacz kodów opracował sposób użycia Mark 2, aby pomóc w znalezieniu wzorów krzywek na kołach (łamanie kół). Pod koniec wojny w Bletchley Park pracowało dziesięć komputerów Colossusa. Oznaczało to, że bardzo wiele wiadomości zostało zdekodowanych.

Projektowanie i użytkowanie

Colossus używał części, które były wtedy nowe. Używał lamp próżniowych, tyratronów i fotopowielaczy. Czytał z papieru za pomocą światła. Zrobił wtedy specjalną rzecz dla każdego listu; specjalną rzecz można było zmienić. Liczyło się to, jak często ta specjalna rzecz była "prawdziwa". Maszyny z wieloma lampami próżniowymi były znane z tego, że dużo się psuły. Najbardziej pękają podczas włączania, więc maszyny Colossus były wyłączane tylko wtedy, gdy pękała jakaś część.

Colossus był pierwszą z elektronicznych maszyn cyfrowych, które mogły mieć program. Nie mógł zmienić tak bardzo, jak późniejsze maszyny:

• nie miał w sobie żadnego programu. Osoba używała wtyczek, przewodów i przełączników do zmiany programu. W ten sposób został ustawiony na nową rzecz.
• Colossus nie był maszyną ogólnego przeznaczenia. Był stworzony tylko do jednego rodzaju łamania kodów: liczenia i operacji booleańskich.

To nie był kompletny komputer Turynga, mimo że Alan Turing był w Bletchley Park. Pomysł ten nie został jeszcze przemyślany, a większość innych wczesnych nowoczesnych maszyn obliczeniowych nie była ukończona w Turyngu (jak: komputer Atanasoff-Berry, przekaźnik elektromechaniczny Harvard Mark I, przekaźniki Bell Labs George'a Stibitza i innych, czy też pierwsze plany Konrada Zuse'a). Długo trwało używanie komputerów do wielu zastosowań, zamiast tylko kalkulatora do rozwiązania jednego, trudnego problemu.

Wpływ i los

To, do czego użyto komputerów Colossusa, było bardzo tajne. Sam Colossus był bardzo tajny nawet przez wiele lat po wojnie. Dlatego też Colossus przez długi czas nie mógł być włączony do historii sprzętu komputerowego. Nikt nie wiedział, jak ważne jest to, że Flowers i inni ludzie, którzy pomogli mu to zrobić.

Niewiele osób wiedziało o tym tajnym komputerze, więc miał on niewielki bezpośredni wpływ na nowy projekt późniejszych komputerów; EDVAC był wczesnym projektem, który miał największy wpływ na późniejszy projekt komputera.

Kiedyś Colossus był produkowany, teraz niektórzy ludzie wiedzieli, że szybkie elektroniczne (bez ruchomych części, takich jak przekaźniki elektryczne) cyfrowe urządzenia obliczeniowe mogą być wykonane i nie łamały się za bardzo. Po prostu ta wiedza wystarczyła, aby mieć duży wpływ na projekty wczesnych komputerów w Wielkiej Brytanii i prawdopodobnie w USA. Ludzie, którzy wiedzieli o Colossusie, byli ważni we wczesnej dziedzinie komputerów w Wielkiej Brytanii. Herman Goldstine napisał to w 1972 roku:

Wielka Brytania miała taką witalność (energię lub napęd), że zaraz po wojnie mogła rozpocząć tak wiele dobrze zaplanowanych i zrealizowanych projektów w dziedzinie informatyki.

Pisząc to, Goldstine nie wiedział o Colossusie. Nie wiedział, co zostawił projektom ludzi, którzy o tym wiedzieli. Ludzi takich jak Alan Turing (z pilotem ACE i ACE), czy Max Newman i I. J. Good (z komputerami Manchester Mark 1 i innymi wczesno manchesterskimi). Brian Randell napisał to później:

Projekt COLOSSUS był ważnym źródłem tej witalności (energii lub napędu), która nie była dobrze rozumiana i znana, podobnie jak znaczenie jej miejsc w linii czasu wynalazku komputera cyfrowego.

Plany i maszyny Colossusa były tajne od czasu ich powstania. Tak pozostały po wojnie, kiedy Winston Churchill nakazał zniszczenie większości maszyn Colossusa na "części nie większe niż ręka człowieka"; sam Tommy Flowers spalił te projekty w kominku na Dollis Hill. Niektóre części, zmienione na niewinne, zostały zabrane do Laboratorium Maszyn Obliczeniowych Królewskiego Towarzystwa Newmana na Uniwersytecie w Manchesterze. Colossus Mark 1 został zdemontowany, a części zostały odesłane na pocztę. Zatrzymano dwa komputery Colossusa oraz dwie skopiowane maszyny Tunny. Zostały one przeniesione do nowej siedziby GCHQ w Eastcote w kwietniu 1946 roku. W latach 1952-1954 zostały ponownie przeniesione z GCHQ do Cheltenham. Jeden z komputerów, znany jako Colossus Blue, został rozebrany w 1959 roku, a drugi w 1960 roku. W późniejszych latach komputery te były wykorzystywane do celów szkoleniowych. Wcześniej próbowano je zmienić (czasem dobrze) na inne cele. Jack Good jako pierwszy użył ich po wojnie, nakłaniając NSA do wykorzystania Colossusa do zrobienia czegoś, dla czego planowali zbudować maszynę specjalnego przeznaczenia. Colossus był również używany do wykonywania liczeń listów na jednorazowej taśmie do testowania poduszki pod kątem nielosowości.

W tym czasie Kolos nadal był tajny, długo po tym jak któryś z jego szczegółów technicznych miał jakieś znaczenie. Było to spowodowane tym, że brytyjskie agencje wywiadowcze używały maszyn podobnych do Enigmy, które otrzymały od innych rządów. Następnie agencje złamały kody na różne sposoby. Gdyby wiedza o maszynach łamiących kody była powszechnie znana, nikt nie zaakceptowałby tych maszyn; raczej opracowałyby one własne metody szyfrowania, metody, których brytyjskie służby mogłyby nie być w stanie złamać. Potrzeba takich tajemnic powoli zanikała w miarę jak komunikacja przechodziła na transmisję cyfrową, a w latach 60. powszechne stały się w pełni cyfrowe systemy szyfrowania.

Książka pułkownika Winterbothama The Ultra Secret ukazała się w 1975 roku. To złamało tajemnicę wokół Colossusa. Po tym, szczegóły o komputerze zaczęły się upubliczniać pod koniec lat 70-tych.

W październiku 2000 r. GCHQ przekazała 500-stronicowe sprawozdanie techniczne dotyczące szyfru "Tunny" i jego łamania kodów, zatytułowane "Sprawozdanie ogólne o tunelu", do krajowego rejestru publicznego; pełne sprawozdanie techniczne jest dostępne online.

Znowu to samo

Zespół prowadzony przez Tony'ego Sale'a zbudował roboczą kopię Colossus Mark 2. Plany i maszyny zostały zniszczone, ale zaskakująca ilość innych materiałów nie została zniszczona. Było to głównie w zeszytach inżynierów, większość z nich w Stanach Zjednoczonych. Być może największym problemem był optyczny czytnik taśmowy, ale dr Arnold Lynch, jego konstruktor, był w stanie przeprojektować go od swoich własnych pierwszych pism. Odbudowany Colossus jest pokazywany w National Museum of Computing, w H Block Bletchley Park w Milton Keynes, Buckinghamshire. To jest miejsce, gdzie Kolos nr 9 był używany w czasie wojny.

W listopadzie 2007 r., aby uczcić zarówno zakończenie prac, jak i rozpoczęcie zbierania funduszy (prosząc o pieniądze), przeprowadzili oni konkurs. Pieniądze pomogły Narodowemu Muzeum Obliczeń z Konkursem Szyfrów, w którym odbudowany Kolos rywalizował z radioamatorami na całym świecie. Wygrywają ci, którzy jako pierwsi usłyszą i rozszyfrują trzy zakodowane wiadomości. Zostałyby one zaszyfrowane za pomocą Lorenza SZ42 i nadane z radiostacji w muzeum komputerowym Heinz Nixdorf MuseumsForum w Niemczech. Konkurs łatwo wygrał radioamator Joachim Schüth. Schüth przygotował się do tego wydarzenia. Stworzył własny program do przetwarzania sygnału i łamania kodów za pomocą Ady. Drużyna Colossusów przegrała, ponieważ chcieli używać radia z czasów II wojny światowej. Spóźnili się o dzień z powodu złych warunków radiowych. Zwycięzca laptopa 1,4 GHz, który uruchomił swój własny program, potrzebował mniej niż minutę, aby znaleźć ustawienia dla wszystkich 12 kółek. Niemiecki łamacz kodów powiedział: "Mój laptop pracował na szyfrografie z prędkością 1,2 miliona liter na sekundę-240x szybciej niż Colossus". Jeśli porównać te dwa komputery, można powiedzieć, że Colossus miał prędkość 5,8 MHz. To jest bardzo szybkie jak na komputer zbudowany w 1944 roku."

Powiązane strony

• ENIAC
• Supercomputer
• Enigma (maszyna)
• Lorenz Cipher