Colossus Mark I | първият в света програмируем електронен цифров компютър

Цел и произход

Редовните радиопредавания на съобщения "Туни" започват през юни 1941 г. Британските кодоразбивачи виждат, че тя използва петединен код като система за телепринтер. Изследванията им показват също, че кодирането се извършва от роторна шифровъчна машина с 12 колела (ротори). За всяко ново изпратено съобщение колелата трябвало първо да се завъртят на нови позиции. Началната позиция за съобщението се избирала от оператора, който изпращал съобщението. Той съобщавал на оператора, който получавал съобщението, кои са началните позиции с 12 букви, които не били кодирани. Общият брой на възможните начални позиции на 12-те колела бил наистина много голям.

Машината за кодиране добавя към себе си открития текст (некодираната версия на съобщението) и поток от символи (букви, цифри, препинателни знаци), наречен ключов поток (поток от привидно случайни символи), който генерира, за да се получи шифротекстът (кодираната версия на съобщението). Шифротекстът, който е безсмислен, се предава по радиото. В приемащата страна идентична машина премахваше ключовия поток, за да получи открития текст на съобщението.

Ако германските оператори винаги работеха правилно, нямаше да има две съобщения с еднаква начална позиция на колелата. Въпреки това се допускат грешки. Те помогнали на британските кодоразбивачи. На 30 август 1941 г. били изпратени две версии на едно и също съобщение, което било дълго почти 4000 знака, с еднакви начални позиции на колелата. Тази грешка била много полезна за изследователските кодоразбивачи. Един кодоразбивач на име Джон Тилтман успял да получи ключовия поток от тези съобщения.

Разбивачите на кодове се опитват да разгадаят детайлите на машината въз основа на тази информация, но първоначално не успяват. След това към тях се присъединява млад разбивач на име Бил Туте, на когото е възложена задачата. След много работа той успява и изготвя логично описание на невидимата машина. Този труд е описан като "най-голямото интелектуално постижение на Втората световна война". Туте разбрал, че машината създава всеки символ на ключовия поток чрез комбиниране на ефектите от два набора от пет колела. Той използвал гръцки букви, за да назове колелата. Едната група от пет колела нарекъл χ ("chi"), а другата група от пет колела - ψ ("psi"). Той изчислил, че колелата χ се придвижват с една позиция за всеки нов кодиран символ. Колелата ψ обаче не се движат редовно. Те се движели само през част от времето. Това дали колелата ψ се движат или не се контролира от две колела, които той нарича две колела μ ("mu") или "моторни колела".

Макс Нюман е математик и разбивач на кодове в Блетчли Парк. Възложено му е да измисли как машината може да разбие съобщенията "Туни". Машината щяла да направи изчисление за много възможни начални позиции на колелата χ. Началната позиция, която дава най-голямо число от това изчисление, вероятно е била правилната. Първата машина се наричаше "Хийт Робинсън". Тя не работеше много добре. Тя имала две перфорирани хартиени ленти, които трябвало да работят точно заедно. Едната лента съдържала шифровия текст в непрекъснат цикъл. Втората лента с контур съдържала шаблони, направени от колелата на машината за кодиране. Лентите често се разтягаха или прекъсваха при скорост от 2000 знака в секунда. Понякога лентите не се подреждали в една линия; тогава броят им бил погрешен.

 
Машината с кодовото име "Туни", дадено от британците. Германците я използват за кодиране на секретни телепринтерни комуникации. Съюзниците я виждат едва в края на Втората световна война, когато научават, че това е Lorenz SZ42. Той имал десет колела, всяко от които с различен брой кулички. Имало е общо 501 бутала, всяко от които е можело да бъде поставено във вдигнато (активно) или спуснато (неактивно) положение.  

Изграждане на колос

Томи Флауърс работи в изследователската станция на пощите в Долис Хил в северозападен Лондон. Той е помолен да разгледа машината на Хийт Робинсън. Той смята, че машината е слаба. Той проектира електронна машина, която да върши същата работа. Тя щяла да прави шаблоните на кодиращата машина чрез електроника, така че да е необходима само една хартиена лента. През февруари 1943 г. той показва този проект на Макс Нюман. Проектът се нуждаел от 1 500 термодионови клапана (вакуумни тръби). Малко хора смятали, че толкова много клапани могат да работят, без да се повредят много. Поръчани са още машини на Хийт Робинсън. Флауърс обаче продължава да се придържа към идеята за електронна машина. Той получава подкрепа от Гордън Радли, негов шеф в изследователската станция на Пощенската служба. Томи Флауърс и екипът му започват работа по "Колоса" през февруари 1943 г.

Лентата със съобщението трябваше да се прочете бързо. Томи Флауърс тествал четеца на лентата до 9700 букви в секунда (53 мили в час (85 км/ч)), преди лентата да се скъса. Той избрал 5 000 знака в секунда като добра скорост за редовна работа. Това означавало, че хартиената лента се движи със скорост 40 фута/сек (12 м/сек) или 27,3 мили в час (43,9 км/ч). Електронните схеми се задвижваха от сигнал, получен от разчитането на дупките на зъбните колела на перфорираната лента.

Първият Colossus работи в Долис Хил през декември 1943 г. След това разглобяват Colossus и го преместват в Блетчли Парк. Той пристига там на 18 януари 1944 г. Хари Фенсъм и Дон Хорууд го сглобяват отново. Colossus прочита първото си съобщение на 5 февруари. След първия Colossus (Mark 1) имало девет машини Mark 2. Всяка от тях има 2400 клапана. Те са били по-лесни за използване. Те могат да бъдат програмирани да работят с пет пъти по-висока скорост от Mark 1. Colossus Mark 2 работи за първи път на 1 юни 1944 г.

Първоначално Colossus се използваше само за намиране на началните места на колелата, използвани за дадено съобщение (наречено настройка на колелото). Разбивачите на кодове разбрали как да използват Mark 2, за да намерят моделите на куплунзите на колелата (разбиване на колелата). В края на войната в Блетчли Парк работят десет компютъра Colossus. Това означава, че са били декодирани много съобщения.

 

Проектиране и използване

Colossus използва части, които тогава са били нови. Той използваше вакуумни лампи, тиратрони и фотоумножители. Четеше от хартия със светлина. След това правеше специално нещо за всяка буква; специалното нещо можеше да се променя. Той отчиташе колко често това специално нещо е "вярно". Известно е, че машините с много вакуумни лампи се чупят често. Те се чупят най-много при включване, така че машините Colossus се изключваха само когато се счупеше някоя част.

Colossus е първата електронна цифрова машина, която може да има програма. Тя не можеше да се променя толкова много, колкото по-късните машини:

• тя няма програма в себе си. Човек използваше щепсели, кабели и превключватели, за да промени програмата. Така тя е била настроена за ново нещо, което да прави.
• Colossus не беше машина с общо предназначение. Тя беше създадена само за един вид разбиване на кодове: броене и булеви операции.

Той не е пълен компютър на Тюринг, въпреки че Алън Тюринг е бил в Блетчли Парк. Тази идея все още не е била обмислена и повечето от другите ранни съвременни изчислителни машини не са били пълни по Тюринг (като например: компютърът на Атанасов-Бери, електромеханичната релейна машина Harvard Mark I, релейните машини на Bell Labs на Джордж Стибиц и други или първите планове на Конрад Цузе). Беше необходимо много време, за да могат компютрите да се използват за много приложения, а не само като калкулатор за решаване на една трудна задача.

 

Влияние и съдба

Използването на компютрите Colossus е било много секретно. Самият Colossus е бил строго секретен дори много години след войната. Ето защо Colossus дълго време не можеше да бъде включен в историята на компютърния хардуер. Никой не знаеше колко важни са били този Цветя и другите хора, които са помогнали за създаването му.

Малко хора са знаели за този секретен компютър, така че той е имал малко пряко влияние върху новия дизайн на по-късните компютри; EDVAC е ранният дизайн, който е имал най-голямо влияние върху по-късния компютърен дизайн.

След като бе създаден Colossus, някои хора вече знаеха, че могат да се правят високоскоростни електронни (без движещи се части като електрически релета) цифрови изчислителни устройства, които не се чупят твърде много. Само това знание е било достатъчно, за да окаже голямо влияние върху дизайна на ранните компютри във Великобритания и вероятно в САЩ. Хората, които са знаели за Colossus, са били важни в областта на ранните компютри във Великобритания. През 1972 г. Херман Голдщайн пише, че:

Великобритания притежаваше такава жизненост (енергия или стремеж), че веднага след войната можеше да започне толкова много добре планирани и добре изпълнени проекти в областта на компютрите.

Когато пише това, Голдщайн не знае за Colossus. Той не е знаел какво е оставил в проектите на хората, които са знаели за него. Хора като Алън Тюринг (с Pilot ACE и ACE), както и Макс Нюман и И. Д. Гуд (с Manchester Mark 1 и други ранни манчестърски компютри). По-късно Брайън Рандъл пише, че:

проектът COLOSSUS е важен източник на тази жизненост (енергия или двигател), който не е добре разбран или познат, както и значението на мястото му във времевата линия на изобретяването на цифровия компютър.

Плановете и машините на Colossus са секретни от момента на създаването им. Те остават такива и след войната, когато Уинстън Чърчил нарежда да се унищожат повечето от машините Colossus на "части, не по-големи от човешка ръка"; самият Томи Флауърс изгаря проектите в камина в Долис Хил. Някои части, променени така, че да изглеждат невинни, били отнесени в Лабораторията за изчислителни машини на Кралското общество на Нюман в Манчестърския университет. Colossus Mark 1 бил разглобен и частите били изпратени обратно в пощата. Запазени са два компютъра Colossus, както и две копирани машини Tunny. През април 1946 г. те са преместени в новия главен офис на GCHQ в Ийсткот. В периода 1952-1954 г. те отново са преместени в Челтнъм. Единият от компютрите, известен като Colossus Blue, е разглобен през 1959 г., а другият - през 1960 г. В по-късните си години компютрите се използват за обучение. Преди това са правени опити да бъдат променени (понякога добре) за други цели. Джак Гуд е първият, който ги използва след войната, като кара АНС да използва Colossus за нещо, за което са планирали да създадат машина със специално предназначение. Colossus е използван и за извършване на преброяване на букви върху еднократна лента, за да се провери за неслучайност.

По това време Colossus все още е тайна, много след като всички технически подробности за него са станали важни. Това се дължало на разузнавателните служби на Обединеното кралство, които използвали машини, подобни на Енигма, и карали други правителства да ги купуват. След това агенциите разбивали кодовете по различни начини. Ако знанието за машините за разбиване на кодове беше широко известно, никой нямаше да приеме тези машини; по-скоро щяха да разработят свои собствени методи за криптиране, методи, които службите на Обединеното кралство може би нямаше да могат да разбият. Нуждата от такива тайни бавно отпада, когато комуникациите преминават към цифрово предаване и през 60-те години на ХХ век се разпространяват изцяло цифрови системи за криптиране.

През 1975 г. излиза книгата на полковник Уинтърботъм "Ултратайната". Тя разчупва тайната около "Колоса". След това, в края на 70-те години, подробности за компютъра започват да стават публично достояние.

Технически доклад от 500 страници за шифъра "Туни" и неговото разбиване, озаглавен "Общ доклад за "Туни", е предоставен от GCHQ на националната служба за публични записи през октомври 2000 г.; пълният технически доклад е достъпен онлайн.

 

Да го направим отново

Екип, ръководен от Тони Сейл, създава работещо копие на Colossus Mark 2. Плановете и машините били унищожени, но изненадващо количество други материали не било унищожено. Той се намирал предимно в тетрадките на инженерите, голяма част от които в САЩ. четецът на оптични ленти може би бил най-големият проблем, но д-р Арнолд Линч, неговият конструктор, успял да го преработи от собствените си първи записки. Възстановеният Colossus е изложен в Националния музей на компютрите, в блок H на Блетчли Парк в Милтън Кийнс, Бъкингамшир. Това е мястото, където Colossus № 9 е използван по време на войната.

През ноември 2007 г., за да отбележат както края на работата, така и началото на набирането на средства (искането на пари), те провеждат конкурс. Парите щяха да помогнат на Националния музей по изчислителна техника да организира състезание по шифроване, в което възстановеният Colossus щеше да се състезава с радиолюбители от цял свят. Печели този, който пръв чуе и разкодира три шифровани съобщения. Те щяха да бъдат шифровани с помощта на Lorenz SZ42 и излъчвани от радиостанцията в Музейния форум "Хайнц Никсдорф" Archived 2012-03-19 at Wayback Machine компютърния музей в Германия. Състезанието е лесно спечелено от радиолюбителя Йоахим Шют. Schüth се е подготвил за събитието. Той е направил своя собствена програма за обработка на сигнали и разбиване на кодове, използвайки Ada. Отборът на Colossus загубил, защото искал да използва радиостанции от Втората световна война,. Те закъсняха с един ден заради лошите условия на радиото. Лаптопът на победителя с честота 1,4 GHz, работещ със собствена програма, се нуждаеше от по-малко от минута, за да намери настройките за всички 12 колела. Немският разбивач на кодове каза: "Моят лаптоп работеше върху шифровия текст със скорост 1,2 милиона букви в секунда - 240 пъти по-бързо от Colossus. Ако сравните двата компютъра, може да се каже, че Colossus имаше скорост от 5,8 MHz. Това е много бързо за компютър, създаден през 1944 г."

 
През 2006 г. Тони Сейл (вдясно) е начело. С помощта на завършената машина те разбиват зашифровано съобщение. От 1994 г. екипът му изгражда нов компютър Colossus в Блетчли Парк.  

Свързани страници

• ENIAC
• Суперкомпютър
• Енигма (машина)
• Шифърът на Лоренц