Colossus: prvi programabilni elektronski računalnik za kriptoanalizo

Redni radijski prenosi sporočil "Tunny" so se začeli junija 1941. Britanski šifrerji so opazili, da je uporabljal pet enotno kodo kot sistem teleprinterja. Njihove raziskave so pokazale tudi, da je kodiranje izvajal rotorski šifrirni stroj z 12 kolesi (rotorji). Za vsako novo poslano sporočilo je bilo treba kolesa najprej obrniti v nove položaje. Začetni položaj za sporočilo je izbral operater, ki je pošiljal sporočilo. Operaterju, ki je sporočilo prejemal, je začetne položaje sporočil z 12 črkami, ki niso bile šifrirane. Skupno število možnih začetnih položajev 12 koles je bilo zelo veliko.

Šifrirni stroj sestavi odprto besedilo (nekodirana različica sporočila) in tok znakov (črk, številk, ločil), imenovan ključni tok (tok na videz naključnih znakov), ki ga ustvari, da nastane šifrirano besedilo (kodirana različica sporočila). Šifrirano besedilo, ki je bilo nesmiselno, se je prenašalo po radiu. Na sprejemni strani je identičen stroj odstranil tok ključev, da je dobil odprto besedilo sporočila.

Če bi nemški operaterji vedno delali pravilno, ne bi bilo dveh sporočil z enakim začetnim položajem koles. Vendar so se pojavljale napake. Te so pomagale britanskim šifrerjem. Dne 30. avgusta 1941 sta bili poslani dve različici istega sporočila, ki je bilo dolgo skoraj 4000 znakov, z enakim začetnim položajem koles. Ta napaka je bila zelo koristna za raziskovalne šifrerje. Šifrer z imenom John Tiltman je lahko iz teh sporočil pridobil tok ključev.

Šifrerji so na podlagi teh podatkov poskušali ugotoviti podrobnosti o stroju, vendar jim sprva ni uspelo. Nato se jim je pridružil mlad šifrer po imenu Bill Tutte, ki je dobil nalogo. Po dolgem delu mu je uspelo in pripravil je logičen opis nevidnega stroja. To delo je bilo opisano kot "največji intelektualni dosežek druge svetovne vojne". Tutte je ugotovil, da je stroj ustvaril vsak znak ključnega toka z združitvijo učinkov dveh sklopov petih kolesc. Za poimenovanje kolesc je uporabil grške črke. En sklop petih koles je poimenoval χ ("chi"), drugi sklop petih koles pa ψ ("psi"). Ugotovil je, da so se kolesa χ premaknila za en položaj za vsak nov kodiran znak. Kolesca ψ pa se niso premikala redno. Premikala so se le nekaj časa. Ali se kolesa ψ premaknejo ali ne, sta nadzorovali dve kolesi, ki ju je poimenoval μ ("mu") ali "motorna kolesa".

Max Newman je bil matematik in šifrer v parku Bletchley. Dali so mu nalogo, da ugotovi, kako lahko stroj razbije sporočila "Tunny". Stroj bi opravil izračun za številne možne začetne položaje kolesc χ. Začetni položaj, ki je pri tem izračunu dal največje število, je bil verjetno pravi. Prvi stroj se je imenoval "Heath Robinson". Ta stroj ni deloval najbolje. Imel je dva luknjana papirnata trakova, ki sta morala delovati natančno skupaj. Na enem traku je bilo šifrirano besedilo v neprekinjeni zanki. Drugi trak z zanko je vseboval vzorce, ki so jih ustvarila kolesa šifrirnega stroja. Trakova sta se pri hitrosti 2000 znakov na sekundo pogosto raztegnila ali pretrgala. Včasih trakovi niso bili poravnani; takrat je bilo štetje napačno.

Tommy Flowers je delal na raziskovalni postaji poštnega urada v Dollis Hillu v severozahodnem Londonu. Prosili so ga, naj si ogleda stroj Heath Robinson. Menil je, da je šibek stroj. Zasnoval je elektronski stroj, ki bi opravljal enako delo. Vzorce kodirnega stroja bi izdelal z elektroniko, tako da bi bil potreben le en papirnati trak. Februarja 1943 je to zasnovo pokazal Maxu Newmanu. Zasnova je potrebovala 1 500 termionskihventilov (vakuumskih cevi). Malokdo je mislil, da bi lahko toliko ventilov delovalo, ne da bi se veliko pokvarilo. Naročili so več naprav Heath Robinson. Vendar je Flowers vztrajal pri zamisli o elektronskem stroju. Pri tem ga je podprla oseba, ki je bila odgovorna za raziskovalno postajo poštnega urada in se je imenovala Gordon Radley. Tommy Flowers je s svojo ekipo začel delati na Kolosusu februarja 1943.

Trak s sporočilom je bilo treba prebrati s hitrostjo. Tommy Flowers je preizkusil bralnik do hitrosti 9 700 črk na sekundo (53 milj na uro (85 km/h)), preden se je trak pretrgal. Kot dobro hitrost za redno delo je izbral 5 000 znakov na sekundo. To je pomenilo, da se je papirnati trak premikal s hitrostjo 12 m/s (40 ft/s) ali 43,9 km/h (27,3 mph). Elektronska vezja je poganjal signal, ki je nastal z branjem lukenj za zobnike na luknjanem traku.

Prvi Colossus je v Dollis Hillu deloval decembra 1943. Nato so ga razstavili in preselili v Bletchley Park. Tja je prišel 18. januarja 1944. Harry Fensom in Don Horwood sta ga ponovno sestavila. Kolos je prvo sporočilo prebral 5. februarja. Po prvem Colossusu (Mark 1) je bilo devet naprav Mark 2. Vsak od njih je imel 2 400 ventilov. Bili so enostavnejši za uporabo. Lahko so bili programirani za petkrat hitrejše delovanje kot stroji Mark 1. Kolos z oznako 2 je prvič deloval 1. junija 1944.

Sprva se je program Colossus uporabljal le za iskanje začetnih mest kolesa, uporabljenih za sporočilo (imenovano nastavitev kolesa). Šifrerji so ugotovili, kako uporabiti Mark 2 za pomoč pri iskanju vzorcev odmikačev na kolesih (lomljenje koles). Ob koncu vojne je v Bletchley Parku delovalo deset računalnikov Colossus. To je pomenilo, da je bilo dešifriranih zelo veliko sporočil.

Colossus je uporabljal dele, ki so bili takrat novi. Uporabljal je vakuumske cevi, tiratrone in fotopomnoževalke. S svetlobo je bral s papirja. Nato je za vsako črko naredil posebno stvar; to posebno stvar je bilo mogoče spremeniti. Računalo je, kolikokrat je bila ta posebna stvar "resnična". Znano je, da so se stroji z veliko vakuumskimi elektronkami pogosto pokvarili. Najbolj se zlomijo ob vklopu, zato so se stroji Colossus izklopili le, če se je zlomil kakšen del.

Colossus je bil prvi elektronski digitalni stroj, ki je imel program. Ni se mogel tako spreminjati kot poznejši stroji:

• v sebi ni imela programa. Človek je program spreminjal z vtiči, žicami in stikali. Tako je bil nastavljen za novo stvar, ki jo je bilo treba narediti.
• Colossus ni bil stroj za splošne namene. Narejen je bil le za eno vrsto razbijanja kode: štetje in logične operacije.

To ni bil Turingov popolni računalnik, čeprav je bil Alan Turing v Bletchley Parku. Ta zamisel še ni bila izpeljana in večina drugih zgodnjih sodobnih računalnikov ni bila Turingovsko popolna (na primer: Atanasoff-Berryjev računalnik, elektromehanski relejni stroj Harvard Mark I, relejni stroji Bell Labs Georgea Stibitza in drugih ali prvi načrti Konrada Zuseja). Dolgo je trajalo, da so se računalniki začeli uporabljati za različne namene, ne le kot kalkulator za reševanje enega težkega problema.

Namen računalnikov Colossus je bil zelo skrivnosten. Tudi sam računalnik Colossus je bil še mnogo let po vojni zelo tajen. Zato računalnikov Colossus dolgo časa ni bilo mogoče vključiti v zgodovino računalniške strojne opreme. Nihče ni vedel, kako pomembni so bili tisti Flowers in drugi ljudje, ki so ga pomagali izdelati.

Za ta tajni računalnik ni vedelo veliko ljudi, zato je imel le malo neposrednega vpliva na novo zasnovo poznejših računalnikov; EDVAC je bil zgodnja zasnova, ki je najbolj vplivala na poznejšo zasnovo računalnikov.

Ko je bil izdelan Colossus, so nekateri vedeli, da je mogoče izdelati elektronske digitalne računalniške naprave visoke hitrosti (brez gibljivih delov, kot so električni releji), ki se ne pokvarijo preveč. Že to znanje je bilo dovolj, da je močno vplivalo na zasnove zgodnjih računalnikov v Veliki Britaniji in verjetno tudi v ZDA. Ljudje, ki so vedeli za Colossus, so bili pomembni na področju zgodnjih računalnikov v Veliki Britaniji. Herman Goldstine je leta 1972 zapisal:

Velika Britanija je imela toliko vitalnosti (energije ali zagona), da je lahko takoj po vojni začela izvajati toliko dobro načrtovanih in izvedenih projektov na računalniškem področju.

Ko je Goldstine to pisal, ni vedel za Colossus. Ni vedel, kaj je pustil projektom ljudi, ki so vedeli zanj. Ljudje, kot so Alan Turing (z računalnikoma Pilot ACE in ACE) ter Max Newman in I. J. Good (z računalnikom Manchester Mark 1 in drugimi zgodnjimi računalniki Manchester). Brian Randell je pozneje zapisal, da:

projekt COLOSSUS je bil pomemben vir te vitalnosti (energije ali pogona), ki ni bil dobro razumljen ali poznan, prav tako pa tudi ne njegovo mesto v časovnem okviru izuma digitalnega računalnika.

Načrti in stroji Koloseja so bili tajni od trenutka, ko so bili izdelani. Tako je ostalo tudi po vojni, ko je Winston Churchill ukazal uničiti večino strojev Colossus na "dele, ki niso večji od človeške dlani"; Tommy Flowers je načrte sam sežgal v kaminu v Dollis Hillu. Nekatere dele, spremenjene v nedolžne, so odpeljali v Newmanov laboratorij Royal Society Computing Machine Laboratory na univerzi v Manchestru. Kolos Mark 1 je bil razstavljen in deli so bili poslani nazaj na pošto. Dva računalnika Colossus in dva kopirana računalnika Tunny so obdržali. Aprila 1946 so jih preselili v nov sedež GCHQ v Eastcote. Med letoma 1952 in 1954 so se z GCHQ ponovno preselili v Cheltenham. Eden od računalnikov, znan kot Colossus Blue, je bil razstavljen leta 1959, drugi pa leta 1960. V poznejših letih so računalnike uporabljali za usposabljanje. Pred tem so jih poskušali (včasih dobro) spremeniti za druge namene. Po vojni jih je prvi uporabil Jack Good, ki je prisilil NSA, da je Colossus uporabila za nekaj, za kar so nameravali izdelati stroj za posebne namene. Colossus je bil uporabljen tudi za izvajanje štetja črk na traku z enkratnim blokom za testiranje nenaključnosti.

V tem času je bil Kolos še vedno skrivnost, dolgo po tem, ko so bile vse njegove tehnične podrobnosti že zelo pomembne. To je bilo posledica tega, da so britanske obveščevalne agencije uporabljale stroje, podobne Enigmi, ki so jih kupovale druge vlade. Agencije so nato šifre razbijale na različne načine. Če bi bilo poznavanje strojev za razbijanje šifer splošno znano, teh strojev ne bi nihče sprejel; raje bi razvili lastne metode šifriranja, metode, ki jih britanske službe morda ne bi mogle razbiti. Potreba po takšnih skrivnostih je počasi izginila, ko so komunikacije prešle na digitalni prenos in so v šestdesetih letih prejšnjega stoletja postali običajni popolnoma digitalni sistemi šifriranja.

Knjiga polkovnika Winterbothama The Ultra Secret je izšla leta 1975. Ta je razblinila skrivnostnost okoli Koloseja. Nato so konec sedemdesetih let prejšnjega stoletja v javnost začele prihajati podrobnosti o računalniku.

Oktobra 2000 je GCHQ nacionalnemu uradu za javno arhiviranje predal 500 strani dolgo tehnično poročilo o šifri Tunny in njenem razbijanju kod z naslovom General Report on Tunny; celotno tehnično poročilo je na voljo na spletu.

Ekipa, ki jo je vodil Tony Sale, je izdelala delujočo kopijo modela Colossus Mark 2. Načrti in stroji so bili uničeni, vendar presenetljiva količina drugega materiala ni bila uničena. Večinoma se je nahajalo v beležnicah inženirjev, veliko ga je bilo v ZDA. Največja težava je bil morda čitalnik optičnih trakov, vendar ga je Dr. Arnold Lynch, njegov oblikovalec, lahko preoblikoval na podlagi svojih prvih zapiskov. Preoblikovani kolos je na ogled v Nacionalnem muzeju računalništva v bloku H Bletchley Park v Milton Keynesu v zvezni državi Buckinghamshire. Prav tam je bil med vojno uporabljen kolos št. 9.

Novembra 2007 so ob zaključku dela in začetku zbiranja sredstev (prošenj za denar) izvedli natečaj. Z denarjem bi pomagali Nacionalnemu muzeju računalništva pri tekmovanju v šifriranju, na katerem bi obnovljeni Kolos tekmoval z radioamaterji z vsega sveta. Zmagal bi tisti, ki bi prvi slišal in dešifriral tri šifrirana sporočila. Šifrirali bi jih z Lorenzovim SZ42 in prenašali z radijske postaje v računalniškem muzeju Heinz Nixdorf MuseumsForum v Nemčiji. Na tekmovanju je brez težav zmagal radioamater Joachim Schüth. Schüth se je na dogodek pripravil. Izdelal je svoj program za obdelavo signalov in lomljenje kod z uporabo programa Ada. Ekipa Colossus je izgubila, ker je želela uporabiti radijske sprejemnike iz druge svetovne vojne,. Zaradi slabih radijskih razmer so zamujali en dan. Zmagovalčev prenosni računalnik s frekvenco 1,4 GHz, na katerem je deloval njegov lastni program, je potreboval manj kot minuto, da je našel nastavitve za vseh 12 koles. Nemški razbijalec šifer je dejal: "Moj prenosni računalnik je šifriral s hitrostjo 1,2 milijona črk na sekundo - 240-krat hitreje kot Colossus. Če primerjamo oba računalnika, lahko rečemo, da je imel Colossus hitrost 5,8 MHz. To je za računalnik, izdelan leta 1944, zelo hitro."

• ENIAC
• Superračunalnik
• Enigma (stroj)
• Lorenzova šifra