Colossus (calculator) | primul calculator electronic digital programabil din lume

Scop și origini

Transmisia regulată prin radio a mesajelor "Tunny" a început în iunie 1941. Spărgătorii de coduri britanici au văzut că acesta folosea un cod cu cinci unități, ca un sistem de teleimprimare. Cercetările lor au arătat, de asemenea, că codificarea era realizată de o mașină de cifrare cu rotor cu 12 roți (rotoare). Pentru fiecare mesaj nou trimis, roțile trebuiau mai întâi să fie rotite în poziții noi. Poziția de pornire a mesajului era aleasă de către operatorul care trimitea mesajul. Acesta îi spunea operatorului care primea mesajul care erau pozițiile de start cu 12 litere care nu erau codificate. Numărul total de poziții de pornire posibile ale celor 12 roți era într-adevăr foarte mare.

Mașina de codificare a adunat textul în clar (versiunea necodificată a mesajului) și un flux de caractere (litere, cifre, semne de punctuație) numit keystream (un flux de caractere aparent aleatorii) pe care l-a generat pentru a obține textul cifrat (versiunea codificată a mesajului). Textul cifrat, care nu avea niciun sens, era transmis prin radio. La capătul de recepție, o mașină identică elimina fluxul de chei pentru a produce textul în clar al mesajului.

Dacă operatorii germani ar fi funcționat întotdeauna corect, nu ar fi existat două mesaje cu aceeași poziție de pornire a roților. Cu toate acestea, s-au făcut greșeli. Acestea i-au ajutat pe spărgătorii de coduri britanici. La 30 august 1941, două versiuni ale aceluiași mesaj, care avea aproape 4.000 de caractere, au fost trimise cu aceleași poziții de pornire a roților. Această greșeală a fost foarte utilă pentru spărgătorii de coduri de cercetare. Un spărgător de coduri pe nume John Tiltman a reușit să obțină fluxul de chei din aceste mesaje.

Descifratorii de coduri au încercat să afle detaliile mașinii din aceste informații, dar la început nu au reușit. Acestora li s-a alăturat un tânăr spărgător de coduri pe nume Bill Tutte, căruia i s-a încredințat sarcina. După multă muncă, acesta a reușit și a realizat o descriere logică a mașinii nevăzute. Această lucrare a fost descrisă ca fiind "cea mai mare realizare intelectuală a celui de-al Doilea Război Mondial". Tutte și-a dat seama că mașina producea fiecare caracter al fluxului de chei prin combinarea efectelor a două seturi de cinci roți. A folosit litere grecești pentru a denumi roțile. A numit un set de cinci roți χ ("chi"), iar celălalt set de cinci roți ψ ("psi"). El a calculat că roțile χ se deplasau pe o poziție pentru fiecare nou caracter codificat. Cu toate acestea, roțile ψ nu se mișcau în mod regulat. Ele se mișcau doar o parte din timp. Mișcarea sau nu a roților ψ era controlată de două roți pe care le-a numit μ ("mu") sau "roți motoare".

Max Newman a fost matematician și spărgător de coduri la Bletchley Park. I s-a încredințat sarcina de a descoperi cum o mașină ar putea sparge mesajele "Tunny". Mașina trebuia să calculeze mai multe poziții posibile de pornire a roților χ. Poziția de pornire care dădea cel mai mare număr din acest calcul era probabil cea corectă. Prima mașină s-a numit "Heath Robinson". Aceasta nu a funcționat foarte bine. Avea două benzi de hârtie perforată care trebuiau să funcționeze exact împreună. Una dintre benzi conținea textul cifrat într-o buclă continuă. Cea de-a doua bandă în buclă conținea modelele realizate de roțile mașinii de codificare. Benzile se întindeau sau se rupeau deseori atunci când rulau cu 2000 de caractere pe secundă. Uneori, benzile nu se aliniau; atunci numărătorile erau greșite.

 
Mașina care a primit numele de cod "Tunny" din partea britanicilor. Germanii au folosit-o pentru a codifica comunicațiile secrete prin teleimprimare. Aliații nu au văzut-o până la sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial, când au aflat că este vorba de Lorenz SZ42. Avea zece roți, fiecare cu un număr diferit de came. Existau în total 501 came, fiecare dintre ele putând fi pusă în poziție ridicată (activă) sau coborâtă (inactivă).  

Clădirea Colossus

Tommy Flowers a lucrat la Post Office Research Station din Dollis Hill, în nord-vestul Londrei. I s-a cerut să se uite la aparatul Heath Robinson. A crezut că este o mașină slabă. A proiectat o mașină electronică care să facă aceeași treabă. Aceasta ar fi realizat modelele mașinii de codificare prin intermediul electronicii, astfel încât să fie nevoie doar de o singură bandă de hârtie. În februarie 1943, i-a arătat lui Max Newman acest proiect. Proiectul avea nevoie de 1.500 de valve termoionice (tuburi cu vid). Puțini erau cei care credeau că atât de multe valve ar putea funcționa fără ca multe să cedeze. Au fost comandate mai multe aparate Heath Robinson. Cu toate acestea, Flowers a păstrat ideea unei mașini electronice. El a primit sprijin de la Gordon Radley, șeful său de la Post Office Research Station. Tommy Flowers și echipa sa au început să lucreze la Colossus în februarie 1943.

Caseta cu mesajul trebuia citită rapid. Tommy Flowers a testat cititorul de bandă până la 9.700 de litere/secundă (53 mph (85 km/h)) înainte ca banda să se rupă. El a ales 5.000 de caractere pe secundă ca fiind o viteză bună pentru munca obișnuită. Aceasta însemna că banda de hârtie se deplasa cu 12 m/s (40 ft/s) sau 43,9 km/h (27,3 mph). Circuitele electronice erau acționate de un semnal realizat prin citirea găurilor de pinioane ale benzii perforate.

Primul Colossus a funcționat la Dollis Hill în decembrie 1943. Apoi au demontat Colossus și l-au mutat la Bletchley Park. A ajuns acolo pe 18 ianuarie 1944. Harry Fensom și Don Horwood l-au asamblat la loc. Colossus a citit primul său mesaj pe 5 februarie. După primul Colossus (Mark 1) au urmat nouă mașini Mark 2. Fiecare dintre acestea avea 2.400 de valve. Erau mai ușor de utilizat. Acestea puteau fi programate să lucreze la o viteză de cinci ori mai mare decât Mark 1. Un Colossus Mark 2 a funcționat pentru prima dată la 1 iunie 1944.

La început, Colossus a fost folosit doar pentru a găsi locurile de pornire ale roților folosite pentru un mesaj (numit "setarea roților"). Descifratorii de coduri au descoperit cum să folosească Mark 2 pentru a ajuta la găsirea modelelor de came de pe roți (ruperea roților). La sfârșitul războiului, la Bletchley Park funcționau zece computere Colossus. Acest lucru a însemnat că foarte multe mesaje au fost decodate.

 

Proiectare și utilizare

Colossus a folosit piese care erau noi pe atunci. Folosea tuburi cu vid, tiratroni și fotomultiplicatori. Citea pe hârtie cu ajutorul luminii. Apoi făcea un lucru special pentru fiecare literă; acest lucru special putea fi schimbat. Număra cât de des acest lucru special era "adevărat". Se știa că mașinile cu multe tuburi cu vid se strică foarte des. Acestea se strică cel mai mult la pornire, așa că mașinile Colossus erau oprite doar atunci când se rupea o piesă.

Colossus a fost prima dintre mașinile electronice digitale care putea avea un program. Acesta nu se putea schimba la fel de mult ca mașinile ulterioare:

• nu avea niciun program în sine. O persoană folosea fișe, cabluri și întrerupătoare pentru a schimba programul. Așa a fost configurat pentru a face un lucru nou.
• Colossus nu era o mașină de uz general. A fost făcută pentru un singur tip de spargere de coduri: numărare și operații booleene.

Nu a fost un computer Turing complet, chiar dacă Alan Turing a fost la Bletchley Park. Această idee nu fusese încă gândită, iar majoritatea celorlalte mașini de calcul moderne timpurii nu au fost Turing-complete (cum ar fi: calculatorul Atanasoff-Berry, mașina de releu electromecanică Harvard Mark I, mașinile de releu Bell Labs ale lui George Stibitz și ale altora sau primele planuri ale lui Konrad Zuse). A fost nevoie de mult timp pentru ca calculatoarele să fie folosite pentru mai multe utilizări, în loc de un calculator doar pentru rezolvarea unei singure probleme dificile.

 

Influență și destin

La ce erau folosite computerele Colossus era foarte secret. Colossus în sine a fost foarte secret chiar și mulți ani după război. Din acest motiv, Colossus nu a putut fi inclus în istoria hardware-ului de calcul pentru o perioadă lungă de timp. Nimeni nu știa cât de importante erau acel Flowers și ceilalți oameni care au contribuit la realizarea lui.

Puțini oameni au știut despre acest computer secret, astfel încât acesta a avut un efect direct redus asupra noului design al computerelor ulterioare; EDVAC a fost proiectul timpuriu care a avut cel mai mare efect asupra designului calculatoarelor ulterioare.

Odată ce Colossus a fost realizat, unii oameni știau că se puteau realiza dispozitive de calcul digitale electronice de mare viteză (fără părți mobile, cum ar fi relee electrice) și că acestea nu se strică prea mult. Doar aceste cunoștințe au fost suficiente pentru a avea un efect important asupra proiectării primelor computere din Marea Britanie și, probabil, din SUA. Persoanele care au știut despre Colossus au fost importante în domeniul calculatoarelor timpurii din Marea Britanie. În 1972, Herman Goldstine a scris următoarele:

Marea Britanie a avut o asemenea vitalitate (energie sau dinamică) încât a putut, imediat după război, să demareze atât de multe proiecte bine planificate și bine realizate în domeniul informaticii.

Când a scris asta, Goldstine nu știa de Colossus. Nu știa ce a lăsat la proiectele oamenilor care știau despre el. Oameni precum Alan Turing (cu Pilot ACE și ACE) și Max Newman și I. J. Good (cu Manchester Mark 1 și alte computere Manchester timpurii). Brian Randell a scris mai târziu că:

proiectul COLOSSUS a fost o sursă importantă a acestei vitalități (energie sau dinamică), care nu a fost bine înțeleasă sau cunoscută, la fel ca și importanța locului pe care îl ocupă în cronologia inventării computerului digital.

Planurile și mașinăriile Colossus au fost secrete încă din momentul în care au fost realizate. Au rămas așa și după război, când Winston Churchill a ordonat distrugerea majorității mașinilor Colossus în "piese nu mai mari decât o mână de om"; Tommy Flowers însuși a ars planurile într-un șemineu la Dollis Hill. Unele părți, schimbate pentru a părea nevinovate, au fost duse la Laboratorul de mașini de calcul al Societății Regale Newman de la Universitatea din Manchester. Colossus Mark 1 a fost dezmembrat, iar piesele au fost trimise înapoi la Poștă. Au fost păstrate două calculatoare Colossus, împreună cu două mașini Tunny copiate. Acestea au fost mutate la noul sediu central al GCHQ din Eastcote în aprilie 1946. Au fost mutate din nou împreună cu GCHQ la Cheltenham între 1952 și 1954. Unul dintre calculatoare, cunoscut sub numele de Colossus Blue, a fost demontat în 1959, iar celălalt în 1960. În ultimii ani, calculatoarele au fost folosite pentru instruire. Înainte de aceasta, au existat încercări de a le modifica (uneori bine) în alte scopuri. Jack Good a fost primul care l-a folosit după război, obținând ca NSA să folosească Colossus pentru a face ceva pentru care plănuia să construiască o mașină cu scop special. Colossus a fost, de asemenea, folosit pentru a efectua numărători de litere pe benzile de tip "one-time pad" pentru a testa lipsa de aleatorism.

În acest moment, Colossus era încă secret, cu mult timp după ce toate detaliile tehnice ale acestuia au căpătat importanță. Acest lucru s-a datorat faptului că agențiile de informații din Marea Britanie au folosit mașini asemănătoare cu Enigma, pe care le-au făcut să fie cumpărate de alte guverne. Agențiile au descifrat apoi codurile folosind diferite metode. Dacă cunoștințele despre mașinile de spargere a codurilor ar fi fost cunoscute la scară largă, nimeni nu ar fi acceptat aceste mașini; mai degrabă, ar fi dezvoltat propriile metode de criptare, metode pe care serviciile britanice nu ar fi putut să le spargă. Nevoia de astfel de secrete a dispărut încet-încet, pe măsură ce comunicațiile au trecut la transmisia digitală și sistemele de criptare complet digitale au devenit obișnuite în anii 1960.

Cartea colonelului Winterbotham, The Ultra Secret, a apărut în 1975. Aceasta a rupt secretul din jurul Colossus. După aceea, detaliile despre computer au început să devină publice la sfârșitul anilor 1970.

În octombrie 2000, GCHQ a prezentat un raport tehnic de 500 de pagini privind cifrul Tunny și descifrarea codurilor - intitulat General Report on Tunny - la Public Record Office (Oficiul Național de Evidență a Documentelor Publice); raportul tehnic complet este disponibil online.

 

Făcând-o din nou

O echipă condusă de Tony Sale a construit o copie funcțională a unui Colossus Mark 2. Planurile și mașinile fuseseră distruse, dar o cantitate surprinzătoare de alte materiale nu a fost distrusă. Acesta se afla în mare parte în caietele inginerilor, mare parte dintre ele în SUA. Cititorul de bandă optică ar fi putut fi cea mai mare problemă, dar Dr. Arnold Lynch, proiectantul acestuia, a reușit să îl reproiecteze din primele sale scrieri. Colossus-ul reconstruit este expus la Muzeul Național de Informatică, în H Block Bletchley Park din Milton Keynes, Buckinghamshire. Acesta este locul unde Colossus nr. 9 a fost folosit în timpul războiului.

În noiembrie 2007, pentru a marca atât sfârșitul lucrărilor, cât și începutul strângerii de fonduri (solicitarea de bani), au organizat un concurs. Banii obținuți ar fi ajutat Muzeul Național de Informatică să organizeze un concurs de cifrare în cadrul căruia Colossus reconstruit ar fi concurat cu radioamatori din întreaga lume. Primul care a auzit și a decodificat trei mesaje cifrate a câștigat. Acestea ar fi fost cifrate cu ajutorul Lorenz SZ42 și transmise de la stația radio din muzeul de informatică Heinz Nixdorf MuseumsForum Archived 2012-03-19 at the Wayback Machine din Germania. Concursul a fost câștigat cu ușurință de radioamatorul Joachim Schüth. Schüth se pregătise pentru acest eveniment. El și-a făcut propriul program de procesare a semnalelor și de spargere a codurilor folosind Ada. Echipa Colossus a pierdut pentru că a vrut să folosească radiouri din al Doilea Război Mondial,. Au întârziat cu o zi din cauza condițiilor radio nefavorabile. Laptopul de 1,4 GHz al învingătorului, care a rulat propriul program, a avut nevoie de mai puțin de un minut pentru a găsi setările pentru toate cele 12 roți. Spărgătorul de coduri german a spus: "Laptopul meu a lucrat pe textul cifrat la o viteză de 1,2 milioane de litere pe secundă - de 240 de ori mai rapid decât Colossus. Dacă se compară cele două computere, se poate spune că Colossus avea o viteză de 5,8 MHz. Este foarte rapid pentru un computer construit în 1944."

 
În 2006, Tony Sale (dreapta) este la conducere. Ei sparg un mesaj cifrat cu ajutorul mașinii finalizate. Din 1994, echipa sa construiește un nou computer Colossus la Bletchley Park.  

Pagini conexe

• ENIAC
• Supercomputer
• Enigma (mașină)
• Cifrul Lorenz