Colossus: první programovatelný počítač Bletchley Parku pro kryptoanalýzu

Pravidelné rádiové vysílání zpráv "Tunny" začalo v červnu 1941. Britští luštitelé si všimli, že používá pětijednotkový kód podobný systému dálnopisu. Jejich výzkum také ukázal, že kódování provádí rotorový šifrovací stroj s 12 koly (rotory). Pro každou novou odeslanou zprávu se musela kolečka nejprve otočit do nových poloh. Počáteční pozici pro zprávu volil operátor, který zprávu odesílal. Operátorovi, který zprávu přijímal, sdělil počáteční pozice pomocí 12 písmen, která nebyla zakódována. Celkový počet možných počátečních poloh 12 kol byl skutečně velmi velký.

Kódovací stroj spojil dohromady otevřený text (nekódovanou verzi zprávy) a proud znaků (písmen, číslic, interpunkčních znamének) zvaný klíčový proud (proud zdánlivě náhodných znaků), který vygeneroval, a vytvořil tak šifrový text (kódovanou verzi zprávy). Šifrový text, který nedával žádný smysl, byl přenášen rádiem. Na přijímacím konci identický stroj odstranil proud klíčů a vytvořil otevřený text zprávy.

Pokud by němečtí operátoři pracovali vždy správně, neměly by žádné dvě zprávy stejnou počáteční polohu kol. K chybám však docházelo. Pomohly britským kodérům. Dne 30. srpna 1941 byly odeslány dvě verze téže zprávy, která měla téměř 4 000 znaků, se stejnými počátečními polohami kol. Tato chyba byla pro výzkumné kodéry velmi užitečná. Luštič kódů jménem John Tiltman dokázal z těchto zpráv získat klíčový proud.

Z těchto informací se luštitelé pokoušeli zjistit podrobnosti o stroji, ale zpočátku se jim to nedařilo. Poté se k nim připojil mladý luštitel kódů Bill Tutte, který dostal tento úkol. Po dlouhé práci se mu to podařilo a vytvořil logický popis neviditelného stroje. Tato práce byla označena za "největší intelektuální úspěch druhé světové války". Tutte přišel na to, že stroj vytváří každý znak klíčového proudu kombinací účinků dvou sad pěti koleček. Pro pojmenování kol použil řecká písmena. Jednu sadu pěti koleček nazval χ ("chi") a druhou sadu pěti koleček ψ ("psi"). Zjistil, že kola χ se při každém novém zakódovaném znaku posunou o jednu pozici. Kola ψ se však nepohybovala pravidelně. Pohybovala se jen v některých případech. To, zda se kolečka ψ pohybovala, nebo ne, řídila dvě kolečka, která nazval dvě μ ("mu") nebo "motorová kolečka".

Max Newman byl matematik a luštitel kódů v Bletchley Parku. Byl pověřen úkolem zjistit, jak by stroj mohl rozluštit zprávy "Tunny". Stroj by provedl výpočet pro mnoho možných počátečních poloh χ kol. Počáteční pozice, která z tohoto výpočtu dávala největší počet, byla pravděpodobně ta správná. První stroj se jmenoval "Heath Robinson". Ten nefungoval příliš dobře. Měl dvě děrné papírové pásky, které musely pracovat přesně společně. Jedna páska obsahovala šifrový text v souvislé smyčce. Druhá smyčková páska obsahovala vzory vytvořené koly šifrovacího stroje. Pásky se při rychlosti 2000 znaků za sekundu často natahovaly nebo přetrhávaly. Někdy se pásky nesrovnaly; pak byly počty chybné.

Tommy Flowers pracoval na výzkumné stanici poštovního úřadu v Dollis Hill v severozápadním Londýně. Byl požádán, aby se podíval na stroj Heath Robinson. Myslel si, že je to slabý stroj. Navrhl elektronický stroj, který by dělal stejnou práci. Vytvářel by vzory kódovacího stroje pomocí elektroniky, takže by byla potřeba pouze jedna papírová páska. V únoru 1943 ukázal tento návrh Maxi Newmanovi. Návrh potřeboval 1 500 termionickýchventilů (vakuových trubic). Málokdo si myslel, že by tolik ventilů mohlo fungovat, aniž by jich mnoho selhalo. Byly objednány další stroje Heath Robinson. Flowers se však stále držel myšlenky elektronického stroje. Podpořil ho člověk pověřený vedením výzkumné stanice poštovního úřadu, který se jmenoval Gordon Radley. Tommy Flowers a jeho tým začali na Colossu pracovat v únoru 1943.

Páska se zprávou musela být přečtena v rychlosti. Tommy Flowers testoval čtečku pásky rychlostí až 9 700 písmen za sekundu (53 mil za hodinu (85 km/h), než se páska přetrhla. Jako vhodnou rychlost pro běžnou práci zvolil 5 000 znaků za sekundu. To znamenalo, že se papírová páska pohybovala rychlostí 40 stop/s (12 m/s) nebo 27,3 mph (43,9 km/h). Elektronické obvody byly řízeny signálem vytvořeným čtením ozubených koleček v děrné pásce.

První Colossus pracoval na Dollis Hill v prosinci 1943. Poté Colossus rozebrali a přesunuli do Bletchley Parku. Tam se dostal 18. ledna 1944. Harry Fensom a Don Horwood ho dali znovu dohromady. Colossus přečetl svou první zprávu 5. února. Po prvním Colossu (Mark 1) následovalo devět strojů Mark 2. Každý z nich měl 2 400 ventilů. Jejich používání bylo jednodušší. Mohly být naprogramovány tak, aby pracovaly pětinásobnou rychlostí než Mark 1. Kolos Mark 2 poprvé pracoval 1. června 1944.

Zpočátku se Colossus používal pouze k vyhledávání výchozích míst kola pro zprávu (tzv. nastavení kola). Luštiči kódů přišli na to, jak použít Mark 2 k tomu, aby pomohl najít vzory vaček na kolech (lámání kol). Na konci války pracovalo v Bletchley Parku deset počítačů Colossus. To znamenalo, že bylo rozluštěno velmi mnoho zpráv.

Colossus použil díly, které byly tehdy nové. Používal vakuové elektronky, tyratrony a fotonásobiče. Čítal z papíru pomocí světla. Pro každé písmeno pak dělal speciální věc; tu speciální věc bylo možné měnit. Počítal, jak často je tato speciální věc "pravdivá". O strojích s mnoha elektronkami bylo známo, že se často rozbíjejí. Nejvíce se rozbíjejí při zapínání, proto se stroje Colossus vypínaly jen tehdy, když se rozbila nějaká součástka.

Colossus byl první z elektronických digitálních strojů, který mohl mít program. Nemohl se měnit tolik jako pozdější stroje:

• neměl v sobě žádný program. Člověk měnil program pomocí zástrček, drátů a přepínačů. Takto byl nastaven pro novou věc, kterou měl udělat.
• Colossus nebyl univerzální stroj. Byl vytvořen pouze pro jeden druh lámání kódu: počítání a booleovské operace.

Nebyl to Turingův kompletní počítač, i když Alan Turing v Bletchley Parku pracoval. Tato myšlenka ještě nebyla vymyšlena a většina ostatních raných moderních výpočetních strojů nebyla Turingova úplná (například: Atanasoff-Berry Computer, elektromechanický reléový stroj Harvard Mark I, reléové stroje Bell Labs George Stibitze a dalších nebo první plány Konrada Zuseho). Trvalo dlouho, než se počítače začaly používat k mnoha účelům, a ne jen jako kalkulačka pro řešení jednoho těžkého problému.

K čemu počítače Colossus sloužily, bylo velmi tajné. Samotný Colossus byl velmi tajný i mnoho let po válce. Proto nemohl být Colossus dlouho zařazen do historie počítačového hardwaru. Nikdo nevěděl, jak důležitý ten Flowers a další lidé, kteří se na jeho výrobě podíleli, byli.

O tomto tajném počítači vědělo jen málo lidí, takže měl jen malý přímý vliv na novou konstrukci pozdějších počítačů; EDVAC byl raný návrh, který měl největší vliv na pozdější konstrukci počítačů.

Jakmile byl vyroben Colossus, někteří lidé už věděli, že lze vyrobit vysokorychlostní elektronická (bez pohyblivých částí, jako jsou elektrická relé) digitální výpočetní zařízení, která se příliš nerozbíjejí. Už jen tento poznatek stačil k tomu, aby měl velký vliv na konstrukce prvních počítačů v Británii a pravděpodobně i v USA. Lidé, kteří věděli o Colossusu, byli v Británii důležití v oblasti raných počítačů. V roce 1972 to napsal Herman Goldstine:

Británie měla takovou vitalitu (energii či elán), že mohla hned po válce zahájit tolik dobře naplánovaných a dobře provedených projektů v oblasti počítačů.

Když Goldstine psal tuto knihu, nevěděl o Colossu. Nevěděl, co zanechal v projektech lidí, kteří o něm věděli. Lidé jako Alan Turing (s počítači Pilot ACE a ACE) a Max Newman a I. J. Good (s počítačem Manchester Mark 1 a dalšími ranými manchesterskými počítači). Později o tom napsal Brian Randell:

projekt COLOSSUS byl důležitým zdrojem této vitality (energie nebo pohonu), který nebyl dostatečně pochopen nebo znám, stejně jako význam jeho místa v časové linii vynálezu digitálního počítače.

Plány a strojní vybavení Kolosu byly tajné od okamžiku, kdy byly vyrobeny. Zůstaly jimi i po válce, kdy Winston Churchill nařídil zničit většinu strojů Colossus na "součástky ne větší než lidská ruka"; Tommy Flowers sám spálil plány v krbu v Dollis Hill. Některé části, upravené tak, aby vypadaly nevinně, byly odvezeny do Newmanovy laboratoře výpočetních strojů Královské společnosti na Manchesterské univerzitě. Colossus Mark 1 byl rozebrán a díly byly odeslány zpět na poštu. Dva počítače Colossus spolu se dvěma okopírovanými stroji Tunny byly uschovány. V dubnu 1946 byly přemístěny do nového sídla GCHQ v Eastcote. V letech 1952 až 1954 se spolu s GCHQ opět stěhovaly do Cheltenhamu. Jeden z počítačů, známý jako Colossus Blue, byl rozebrán v roce 1959, druhý v roce 1960. V pozdějších letech se počítače používaly ke školení. Předtím se objevily pokusy o jejich (někdy i zdařilou) změnu pro jiné účely. Jako první je po válce použil Jack Good, když přiměl NSA, aby Colossus použila k něčemu, pro co plánovala postavit speciální stroj. Colossus byl také používán k provádění počítání písmen na páskách jednorázových bloků pro testování nenáhodnosti.

V této době byl Colossus stále tajný, dlouho poté, co byly důležité všechny jeho technické detaily. Bylo to způsobeno tím, že britské zpravodajské služby používaly stroje podobné Enigmě, které si od nich kupovaly vlády ostatních zemí. Tyto agentury pak kódy prolamovaly různými způsoby. Kdyby byla znalost strojů na lámání kódů všeobecně známa, nikdo by tyto stroje nepřijal; spíše by vyvinul vlastní metody šifrování, metody, které by britské služby nemusely být schopny prolomit. Potřeba takových tajemství pomalu vymizela, když komunikace přešla na digitální přenos a v 60. letech 20. století se rozšířily plně digitální šifrovací systémy.

Kniha plukovníka Winterbothama The Ultra Secret vyšla v roce 1975. Ta prolomila tajemství kolem Colossu. Poté se koncem 70. let začaly na veřejnost dostávat podrobnosti o počítači.

V říjnu 2000 předala GCHQ Národnímu úřadu pro veřejné záznamy 500stránkovou technickou zprávu o šifře Tunny a jejím prolomení s názvem General Report on Tunny; kompletní technická zpráva je k dispozici na internetu.

Tým pod vedením Tonyho Saleho sestrojil funkční kopii letounu Colossus Mark 2. Plány a stroje byly zničeny, ale překvapivé množství dalšího materiálu zničeno nebylo. Většinou se nacházel v zápisnících inženýrů, z nichž velká část byla v USA. Největším problémem mohla být čtečka optických pásek, ale její konstruktér Dr. Arnold Lynch ji dokázal přepracovat podle svých prvních zápisů. Přestavěný Colossus je k vidění v Národním muzeu výpočetní techniky (The National Museum of Computing) v bloku H Bletchley Park v Milton Keynes v hrabství Buckinghamshire. Právě zde byl Colossus č. 9 za války používán.

V listopadu 2007 uspořádali soutěž u příležitosti ukončení prací a zahájení shromažďování finančních prostředků (žádosti o peníze). Peníze by pomohly Národnímu muzeu výpočetní techniky se soutěží v šifrování, kde by přestavěný Colossus soutěžil s radioamatéry z celého světa. Vyhrál by ten, kdo by jako první slyšel a rozluštil tři zašifrované zprávy. Ty by byly zašifrovány pomocí Lorenzova SZ42 a vysílány z radiostanice v počítačovém muzeu Heinz Nixdorf MuseumsForum v Německu. Soutěž snadno vyhrál radioamatér Joachim Schüth. Schüth se na akci připravil. Vytvořil si vlastní program pro zpracování signálu a lámání kódů pomocí programu Ada. Tým Colossus prohrál, protože chtěl použít rádia z druhé světové války,. Kvůli špatným rádiovým podmínkám se opozdili o den. Vítěznému notebooku s frekvencí 1,4 GHz, na kterém běžel jeho vlastní program, trvalo méně než minutu, než našel nastavení pro všech 12 kol. Německý luštitel kódů řekl: "Můj notebook pracoval na šifrovém textu rychlostí 1,2 milionu písmen za sekundu - 240x rychleji než Colossus. Pokud byste oba počítače porovnali, mohli byste říci, že Colossus měl rychlost 5,8 MHz. To je na počítač postavený v roce 1944 velmi vysoká rychlost."

• ENIAC
• Superpočítač
• Enigma (stroj)
• Šifra Lorenze