Colossus — Otrā pasaules kara pirmais programmējamais elektroniskais dators

Mērķis un izcelsme

Regulāra "Tunny" ziņojumu pārraide pa radio sākās 1941. gada jūnijā. Britu šifratori pamanīja, ka tā izmanto piecu vienību kodu, līdzīgu teleprintera sistēmai. Viņu pētījumi arī parādīja, ka kodēšanu veic rotoru šifrēšanas mašīna ar 12 riteņiem (rotoriem). Katram jaunam nosūtītajam ziņojumam riteņi vispirms bija jāpagriež uz jaunām pozīcijām. Sākuma pozīciju ziņojumam izvēlējās operators, kurš sūtīja ziņojumu. Operatoram, kurš saņēma ziņojumu, viņš ar 12 burtiem, kas nebija šifrēti, norādīja, kādas ir sākuma pozīcijas. Kopējais 12 riteņu iespējamo sākuma pozīciju skaits bija patiešām ļoti liels.

Kodēšanas mašīna saskaita kopā atklāto tekstu (nešifrēto ziņojuma versiju) un rakstzīmju (burtu, ciparu, interpunkcijas zīmju) plūsmu, ko sauc par atslēgas plūsmu (šķietami nejaušu rakstzīmju plūsma), ko tā ģenerē, lai izveidotu šifrtekstu (kodētu ziņojuma versiju). Šifrtekstu, kuram nebija nekādas jēgas, pārraidīja pa radio. Saņēmēja galā identiska iekārta noņēma atslēgas plūsmu, lai iegūtu atklātu ziņojuma tekstu.

Ja vācu operatori vienmēr darbotos pareizi, nevienā no diviem ziņojumiem nebūtu vienāda riteņu sākuma pozīcija. Tomēr kļūdas tika pieļautas. Tās palīdzēja britu šifratoriem. Tā 1941. gada 30. augustā tika nosūtītas divas viena un tā paša ziņojuma versijas, kas bija gandrīz 4000 rakstzīmju gara, ar vienādām riteņu sākuma pozīcijām. Šī kļūda bija ļoti noderīga pētnieciskajiem kodētājiem. Kāds kodētājs Džons Tiltmans spēja iegūt atslēgas plūsmu no šiem ziņojumiem.

Šifrateri mēģināja uz šīs informācijas pamata noskaidrot mašīnas detaļas, taču sākumā viņiem tas neizdevās. Tad viņiem pievienojās jauns šifrators Bils Tutte, kuram uzticēja šo uzdevumu. Pēc ilga darba viņam tas izdevās, un viņš sagatavoja loģisku neredzētās mašīnas aprakstu. Šis darbs tika raksturots kā "lielākais intelektuālais sasniegums Otrajā pasaules karā". Tutte noskaidroja, ka mašīna katru atslēgas signālu veidoja, apvienojot divu piecu riteņu komplektu ietekmi. Riteņu nosaukumiem viņš izmantoja grieķu burtus. Vienu piecu riteņu komplektu viņš nosauca par χ ("chi") riteņiem, bet otru piecu riteņu komplektu - par ψ ("psi") riteņiem. Viņš noskaidroja, ka χ riteņi pārvietojas par vienu pozīciju ar katru jaunu kodētu rakstzīmi. Tomēr ψ riteņi nepārvietojās regulāri. Tie pārvietojās tikai dažkārt. To, vai ψ riteņi pārvietojas, kontrolēja divi riteņi, kurus viņš nosauca par diviem μ ("mu") jeb "motora riteņiem".

Makss Ņūmens bija matemātiķis un kodētājs Bletčlija parkā. Viņam tika uzticēts uzdevums izstrādāt, kā mašīna varētu uzlauzt "Tunny" ziņojumus. Mašīna veiktu aprēķinus daudzām iespējamām χ riteņu sākuma pozīcijām. Sākuma pozīcija, kas pēc šī aprēķina deva vislielāko skaitu, visticamāk, bija pareizā pozīcija. Pirmo mašīnu nosauca par "Heath Robinson". Tas nedarbojās pārāk labi. Tajā bija divas perforētas papīra lentes, kurām bija jādarbojas precīzi kopā. Vienā lentē nepārtrauktā cilpā bija šifrteksts. Otrajā lentē ar cilpu bija kodēšanas mašīnas riteņu veidotie raksti. Lentes bieži izstiepās vai pārtrūka, kad tās darbojās ar ātrumu 2000 rakstzīmju sekundē. Dažreiz lentes nesakārtojās vienā līnijā; tad skaitļi bija nepareizi.

Celtniecības kolosss

Tomijs Flowerss strādāja Pasta pētniecības stacijā Dollis Hill, Londonas ziemeļrietumos. Viņu lūdza apskatīt Hīta Robinsona mašīnu. Viņš uzskatīja, ka tā ir vāja mašīna. Viņš izstrādāja elektronisku mašīnu, lai veiktu to pašu darbu. Tā kodēšanas mašīnas rakstus veidotu ar elektronikas palīdzību, lai būtu vajadzīga tikai viena papīra lente. 1943. gada februārī viņš šo projektu parādīja Maksam Ņūmenam. Šim projektam bija nepieciešami 1500 termionuvārsti (vakuuma lampas). Tikai retais domāja, ka tik daudz vārstu varētu darboties bez daudziem bojājumiem. Tika pasūtītas vēl citas Hīta Robinsona iekārtas. Tomēr Flowerss turpināja īstenot ideju par elektronisko mašīnu. Viņu atbalstīja persona, kas vadīja Pasta pētniecības staciju un ko sauca par Gordonu Radliju. Tomijs Flowerss un viņa komanda sāka darbu pie Colossus 1943. gada februārī.

Lente ar ziņojumu bija jālasa lielā ātrumā. Tomijs Flowerss pārbaudīja lentes lasītāju līdz 9700 burtu sekundē (53 mph (85 km/h), pirms lente pārtrūka. Viņš izvēlējās 5000 rakstzīmju sekundē kā labu ātrumu regulāram darbam. Tas nozīmēja, ka papīra lente pārvietojās ar ātrumu 12 m/s (40 ft/s) jeb 43,9 km/h (27,3 mph). Elektroniskās shēmas darbināja signāls, kas tika iegūts, nolasot perforētās lentes zobratu caurumus.

Pirmais Colossus strādāja Dollis Hill 1943. gada decembrī. Tad Colossus tika izjaukts un pārvests uz Bletčlija parku. Tur tas nonāca 1944. gada 18. janvārī. Harijs Fensoms un Dons Horvuds to atkal salika kopā. Pirmo ziņojumu Colossus nolasīja 5. februārī. Pēc pirmā Colossus (Mark 1) bija deviņas Mark 2 iekārtas. Katrā no tiem bija 2400 vārsti. Tās bija vieglāk lietojamas. Tās varēja ieprogrammēt darbam ar piecas reizes lielāku ātrumu nekā Mark 1. Mark 2 Colossus pirmo reizi darbojās 1944. gada 1. jūnijā.

Sākotnēji Colossus tika izmantots tikai, lai atrastu sākuma riteņa vietas, kas tiek izmantotas ziņojumam (saukts par riteņa iestatīšanu). Šifrateri izdomāja, kā izmantot Mark 2, lai palīdzētu atrast riteņu kumelīšu rakstus (riteņu laušana). Kara beigās Bletčlija parkā strādāja desmit Colossus datori. Tas nozīmēja, ka tika atšifrēti ļoti daudzi ziņojumi.

Projektēšana un izmantošana

Colossus izmantoja detaļas, kas tolaik bija jaunas. Tajā tika izmantotas vakuumlampas, tiratroni un fotomultiplikatori. Tā nolasīja datus no papīra ar gaismas palīdzību. Katram burtam tas veica īpašu darbību; šo īpašo darbību varēja mainīt. Tā skaitīja, cik bieži šī īpašā lieta bija "patiesa". Bija zināms, ka mašīnas ar daudzām vakuumlampām bieži salūza. Tās visvairāk lūza, ieslēdzot, tāpēc Kolosu mašīnas tika izslēgtas tikai tad, kad kāda detaļa salūza.

Colossus bija pirmā no elektroniskajām digitālajām mašīnām, kurai varēja izveidot programmu. Tā nevarēja mainīties tik daudz kā vēlākās mašīnas:

• tai nebija iekšējās programmas. Lai mainītu programmu, cilvēks izmantoja spraudņus, vadus un slēdžus. Šādā veidā tā tika iestatīta jaunai lietai.
• Colossus nebija vispārējas nozīmes mašīna. Tā bija paredzēta tikai viena veida kodu laušanai: skaitīšanai un Bula operācijām.

Tas nebija pilnīgs Tjūringa dators, lai gan Alans Tjūrings strādāja Bletčlija parkā. Šī ideja vēl nebija izdomāta, un lielākā daļa citu agrīno moderno skaitļošanas mašīnu nebija Tjūringa pilnīgas (piemēram, Atanasova-Berija dators, Hārvarda Mark I elektromehāniskā releja mašīna, Džordža Stibica un citu autoru Bell Labs releja mašīnas vai Konrāda Zūzes pirmie plāni). Pagāja ilgs laiks, līdz datorus sāka izmantot daudzām vajadzībām, nevis tikai kalkulatoru vienas sarežģītas problēmas risināšanai.

Ietekme un liktenis

Colossus datoru izmantošana bija ļoti slepena. Arī pats Colossus vēl daudzus gadus pēc kara bija ļoti slepens. Tāpēc Colossus ilgu laiku nevarēja iekļaut datortehnikas vēsturē. Neviens nezināja, cik nozīmīgs bija šis Flowers un citi cilvēki, kas palīdzēja to izveidot.

Par šo slepeno datoru zināja maz cilvēku, tāpēc tam bija maza tieša ietekme uz vēlāko datoru jauno konstrukciju; EDVAC bija agrīnā konstrukcija, kas visvairāk ietekmēja vēlāko datoru konstrukciju.

Kad tika izgatavots Colossus, daži cilvēki jau zināja, ka ir iespējams izgatavot ātrdarbīgas elektroniskas (bez kustīgām daļām, piemēram, elektriskajiem relejiem) digitālās skaitļošanas ierīces, kas nav pārāk bojātas. Tikai ar šīm zināšanām pietika, lai būtiski ietekmētu agrīno datoru konstrukcijas Lielbritānijā un, iespējams, arī ASV. Cilvēki, kas zināja par Colossus, bija svarīgi agrīno datoru jomā Lielbritānijā. Hermans Goldstīns 1972. gadā rakstīja, ka:

Lielbritānijai bija tik liela vitalitāte (enerģija vai dzinējspēks), ka tā uzreiz pēc kara varēja uzsākt tik daudzus labi plānotus un paveiktus projektus datoru jomā.

To rakstot, Goldstīns nezināja par Kolosu. Viņš nezināja, ko tas atstāja projektos cilvēkiem, kuri par to zināja. Tādi cilvēki kā Alans Tjūrings (ar Pilot ACE un ACE), Makss Ņūmens un I. J. Guds (ar Manchester Mark 1 un citiem agrīnajiem Mančestras datoriem). Braiens Randels vēlāk rakstīja, ka:

COLOSSUS projekts bija svarīgs šīs vitalitātes (enerģijas vai dzinējspēka) avots, kas līdz šim nav bijis labi izprasts un zināms, tāpat kā tā vietas nozīme digitālā datora izgudrošanas laika līnijā.

Colossus plāni un iekārtas bija slepeni no brīža, kad tie tika izgatavoti. Tie tādi palika arī pēc kara, kad Vinstons Čērčils pavēlēja iznīcināt lielāko daļu Colossus mašīnu, sadalot tās "detaļās, kas nav lielākas par cilvēka roku"; pats Tomijs Flowerss sadedzināja plānus kamīnā Dollis Hill. Dažas detaļas, pārveidotas, lai izskatītos nevainīgas, tika aizvestas uz Ņūmena Karaliskās biedrības skaitļošanas mašīnu laboratoriju Mančestras Universitātē. Colossus Mark 1 tika izjaukts, un detaļas nosūtīja atpakaļ uz pastu. Divi Colossus datori kopā ar divām kopētām Tunny mašīnām tika saglabāti. Tie 1946. gada aprīlī tika pārvietoti uz GCHQ jauno galveno biroju Īstkotas (Eastcote) rajonā. No 1952. līdz 1954. gadam tie kopā ar GCHQ atkal pārcēlās uz Čeltenhemu. Viens no datoriem, pazīstams kā Colossus Blue, tika izjaukts 1959. gadā, otrs - 1960. gadā. Vēlākajos gados datorus izmantoja apmācībai. Pirms tam bija mēģinājumi tos pārveidot (dažkārt labi) citiem mērķiem. Džeks Guds bija pirmais, kurš pēc kara panāca, ka NSA izmantoja Colossus darbam, kam bija plānots uzbūvēt speciālas nozīmes mašīnu. Colossus tika izmantots arī, lai veiktu burtu skaitīšanu uz vienreizējās lentes, lai pārbaudītu, vai tā nav nejaušība.

Šajā laikā Colossus joprojām bija slepens, vēl ilgi pēc tam, kad jebkādas tā tehniskās detaļas bija kļuvušas svarīgas. Tas bija saistīts ar to, ka Apvienotās Karalistes izlūkošanas aģentūras izmantoja Enigmai līdzīgas iekārtas, kuras tās lika iegādāties citu valstu valdībām. Pēc tam aģentūras kodus lauza, izmantojot dažādus veidus. Ja zināšanas par šifrēšanas mašīnām būtu bijušas plaši zināmas, neviens nebūtu pieņēmis šīs mašīnas; drīzāk būtu izstrādātas savas šifrēšanas metodes, metodes, kuras Apvienotās Karalistes dienesti, iespējams, nebūtu spējuši uzlauzt. Nepieciešamība pēc šādiem noslēpumiem pamazām izzuda, kad komunikācijas pārgāja uz digitālo pārraidi un 60. gados izplatījās pilnībā digitālas šifrēšanas sistēmas.

Pulkveža Vinterbotema grāmata "Ultra noslēpums" iznāca 1975. gadā. Tā pārtrauca noslēpumainību ap Kolosu. Pēc tam, 70. gadu beigās, publiski kļuva zināma sīkāka informācija par datoru.

GCHQ 2000. gada oktobrī valsts Publisko ierakstu birojam iesniedza 500 lappušu garu tehnisko ziņojumu par Tunny šifru un tā kodu laušanu ar nosaukumu General Report on Tunny; pilns tehniskais ziņojums ir pieejams tiešsaistē.

Atkārtoti

Tonija Salea vadītā komanda uzbūvēja darbojošos Colossus Mark 2 kopiju. Plāni un mašīnas tika iznīcinātas, taču pārsteidzoši daudz citu materiālu netika iznīcināti. Tas lielākoties atradās inženieru piezīmju grāmatiņās, no kurām liela daļa atradās ASV. Optiskās lentes nolasītājs varētu būt bijusi lielākā problēma, taču tā konstruktors Dr. Arnolds Linčs spēja to pārstrādāt no saviem pirmajiem pierakstiem. Pārbūvētais Colossus ir apskatāms Nacionālajā skaitļošanas tehnikas muzejā (The National Museum of Computing) H blokā Bletchley Park Milton Keynes, Bakingemšīrā. Tieši tur Colossus Nr. 9 tika izmantots kara laikā.

2007. gada novembrī, lai atzīmētu gan darba beigas, gan līdzekļu vākšanas sākumu (lūdzot naudu), viņi rīkoja konkursu. Iegūtā nauda palīdzētu Nacionālajam skaitļošanas tehnikas muzejam organizēt šifrēšanas sacensības, kurās atjaunotais Colossus sacentīsies ar radioamatieriem visā pasaulē. Uzvarēja tas, kurš pirmais noklausījās un atšifrēja trīs šifrētos ziņojumus. Tos šifrētu, izmantojot Lorenz SZ42, un pārraidītu no radiostacijas Heinz Nixdorf MuseumsForum datoru muzejā Vācijā. Sacensībās viegli uzvarēja radioamatieris Joahims Šīts. Šīts bija gatavojies šim pasākumam. Viņš izveidoja savu signālu apstrādes un kodu laušanas programmu, izmantojot Ada. Colossus komanda zaudēja, jo viņi vēlējās izmantot Otrā pasaules kara radioaparātus. Viņi kavējās par vienu dienu slikto radio apstākļu dēļ. Uzvarētāja 1,4 GHz klēpjdatorā, kurā darbojās viņa paša programma, vajadzēja mazāk nekā minūti, lai atrastu visu 12 riteņu iestatījumus. Vācu šifrētājs teica: "Mans klēpjdators strādāja ar šifrtekstu ar ātrumu 1,2 miljoni burtu sekundē - 240 reizes ātrāk nekā Colossus. Ja salīdzinātu abus datorus, varētu teikt, ka Colossus ātrums bija 5,8 MHz. Tas ir ļoti ātri 1944. gadā uzbūvētam datoram."

Saistītās lapas

• ENIAC
• Superdators
• Enigma (mašīna)
• Lorenca šifrs