Colossus: az első programozható elektronikus számítógép a Bletchley Parkban

A "Tunny" üzenetek rendszeres rádióadása 1941 júniusában kezdődött. A brit kódtörők látták, hogy az öt egységből álló kódot használ, mint egy távírórendszer. Kutatásaik azt is kimutatták, hogy a kódolást egy 12 kerékkel (rotorral) ellátott rotoros rejtjelező gép végezte. Minden egyes új üzenet küldéséhez a kerekeket először új pozícióba kellett fordítani. Az üzenet kezdőpozícióját az üzenetet küldő operátor választotta ki. Az üzenetet fogadó operátornak 12 nem kódolt betűvel közölte az üzenet kezdőpozícióját. A 12 kerék lehetséges kiindulási pozícióinak száma valóban nagyon nagy volt.

A kódoló gép összeadta az egyszerű szöveget (az üzenet kódolatlan változatát) és egy karakterfolyamot (betűk, számok, írásjelek), az úgynevezett kulcsfolyamot (egy látszólag véletlenszerű karakterekből álló folyamot), amelyet a kódolt szöveg (az üzenet kódolt változata) előállításához generált. A rejtjelezett szöveget, amelynek semmi értelme nem volt, rádión keresztül továbbították. A fogadó végén egy ugyanilyen gép eltávolította a kulcsfolyamot, hogy előállítsa az üzenet tiszta szövegét.

Ha a német operátorok mindig helyesen dolgoztak volna, akkor nem lenne két olyan üzenet, amelynek a kerekek kezdőpozíciója megegyezne. Hibák azonban előfordultak. Ezek segítették a brit kódfejtőket. 1941. augusztus 30-án ugyanannak a közel 4000 karakter hosszú üzenetnek két változatát küldték el, azonos kerékindítási pozícióval. Ez a hiba nagyon hasznos volt a kutató kódtörők számára. Egy John Tiltman nevű kódtörő képes volt megszerezni a kulcsfolyamot ezekből az üzenetekből.

A kódtörők megpróbálták ezekből az információkból kidolgozni a gép részleteit, de eleinte kudarcot vallottak. Ezután csatlakozott hozzájuk egy Bill Tutte nevű fiatal kódtörő, aki megkapta a feladatot. Sok munka után sikerült neki, és logikus leírást készített a láthatatlan gépről. Ezt a munkát "a második világháború legnagyobb szellemi teljesítményének" nevezték. Tutte dolgozta ki, hogy a gép minden kulcsfolyam karakterét két öt kerékből álló sorozat hatásának kombinálásával állította elő. A kerekek elnevezésére görög betűket használt. Az egyik ötös készletet χ ("chi") kerekeknek, a másik ötös készletet pedig ψ ("psi") kerekeknek nevezte el. Kiszámította, hogy a χ kerekek minden egyes új kódolt karakter esetén egy pozíciót mozdultak el. A ψ-kerekek azonban nem mozogtak rendszeresen. Csak néhány alkalommal mozogtak. Azt, hogy a ψ-kerekek mozogtak-e vagy sem, két kerék szabályozta, amelyeket ő két μ ("mu") vagy "motorkeréknek" nevezett el.

Max Newman matematikus és kódfejtő volt a Bletchley Parkban. Azt a feladatot kapta, hogy dolgozza ki, hogyan tudná egy gép feltörni a "Tunny" üzeneteket. A gép számításokat végzett volna a χ kerekek sok lehetséges kezdőpozíciójára. A számítás alapján valószínűleg az a kezdőpozíció volt a helyes, amelyik a legnagyobb számot adta. Az első gépet "Heath Robinson"-nak hívták. Ez nem működött túl jól. Két lyukasztott papírszalaggal rendelkezett, amelyeknek pontosan együtt kellett működniük. Az egyik szalag tartalmazta a rejtjelezett szöveget egy folyamatos hurokban. A második hurkolt szalag a kódológép kerekei által készített mintákat tartalmazta. A szalagok gyakran megnyúltak vagy elszakadtak, amikor másodpercenként 2000 karakterrel mentek. Néha a szalagok nem voltak egy vonalban; ilyenkor a számolás hibás volt.

Tommy Flowers a posta kutatóállomásán dolgozott az északnyugat-londoni Dollis Hillben. Megkérték, hogy nézze meg a Heath Robinson gépet. Szerinte gyenge gép volt. Tervezett egy elektronikus gépet, amely ugyanazt a munkát végezte volna. A kódoló gép mintáit elektronikával készítette volna el, így csak egy papírszalagra lett volna szükség. 1943 februárjában megmutatta Max Newmannak ezt a tervet. A tervhez 1500 termionikusszelepre (vákuumcsőre) volt szükség. Kevesen gondolták, hogy ennyi szelep sok hiba nélkül működhet. További Heath Robinson gépeket rendeltek. Flowers azonban kitartott az elektronikus gép ötlete mellett. Támogatást kapott a Posta Kutatóállomás vezetőjétől, akit Gordon Radley-nek hívtak. Tommy Flowers és csapata 1943 februárjában kezdett el dolgozni a Colossuson.

Az üzenetet tartalmazó szalagot sebességgel kellett beolvasni. Tommy Flowers 9700 betű/másodperc (53 mph (85 km/h)) sebességig tesztelte a szalagolvasót, mielőtt a szalag elszakadt. Az 5000 betű/másodperc sebességet választotta a rendszeres munkához megfelelőnek. Ez azt jelentette, hogy a papírszalag 40 láb/s (12 m/s) vagy 27,3 mph (43,9 km/h) sebességgel mozgott. Az elektronikus áramköröket a lyukszalag lánckerekes lyukainak leolvasásából származó jel vezérelte.

Az első Colossus 1943 decemberében dolgozott Dollis Hillben. Ezután szétszedték a Colossust, és a Bletchley Parkba szállították. Oda 1944. január 18-án érkezett meg. Harry Fensom és Don Horwood újra összerakta. A Colossus február 5-én olvasta fel az első üzenetét. Az első Colossus (Mark 1) után kilenc Mark 2-es gép készült. Ezek mindegyike 2400 szeleppel rendelkezett. Ezeket könnyebb volt használni. Úgy lehetett programozni őket, hogy ötször gyorsabban dolgozzanak, mint a Mark 1. Egy Mark 2 Colossus 1944. június 1-jén működött először.

A Colossust eleinte csak arra használták, hogy megtalálják az üzenethez használt kiindulási kerékhelyeket (úgynevezett kerékbeállítás). A kódtörők kitalálták, hogyan lehet a Mark 2 segítségével megtalálni a kerekeken lévő bütykök mintáit (keréktörés). A háború végén tíz Colossus számítógép dolgozott a Bletchley Parkban. Ez azt jelentette, hogy nagyon sok üzenetet sikerült megfejteni.

A Colossus olyan alkatrészeket használt, amelyek akkoriban újak voltak. Vákuumcsöveket, tirátronokat és fotomultipliereket használt. Fénnyel olvasta le a papírt. Ezután minden betűhöz egy különleges dolgot csinált; a különleges dolgot meg lehetett változtatni. Számolta, hogy ez a különleges dolog milyen gyakran volt "igaz". A sok vákuumcsővel rendelkező gépekről köztudott volt, hogy sokat törnek. Bekapcsoláskor törnek el leginkább, ezért a Colossus gépeket csak akkor kapcsolták ki, ha egy alkatrész eltört.

A Colossus volt az első olyan elektronikus digitális gép, amely programmal rendelkezett. Nem tudott annyit változni, mint a későbbi gépek:

• nem volt benne program. Az ember dugókkal, vezetékekkel és kapcsolókkal módosította a programot. Így állították be, hogy egy új dolgot csináljon.
• A Colossus nem volt általános célú gép. Csak egyfajta kódfeltörésre készült: számolásra és Boole-műveletekre.

Nem volt Turing-teljes számítógép, annak ellenére, hogy Alan Turing a Bletchley Parkban dolgozott. Ez az ötlet még nem merült fel, és a legtöbb más korai modern számítástechnikai gép sem volt Turing-teljes (mint például: az Atanasoff-Berry számítógép, a Harvard Mark I elektromechanikus relé-gép, George Stibitz és mások Bell Labs relé-gépei, vagy Konrad Zuse első tervei). Hosszú időbe telt, amíg a számítógépeket sokféle célra használták, ahelyett, hogy csak egy számológépet használtak volna egy-egy nehéz probléma megoldására.

Az, hogy mire használták a Colossus számítógépeket, nagyon titkos volt. Maga a Colossus még sok évvel a háború után is szigorúan titkos volt. Ezért a Colossus sokáig nem kerülhetett be a számítástechnikai hardverek történetébe. Senki sem tudta, hogy mennyire fontos volt az a Virág és a többi ember, aki segített az elkészítésében.

Nem sokan tudtak erről a titkos számítógépről, így kevés közvetlen hatása volt a későbbi számítógépek új tervezésére; az EDVAC volt az a korai terv, amely a legnagyobb hatással volt a későbbi számítógépek tervezésére.

Miután a Colossus elkészült, néhányan már tudták, hogy nagy sebességű elektronikus (nem mozgó alkatrészek, mint az elektromos relék) digitális számítástechnikai eszközöket lehet készíteni, és ezek nem törnek el túlságosan. Már ez a tudás is elég volt ahhoz, hogy nagy hatással legyen a korai számítógépek tervezésére Nagy-Britanniában és valószínűleg az Egyesült Államokban is. Azok az emberek, akik tudtak a Colossusról, fontos szerepet játszottak a korai számítógépek területén Nagy-Britanniában. Herman Goldstine 1972-ben ezt írta:

Nagy-Britannia olyan életerővel (energiával vagy lendülettel) rendelkezett, hogy a háború után azonnal annyi jól megtervezett és jól kivitelezett projektet tudott elindítani a számítástechnika területén.

Amikor ezt írta, Goldstine még nem tudott a Colossusról. Nem tudta, hogy mit hagyott hátra azoknak az embereknek a projektjeire, akik tudtak róla. Olyan emberek, mint Alan Turing (a Pilot ACE-vel és az ACE-vel), valamint Max Newman és I. J. Good (a Manchester Mark 1-gyel és más korai manchesteri számítógépekkel). Brian Randell később ezt írta:

a COLOSSUS projekt ennek a vitalitásnak (energiának vagy lendületnek) egy fontos forrása volt, amelyet nem értettek vagy ismertek eléggé, ahogyan azt sem, hogy milyen fontos helyet foglal el a digitális számítógép feltalálásának idővonalában.

A Colossus tervei és gépezete titkosak voltak már a készítésükkor is. Ez a háború után is így maradt, amikor Winston Churchill elrendelte a Colossus gépek nagy részének megsemmisítését "egy ember kezénél nem nagyobb részekre"; Tommy Flowers maga égette el a terveket egy Dollis Hill-i kandallóban. Néhány, ártatlanul megváltoztatott alkatrészt a Newman-féle Royal Society Computing Machine Laboratory-ba vittek a Manchesteri Egyetemre, a Newman's Royal Society Computing Machine Laboratory-ba. A Colossus Mark 1-et szétszedték, és az alkatrészeket visszaküldték a postahivatalba. Két Colossus számítógépet, valamint két másolt Tunny gépet megtartottak. Ezeket 1946 áprilisában a GCHQ új, Eastcote-i székhelyére szállították. A GCHQ-val együtt 1952 és 1954 között ismét Cheltenhambe költöztek. A Colossus Blue néven ismert számítógépek egyikét 1959-ben, a másikat 1960-ban szedték szét. Későbbi éveikben a számítógépeket kiképzésre használták. Ezt megelőzően voltak kísérletek arra, hogy (néha jól) más célokra is átállítsák őket. Jack Good volt az első, aki a háború után használta őket, rávéve az NSA-t, hogy a Colossust olyasmire használja, amire egy speciális célú gépet terveztek építeni. A Colossust arra is használták, hogy betűszámlálást végezzenek az egyszer használatos szalagon, hogy teszteljék a nem véletlenszerűséget.

Ebben az időben a Colossus még mindig titkos volt, jóval azután, hogy a műszaki részletei bármilyen jelentőséggel bírtak. Ez annak volt köszönhető, hogy az Egyesült Királyság hírszerző szervei Enigma-szerű gépeket használtak, amelyeket más kormányoktól is megvásároltak. Az ügynökségek aztán különböző módszerekkel törték fel a kódokat. Ha a kódtörő gépek ismerete széles körben ismert lett volna, senki sem fogadta volna el ezeket a gépeket; inkább saját titkosítási módszereket fejlesztettek volna ki, olyanokat, amelyeket a brit szolgálatok talán nem tudtak volna feltörni. Az ilyen titkok iránti igény lassan megszűnt, ahogy a kommunikáció átállt a digitális átvitelre, és az 1960-as években általánossá váltak a teljesen digitális titkosítási rendszerek.

Winterbotham ezredes The Ultra Secret című könyve 1975-ben jelent meg. Ez megtörte a Kolosszus körüli titkolózást. Ezt követően az 1970-es évek végén kezdtek nyilvánosságra kerülni a számítógéppel kapcsolatos részletek.

A GCHQ 2000 októberében egy 500 oldalas technikai jelentést adott át a Tunny-kódról és a kódfeltörésről - General Report on Tunny címmel - a nemzeti közhivatalnak; a teljes technikai jelentés online elérhető.

A Tony Sale által vezetett csapat megépítette a Colossus Mark 2 működő példányát. A terveket és a gépeket megsemmisítették, de meglepő mennyiségű más anyagot nem semmisítettek meg. Többnyire a mérnökök jegyzetfüzeteiben volt, nagyrészt az Egyesült Államokban. Az optikai szalagolvasó jelenthette a legnagyobb problémát, de Dr. Arnold Lynch, a tervezője, képes volt újratervezni azt a saját első írásaiból. Az újjáépített Colossus a The National Museum of Computingban látható, a Buckinghamshire-i Milton Keynes-ben található H Block Bletchley Parkban. Itt használták a Colossus No. 9-et a háborúban.

2007 novemberében a munka befejezése és az adománygyűjtés (pénzkérés) kezdete alkalmából versenyt hirdettek. A pénzből a The National Museum of Computing (Nemzeti Számítástechnikai Múzeum) egy kódfejtő versenyt rendezhetett, ahol az újjáépített Colossus a világ minden tájáról érkező rádióamatőrökkel versenyzett. Az nyert, aki először hallott és dekódolt három kódolt üzenetet. Az üzeneteket a Lorenz SZ42 segítségével kódolták és a Heinz Nixdorf MuseumsForum számítógépes múzeum rádióállomásáról sugározták Németországban. A versenyt Joachim Schüth rádióamatőr nyerte meg könnyedén. Schüth felkészült az eseményre. Saját jelfeldolgozó és kódtörő programot készített Ada segítségével. A Colossus csapat azért veszített, mert második világháborús rádiókat akartak használni,. A rossz rádiózás miatt egy napot késtek. A győztes 1,4 GHz-es laptopján, amelyen saját programja futott, kevesebb mint egy perc alatt megtalálta mind a 12 kerék beállításait. A német kódtörő azt mondta: "A laptopom 1,2 millió betű/másodperc sebességgel dolgozott a rejtjelezett szövegen - 240-szer gyorsabban, mint a Colossus. Ha összehasonlítjuk a két számítógépet, akkor azt mondhatjuk, hogy a Colossus sebessége 5,8 MHz volt. Ez nagyon gyors egy 1944-ben épített számítógéphez képest."

• ENIAC
• Szuperszámítógép
• Enigma (gép)
• Lorenz Cipher