Colossus | verdens første programmerbare elektroniske digitale computer

Formål og oprindelse

De regelmæssige radiotransmissioner af "Tunny"-meddelelser begyndte i juni 1941. De britiske kodebrydere så, at den brugte en kode med fem enheder som et teleprinter-system. Deres undersøgelser viste også, at kodningen blev udført af en rotorcifremkalder med 12 hjul (rotorer). For hver ny meddelelse, der blev sendt, skulle hjulene først drejes til nye positioner. Startpositionen for beskeden blev valgt af den operatør, der sendte beskeden. Han fortalte den operatør, der modtog meddelelsen, hvilke startpositioner der var med 12 bogstaver, som ikke var kodet. Det samlede antal mulige startpositioner for de 12 hjul var faktisk meget stort.

Kodemaskinen lagde klarteksten (den ukodede version af meddelelsen) sammen med en strøm af tegn (bogstaver, tal, tegnsætning) kaldet keystream (en strøm af tilsyneladende tilfældige tegn), som den genererede for at skabe cifferteksten (den kodede version af meddelelsen). Den kodede tekst, som ikke gav nogen mening, blev transmitteret via radio. I den modtagende ende fjernede en identisk maskine nøglestrømmen for at fremstille den klare tekst af meddelelsen.

Hvis de tyske operatører altid arbejdede korrekt, ville der ikke være to meddelelser med den samme startposition for hjulene. Der blev dog begået fejl. De hjalp de britiske kodebrydere. Den 30. august 1941 blev der sendt to versioner af den samme meddelelse, som var næsten 4.000 tegn lang, med de samme hjulstartpositioner. Denne fejl var meget nyttig for forskningskodebryderne. En kodebryder ved navn John Tiltman var i stand til at få nøglestrømmen fra disse meddelelser.

Kodebryderne forsøgte at finde ud af detaljerne om maskinen ud fra disse oplysninger, men det lykkedes ikke i første omgang. De fik så selskab af en ung kodebryder ved navn Bill Tutte, som fik opgaven. Efter en masse arbejde lykkedes det ham og han udarbejdede en logisk beskrivelse af den usynlige maskine. Dette arbejde er blevet beskrevet som "den største intellektuelle præstation under Anden Verdenskrig". Tutte fandt ud af, at maskinen lavede hvert enkelt nøglebåndskarakter ved at kombinere virkningerne af to sæt af fem hjul. Han brugte græske bogstaver til at navngive hjulene. Han kaldte det ene sæt på fem for χ ("chi") hjulene og det andet sæt på fem for ψ ("psi") hjulene. Han regnede ud, at χ-hjulene flyttede sig en position for hvert nyt tegn, der blev kodet. ψ-hjulene bevægede sig imidlertid ikke regelmæssigt. De bevægede sig kun på nogle af gangene. Hvorvidt ψ-hjulene bevægede sig videre eller ej blev styret af to hjul, som han kaldte to μ ("mu") eller "motorhjul".

Max Newman var matematiker og kodebryder i Bletchley Park. Han fik til opgave at finde ud af, hvordan en maskine kunne bryde "Tunny"-meddelelser. Maskinen skulle foretage en beregning for mange mulige startpositioner for χ-hjulene. Den startposition, der gav det største antal ud fra denne beregning, var sandsynligvis den rigtige. Den første maskine blev kaldt "Heath Robinson". Den fungerede ikke særlig godt. Den havde to stansede papirbånd, der skulle fungere nøjagtigt sammen. Det ene bånd indeholdt den krypterede tekst i en kontinuerlig løkke. Det andet bånd med en sløjfe indeholdt mønstre, der blev lavet af kodemaskinens hjul. Båndene ville ofte strække sig eller gå i stykker, når de skulle køre med 2000 tegn i sekundet. Nogle gange var båndene ikke på linje, og så var tællingerne forkerte.

 
Maskinen, der fik kodenavnet "Tunny" af briterne. Tyskerne brugte den til at kode hemmelig teleprinterkommunikation. De allierede så den først ved slutningen af Anden Verdenskrig, da de fandt ud af, at det var Lorenz SZ42. Den havde ti hjul med et forskelligt antal knapper. Der var i alt 501 knapper, som hver især kunne sættes i hævet (aktiv) eller sænket (inaktiv) position.  

Bygning af Colossus

Tommy Flowers arbejdede på Post Office Research Station i Dollis Hill i det nordvestlige London. Han blev bedt om at kigge på Heath Robinson-maskinen. Han mente, at det var en svag maskine. Han konstruerede en elektronisk maskine, der kunne udføre det samme arbejde. Den skulle lave mønstrene i kodemaskinen ved hjælp af elektronik, så der kun var brug for ét papirbånd. I februar 1943 viste han Max Newman dette design. Designet krævede 1.500 termioniske ventiler (vakuumrør). Kun få mennesker troede, at så mange ventiler kunne fungere, uden at mange fejlede. Der blev bestilt flere Heath Robinson-maskiner. Flowers holdt dog fast i ideen om en elektronisk maskine. Han fik støtte fra Gordon Radley, hans chef på Post Office Research Station. Tommy Flowers og hans team begyndte arbejdet med Colossus i februar 1943.

Båndet med beskeden skulle læses hurtigt. Tommy Flowers testede båndlæseren op til 9.700 bogstaver/sekund (85 km/t), før båndet gik i stykker. Han valgte 5.000 tegn pr. sekund som en god hastighed til almindeligt arbejde. Det betød, at papirbåndet bevægede sig med 12 m/s (40 ft/s) eller 43,9 km/t (27,3 mph). De elektroniske kredsløb blev drevet af et signal, der blev fremstillet ved at aflæse tandhjulshullerne på det hullede bånd.

Den første Colossus arbejdede på Dollis Hill i december 1943. Derefter blev Colossus skilt ad og flyttet til Bletchley Park. Den ankom der den 18. januar 1944. Harry Fensom og Don Horwood satte den sammen igen. Colossus læste sin første besked den 5. februar. Efter den første Colossus (Mark 1) var der ni Mark 2-maskiner. Disse havde hver 2.400 ventiler. De var lettere at bruge. De kunne programmeres til at arbejde med fem gange så høj hastighed som Mark 1. En Mark 2 Colossus arbejdede første gang den 1. juni 1944.

I begyndelsen blev Colossus kun brugt til at finde de starthjulspladser, der blev brugt til en meddelelse (kaldet hjulindstilling). Kodebryderne fandt ud af, hvordan man kunne bruge Mark 2 til at finde mønstrene for hjulets kamme (hjulbrydning). Ved krigens afslutning var der ti Colossus-computere i drift på Bletchley Park. Det betød, at rigtig mange meddelelser blev afkodet.

 

Udformning og anvendelse

Colossus brugte dele, der var nye dengang. Der blev brugt vakuumrør, thyratroner og fotomultiplikatorer. Den læste fra papir med lys. Den gjorde så en særlig ting for hvert bogstav; den særlige ting kunne ændres. Den talte, hvor ofte denne særlige ting var "sand". Maskiner med mange vakuumrør var kendt for at gå meget i stykker. De går mest i stykker, når de tændes, så Colossus-maskinerne blev kun slukket, når en del gik i stykker.

Colossus var den første af de elektroniske digitale maskiner, der kunne have et program. Den kunne ikke ændre sig så meget som senere maskiner:

• den havde intet program i sig selv. En person brugte stik, ledninger og afbrydere til at ændre programmet. På denne måde blev den sat op til at gøre noget nyt.
• Colossus var ikke en maskine til generelle formål. Den var kun beregnet til én slags kodebrydning: tælling og boolske operationer.

Det var ikke en Turing-komplet computer, selv om Alan Turing var på Bletchley Park. Denne idé var endnu ikke blevet udtænkt, og de fleste af de andre tidlige moderne datamaskiner var ikke Turing-komplette (f.eks. Atanasoff-Berry-computeren, den elektromekaniske Harvard Mark I-relæmaskine, George Stibitz' og andres Bell Labs-relæmaskiner eller Konrad Zuses første planer). Det tog lang tid, før computere blev brugt til mange formål, i stedet for kun at være en lommeregner til at løse et enkelt svært problem.

 

Indflydelse og skæbne

Hvad Colossus-computerne blev brugt til, var meget hemmeligt. Selve Colossus var meget hemmelig, selv i mange år efter krigen. Derfor kunne Colossus ikke indgå i historien om computerhardware i lang tid. Ingen vidste, hvor vigtige Flowers og de andre mennesker, der var med til at lave den, var.

Der var ikke mange, der kendte til denne hemmelige computer, så den havde kun ringe direkte indflydelse på det nye design af senere computere; EDVAC var det tidlige design, der havde størst indflydelse på senere computerdesign.

Da Colossus blev lavet, vidste nogle mennesker nu, at man kunne lave elektroniske højhastighedscomputere (ingen bevægelige dele som elektriske relæer), som ikke gik for meget i stykker. Alene denne viden var nok til at have stor indflydelse på udformningen af de tidlige computere i Storbritannien og sandsynligvis også i USA. De personer, der kendte til Colossus, var vigtige i den tidlige computerbranche i Storbritannien. I 1972 skrev Herman Goldstine, at:

Storbritannien havde en sådan vitalitet (energi eller drivkraft), at det lige efter krigen kunne starte så mange velplanlagte og veludførte projekter på computerområdet.

Da Goldstine skrev det, kendte han ikke til Colossus. Han vidste ikke, hvad den efterlod af projekter fra folk, der kendte til den. Folk som Alan Turing (med Pilot ACE og ACE) og Max Newman og I.J. Good (med Manchester Mark 1 og andre tidlige Manchester-computere). Det skrev Brian Randell senere:

COLOSSUS-projektet var en vigtig kilde til denne vitalitet (energi eller drivkraft), som ikke er blevet forstået eller kendt, og det samme gælder betydningen af dets placering i tidslinjen for opfindelsen af den digitale computer.

Colossus' planer og maskineri var hemmelige fra dengang de blev lavet. Det forblev de efter krigen, da Winston Churchill beordrede, at de fleste Colossus-maskiner skulle destrueres til "dele, der ikke var større end en mands hånd"; Tommy Flowers selv brændte tegningerne i en pejs på Dollis Hill. Nogle dele, der var blevet ændret til at se uskyldige ud, blev bragt til Newmans Royal Society Computing Machine Laboratory på Manchester University. Colossus Mark 1 blev skilt ad, og delene blev sendt tilbage til postvæsenet. To Colossus-computere blev beholdt sammen med to kopierede Tunny-maskiner. De blev flyttet til GCHQ's nye hovedkontor i Eastcote i april 1946. De flyttede igen med GCHQ til Cheltenham mellem 1952 og 1954. En af computerne, kendt som Colossus Blue, blev skilt ad i 1959 og den anden i 1960. I de senere år blev computerne brugt til uddannelse. Inden da havde der været forsøg på at ændre dem (nogle gange godt) til andre formål. Jack Good var den første, der brugte den efter krigen, idet han fik NSA til at bruge Colossus til at gøre noget, som de havde planer om at bygge en maskine til særlige formål til. Colossus blev også brugt til at udføre bogstavtællinger på engangspad-bånd for at teste for ikke-randomitet.

På dette tidspunkt var Colossus stadig hemmelig, længe efter at de tekniske detaljer om den havde fået nogen betydning. Det skyldtes, at de britiske efterretningstjenester brugte Enigma-lignende maskiner, som de fik andre regeringer til at købe. Agenturerne knækkede derefter koderne på forskellige måder. Hvis kendskabet til kodebrydermaskinerne havde været almindeligt kendt, ville ingen have accepteret disse maskiner; de ville i stedet have udviklet deres egne metoder til kryptering, metoder, som de britiske tjenester måske ikke ville have været i stand til at bryde. Behovet for sådanne hemmeligheder forsvandt langsomt, efterhånden som kommunikationen overgik til digital transmission, og helt digitale krypteringssystemer blev almindelige i 1960'erne.

Oberst Winterbothams bog The Ultra Secret udkom i 1975. Den brød hemmelighedskræmmeriet omkring Colossus. Herefter begyndte detaljer om computeren at blive offentliggjort i slutningen af 1970'erne.

GCHQ afleverede en 500 sider lang teknisk rapport om Tunny-chifringen og dens kodebrydning - med titlen General Report on Tunny - til det nationale Public Record Office i oktober 2000; den komplette tekniske rapport er online.

 

Gør det igen

Et hold under ledelse af Tony Sale byggede en fungerende kopi af en Colossus Mark 2. Planerne og maskinerne var blevet ødelagt, men en overraskende mængde andet materiale var ikke blevet ødelagt. Det lå for det meste i ingeniørernes notesbøger, meget af det i USA. Den optiske båndlæser var måske det største problem, men Dr. Arnold Lynch, dens designer, var i stand til at omkonstruere den ud fra sine egne første skrifter. Den ombyggede Colossus er udstillet på The National Museum of Computing i H Block Bletchley Park i Milton Keynes, Buckinghamshire. Det er her, at Colossus nr. 9 blev brugt under krigen.

I november 2007 afholdt de en konkurrence for at markere både afslutningen af arbejdet og starten på fundraising (indsamling af penge). Pengene skulle hjælpe The National Museum of Computing med en Cipher Competition, hvor den genopbyggede Colossus konkurrerede med radioamatører fra hele verden. Den første, der kunne høre og afkode tre krypterede meddelelser, ville vinde. De ville blive krypteret ved hjælp af Lorenz SZ42 og sendt fra radiostationen i Heinz Nixdorf MuseumsForum Archived 2012-03-19 at the Wayback Machine computermuseum i Tyskland. Konkurrencen blev let vundet af radioamatøren Joachim Schüth. Schüth havde gjort sig klar til begivenheden. Han havde lavet sit eget program til signalbehandling og kodebrydning ved hjælp af Ada. Colossus-holdet tabte, fordi de ville bruge radioer fra anden verdenskrig,. De kom en dag for sent på grund af dårlige radioforhold. Vinderens 1,4 GHz bærbare computer, som kørte hans eget program, tog mindre end et minut at finde indstillingerne for alle 12 hjul. Den tyske kodebryder sagde: "Min bærbare computer arbejdede med en hastighed på 1,2 millioner bogstaver i sekundet - 240 gange hurtigere end Colossus. Hvis man sammenligner de to computere, kan man sige, at Colossus havde en hastighed på 5,8 MHz. Det er meget hurtigt for en computer, der blev bygget i 1944."

 
I 2006 er det Tony Sale (til højre), der har ansvaret. De er ved at bryde en krypteret meddelelse med den færdige maskine. Siden 1994 har hans hold været i gang med at bygge en ny Colossus-computer på Bletchley Park.  

Relaterede sider

• ENIAC
• Supercomputer
• Enigma (maskine)
• Lorenz Cipher