Colossus — britský papierový aj elektronický pomocník pri lúštení kódov

Pravidelné rádiové vysielanie správ "Tunny" sa začalo v júni 1941. Britskí lúštitelia kódov si všimli, že používa päťjednotkový kód ako systém ďalekopisu. Ich výskum tiež ukázal, že kódovanie vykonával rotorový šifrovací stroj s 12 kolieskami (rotormi). Pre každú novú odoslanú správu sa museli kolieska najprv otočiť do nových polôh. Počiatočnú pozíciu pre správu si vyberal operátor, ktorý správu odosielal. Operátorovi, ktorý správu prijímal, oznámil, aké sú počiatočné pozície pomocou 12 písmen, ktoré neboli zakódované. Celkový počet možných počiatočných polôh 12 kolies bol skutočne veľmi veľký.

Kódovací stroj spojil otvorený text (nekódovanú verziu správy) a prúd znakov (písmen, číslic, interpunkčných znamienok) nazývaný kľúčový prúd (prúd zdanlivo náhodných znakov), ktorý vygeneroval, aby vytvoril šifrový text (kódovanú verziu správy). Šifrový text, ktorý nedával zmysel, sa prenášal rádiom. Na prijímajúcom konci identický stroj odstránil kľúčový prúd a vytvoril otvorený text správy.

Ak by nemeckí operátori vždy pracovali správne, žiadne dve správy by nemali rovnakú počiatočnú polohu kolies. Dochádzalo však k chybám. Pomohli britským lúštiteľom kódov. Dňa 30. augusta 1941 boli odoslané dve verzie tej istej správy, ktorá mala takmer 4 000 znakov, s rovnakými počiatočnými pozíciami kolies. Táto chyba bola pre výskumných lúštiteľov kódov veľmi užitočná. Lúštiteľ kódov John Tiltman dokázal z týchto správ získať kľúčový prúd.

Lúštitelia sa na základe týchto informácií pokúšali zistiť podrobnosti o stroji, ale spočiatku sa im to nedarilo. Potom sa k nim pridal mladý lúštiteľ kódov Bill Tutte, ktorý dostal túto úlohu. Po dlhom úsilí sa mu to podarilo a vytvoril logický opis neviditeľného stroja. Táto práca bola označená za "najväčší intelektuálny úspech druhej svetovej vojny". Tutte prišiel na to, že stroj vytvoril každý znak kľúčového prúdu kombináciou účinkov dvoch sád piatich koliesok. Na pomenovanie kolies použil grécke písmená. Jednu sadu piatich kolies nazval χ ("chi") a druhú sadu piatich kolies ψ ("psi"). Prišiel na to, že kolieska χ sa posunuli o jednu pozíciu pri každom novom zakódovanom znaku. Kolieska ψ sa však nepohybovali pravidelne. Pohybovali sa len v niektorých prípadoch. To, či sa kolieska ψ pohybovali, alebo nie, riadili dve kolieska, ktoré nazval μ ("mu") alebo "motorové kolieska".

Max Newman bol matematik a lúštiteľ kódov v Bletchley Parku. Dostal za úlohu zistiť, ako by stroj mohol prelomiť správy "Tunny". Stroj by vykonal výpočet pre mnoho možných počiatočných pozícií χ koliesok. Začiatočná pozícia, ktorá z tohto výpočtu poskytla najväčší počet, bola pravdepodobne tá správna. Prvý stroj sa volal "Heath Robinson". Nefungovalo to veľmi dobre. Mal dve dierne papierové pásky, ktoré museli pracovať presne spolu. Jedna páska obsahovala šifrový text v súvislej slučke. Druhá páska so slučkou obsahovala vzory vytvorené kolesami šifrovacieho stroja. Pásky sa pri rýchlosti 2 000 znakov za sekundu často natiahli alebo pretrhli. Niekedy pásky neboli v jednej línii; vtedy boli počty nesprávne.

Tommy Flowers pracoval na výskumnej stanici poštového úradu v Dollis Hill v severozápadnom Londýne. Bol požiadaný, aby sa pozrel na stroj Heath Robinson. Myslel si, že je to slabý stroj. Navrhol elektronický stroj, ktorý by robil rovnakú prácu. Vytváral by vzory kódovacieho stroja pomocou elektroniky, takže by bola potrebná len jedna papierová páska. Vo februári 1943 ukázal tento návrh Maxovi Newmanovi. Návrh potreboval 1 500 termionickýchventilov (vákuových trubíc). Málokto si myslel, že toľko ventilov môže fungovať bez toho, aby veľa zlyhalo. Boli objednané ďalšie stroje Heath Robinson. Flowers sa však naďalej držal myšlienky elektronického stroja. Podporil ho človek zodpovedný za výskumnú stanicu poštového úradu, ktorý sa volal Gordon Radley. Tommy Flowers a jeho tím začali pracovať na stroji Colossus vo februári 1943.

Kazetu so správou bolo potrebné prečítať v rýchlosti. Tommy Flowers testoval čítačku pások rýchlosťou až 9 700 písmen za sekundu (53 míľ za hodinu (85 km/h), kým sa páska pretrhla. Ako dobrú rýchlosť pre bežnú prácu zvolil 5 000 znakov za sekundu. To znamenalo, že papierová páska sa pohybovala rýchlosťou 40 stôp/s (12 m/s) alebo 27,3 mph (43,9 km/h). Elektronické obvody boli poháňané signálom vytvoreným čítaním ozubených koliesok dierovanej pásky.

Prvý Colossus pracoval na Dollis Hill v decembri 1943. Potom Colossus rozobrali a presunuli do Bletchley Parku. Tam sa dostal 18. januára 1944. Harry Fensom a Don Horwood ho opäť poskladali. Colossus prečítal svoju prvú správu 5. februára. Po prvom Colosse (Mark 1) nasledovalo deväť strojov Mark 2. Každý z nich mal 2 400 ventilov. Boli jednoduchšie na používanie. Dali sa naprogramovať tak, aby pracovali päťnásobnou rýchlosťou oproti stroju Mark 1. Kolos Mark 2 prvýkrát pracoval 1. júna 1944.

Spočiatku sa program Colossus používal len na vyhľadávanie východiskových miest kolies, ktoré sa používajú pre správu (tzv. nastavenie kolies). Lúštitelia kódov prišli na to, ako používať Mark 2 na pomoc pri hľadaní vzorov vačiek na kolesách (lámanie kolies). Na konci vojny pracovalo v Bletchley Parku desať počítačov Colossus. To znamenalo, že sa dešifrovalo veľmi veľa správ.

Colossus používal diely, ktoré boli vtedy nové. Používal vákuové elektrónky, tyratróny a fotonásobiče. Čítal z papiera pomocou svetla. Pre každé písmeno potom urobil špeciálnu vec; špeciálna vec sa dala zmeniť. Počítalo sa, ako často bola táto špeciálna vec "pravdivá". Stroje s mnohými vákuovými elektrónkami boli známe tým, že sa často rozbíjali. Najviac sa lámali pri zapínaní, preto sa stroje Colossus vypínali len vtedy, keď sa zlomila nejaká časť.

Colossus bol prvým elektronickým digitálnym strojom, ktorý mohol mať program. Nemohol sa meniť tak ako neskoršie stroje:

• nemala v sebe žiadny program. Človek používal konektory, drôty a prepínače na zmenu programu. Takto sa to nastavilo na novú vec, ktorú treba urobiť.
• Colossus nebol univerzálny stroj. Bol vytvorený len na jeden druh lámania kódu: počítanie a logické operácie.

Nebol to Turingov kompletný počítač, hoci Alan Turing pôsobil v Bletchley Parku. Táto myšlienka ešte nebola vymyslená a väčšina ostatných raných moderných výpočtových strojov nebola Turingovo úplná (napríklad: Atanasoff-Berryho počítač, elektromechanický reléový stroj Harvard Mark I, reléové stroje Bell Labs od Georgea Stibitza a ďalších alebo prvé plány Konrada Zuseho). Trvalo dlho, kým sa počítače začali používať na rôzne účely, a nie len ako kalkulačka na riešenie jedného ťažkého problému.

Na čo sa počítače Colossus používali, bolo veľmi tajné. Samotný Colossus bol veľmi tajný aj mnoho rokov po vojne. Preto sa Colossus dlho nemohol zaradiť do histórie počítačového hardvéru. Nikto nevedel, aký dôležitý bol ten Flowers a ďalší ľudia, ktorí ho pomáhali vytvoriť.

O tomto tajnom počítači vedelo len málo ľudí, takže mal len malý priamy vplyv na novú konštrukciu neskorších počítačov; EDVAC bol prvým projektom, ktorý mal najväčší vplyv na neskoršiu konštrukciu počítačov.

Keď bol vyrobený Colossus, niektorí ľudia už vedeli, že je možné vyrobiť vysokorýchlostné elektronické (bez pohyblivých častí, ako sú elektrické relé) digitálne výpočtové zariadenia, ktoré sa príliš nerozbijú. Už len tento poznatok stačil na to, aby mal veľký vplyv na návrhy prvých počítačov v Británii a pravdepodobne aj v USA. Ľudia, ktorí vedeli o Colossuse, boli dôležití v oblasti raných počítačov v Británii. V roku 1972 o tom napísal Herman Goldstine:

Veľká Británia mala takú vitalitu (energiu alebo drive), že mohla hneď po vojne spustiť toľko dobre naplánovaných a dobre zrealizovaných projektov v oblasti počítačov.

Goldstine pri písaní tohto textu o Colossusovi nevedel. Nevedel, čo zanechal v projektoch ľudí, ktorí o ňom vedeli. Ľudia ako Alan Turing (s počítačmi Pilot ACE a ACE) a Max Newman a I. J. Good (s počítačom Manchester Mark 1 a ďalšími ranými počítačmi Manchester). Neskôr o tom napísal Brian Randell:

projekt COLOSSUS bol dôležitým zdrojom tejto vitality (energie alebo pohonu), ktorý nebol dostatočne pochopený alebo známy, rovnako ako význam jeho miesta v časovej línii vynálezu digitálneho počítača.

Plány a strojové vybavenie Kolosu boli tajné od ich vzniku. Zostali nimi aj po vojne, keď Winston Churchill nariadil zničiť väčšinu strojov Colossus na "časti nie väčšie ako ľudská ruka"; samotný Tommy Flowers spálil plány v krbe na Dollis Hill. Niektoré časti, zmenené tak, aby vyzerali nevinne, boli prevezené do Newmanovho laboratória výpočtových strojov Kráľovskej spoločnosti na Manchesterskej univerzite. Colossus Mark 1 bol rozobraný a súčiastky boli poslané späť na poštu. Dva počítače Colossus spolu s dvomi skopírovanými strojmi Tunny boli ponechané. V apríli 1946 boli premiestnené do nového sídla GCHQ v Eastcote. V rokoch 1952 až 1954 sa spolu s GCHQ opäť presťahovali do Cheltenhamu. Jeden z počítačov, známy ako Colossus Blue, bol rozobraný v roku 1959, druhý v roku 1960. V neskorších rokoch sa počítače používali na školenia. Predtým sa vyskytli pokusy zmeniť ich (niekedy aj dobre) na iné účely. Ako prvý ich po vojne použil Jack Good, keď presvedčil NSA, aby Colossus použila na niečo, na čo plánovala postaviť špeciálny stroj. Colossus sa používal aj na počítanie písmen na páske s jednorazovým blokom na testovanie nenáhodnosti.

V tom čase bol Colossus ešte stále tajný, dlho po tom, ako boli akékoľvek jeho technické detaily dôležité. Bolo to spôsobené tým, že britské spravodajské agentúry používali stroje podobné Enigme, ktoré si od nich kupovali iné vlády. Agentúry potom kódy lámali rôznymi spôsobmi. Keby boli poznatky o strojoch na lámanie kódov všeobecne známe, nikto by tieto stroje neprijal; radšej by vyvinul vlastné metódy šifrovania, metódy, ktoré by britské služby neboli schopné prelomiť. Potreba takýchto tajomstiev pomaly zanikla, keď komunikácia prešla na digitálny prenos a v 60. rokoch 20. storočia sa rozšírili plne digitálne šifrovacie systémy.

Kniha plukovníka Winterbothama The Ultra Secret vyšla v roku 1975. Tá prelomila tajomstvo okolo Colossu. Potom sa koncom 70. rokov začali zverejňovať podrobnosti o počítači.

V októbri 2000 odovzdala GCHQ Národnému úradu pre verejné záznamy 500-stranovú technickú správu o šifre Tunny a jej lúštení s názvom General Report on Tunny; kompletná technická správa je k dispozícii online.

Tím pod vedením Tonyho Salea zostrojil funkčnú kópiu modelu Colossus Mark 2. Plány a stroje boli zničené, ale prekvapujúce množstvo ďalšieho materiálu zničené nebolo. Väčšinou sa nachádzal v zápisníkoch inžinierov, väčšina z nich v USA. Najväčším problémom mohla byť čítačka optických pások, ale Dr. Arnold Lynch, jej konštruktér, ju dokázal prepracovať z vlastných prvých zápiskov. Prestavaný Colossus je vystavený v Národnom múzeu výpočtovej techniky v H bloku Bletchley Parku v Milton Keynes v grófstve Buckinghamshire. Práve tu sa Colossus č. 9 používal počas vojny.

V novembri 2007 pri príležitosti ukončenia prác a začatia získavania finančných prostriedkov (žiadosti o peniaze) vyhlásili súťaž. Peniaze by pomohli Národnému múzeu výpočtovej techniky so súťažou v šifrovaní, kde by prestavaný Colossus súťažil s rádioamatérmi z celého sveta. Vyhral by ten, kto by ako prvý počul a rozlúštil tri zašifrované správy. Tie by sa zašifrovali pomocou Lorenzovho SZ42 a vysielali by sa z rádiovej stanice v múzeu počítačov Heinz Nixdorf MuseumsForum v Nemecku. Súťaž bez problémov vyhral rádioamatér Joachim Schüth. Schüth sa na podujatie pripravil. Vytvoril si vlastný program na spracovanie signálu a lámanie kódu pomocou programu Ada. Tím Colossus prehral, pretože chcel použiť rádiá z druhej svetovej vojny,. Kvôli zlým rádiovým podmienkam meškali jeden deň. Víťazovmu notebooku s frekvenciou 1,4 GHz, na ktorom bežal jeho vlastný program, trvalo menej ako minútu, kým našiel nastavenia pre všetkých 12 kolies. Nemecký lúštiteľ kódov povedal: "Môj laptop pracoval na šifrovanom texte rýchlosťou 1,2 milióna písmen za sekundu - 240-krát rýchlejšie ako Colossus. Ak by ste porovnali tieto dva počítače, mohli by ste povedať, že Colossus mal rýchlosť 5,8 MHz. To je na počítač vyrobený v roku 1944 veľmi vysoká rýchlosť."

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