Computer Colossus

Le trasmissioni radio regolari di messaggi "Tunny" iniziarono nel giugno 1941. I codebreaker britannici videro che utilizzava un codice a cinque unità come un sistema di telescrivente. Le loro ricerche mostrarono anche che la codifica veniva effettuata da una macchina cifratrice a rotore con 12 ruote (rotori). Per ogni nuovo messaggio inviato, le ruote dovevano prima essere girate in nuove posizioni. La posizione di partenza del messaggio era scelta dall'operatore che inviava il messaggio. Egli diceva all'operatore che riceveva il messaggio quali erano le posizioni di partenza con 12 lettere non codificate. Il numero totale di possibili posizioni di partenza delle 12 ruote era davvero molto grande.

La macchina codificatrice ha aggiunto il testo in chiaro (la versione non codificata del messaggio) e un flusso di caratteri (lettere, numeri, punteggiatura) chiamato flusso di chiavi (un flusso di caratteri apparentemente casuali) che ha generato per rendere il testo cifrato (la versione codificata del messaggio). Il testo cifrato, che non aveva senso, veniva trasmesso via radio. Alla fine della ricezione una macchina identica rimuoveva il flusso di chiavi per produrre il testo in chiaro del messaggio.

Se gli operatori tedeschi funzionassero sempre correttamente, non ci sarebbero due messaggi con la stessa posizione di partenza delle ruote. Tuttavia, sono stati commessi degli errori. Hanno aiutato i codebreaker britannici. Il 30 agosto 1941 furono inviate due versioni dello stesso messaggio, lungo quasi 4.000 caratteri, con le stesse posizioni di partenza delle ruote. Questo errore fu molto utile ai codebreaker di ricerca. Un codebreaker di nome John Tiltman fu in grado di ottenere il flusso delle chiavi da questi messaggi.

I codificatori hanno cercato di ricavare i dettagli della macchina da queste informazioni, ma all'inizio non ci sono riusciti. Poi sono stati raggiunti da un giovane codebreaker di nome Bill Tutte, al quale è stato affidato il lavoro. Dopo molto lavoro ci riuscì, e produsse una descrizione logica della macchina non vista. Questo lavoro è stato descritto come "la più grande conquista intellettuale della seconda guerra mondiale". Tutte ha capito che la macchina ha realizzato ogni personaggio chiave combinando gli effetti di due serie di cinque ruote. Ha usato lettere greche per dare un nome alle ruote. Ha chiamato un set di cinque ruote χ ("chi") e l'altro set di cinque ruote ψ ("psi"). Ha calcolato che le ruote χ si muovevano su una posizione per ogni nuovo carattere codificato. Le ruote ψ, tuttavia, non si muovevano regolarmente. Si muovevano solo su una parte del tempo. Che le ruote ψ si muovessero o meno era controllato da due ruote che egli chiamava due ruote μ ("mu") o "ruote motrici".

Max Newman era un matematico e codebreaker a Bletchley Park. Gli fu affidato il compito di capire come una macchina potesse rompere i messaggi di "Tunny". La macchina avrebbe fatto un calcolo per molte possibili posizioni di partenza delle χ ruote. La posizione di partenza che dava il maggior numero di conteggi da questo calcolo era probabilmente quella giusta. La prima macchina si chiamava "Heath Robinson". Questo non ha funzionato molto bene. Aveva due nastri di carta perforati che dovevano funzionare esattamente insieme. Un nastro conteneva il testo cifrato in un ciclo continuo. Il secondo nastro in loop conteneva i disegni fatti dalle ruote della macchina codificatrice. I nastri spesso si allungavano o si rompevano quando andavano a 2000 caratteri al secondo. A volte i nastri non si allineavano; allora i conteggi erano sbagliati.

Tommy Flowers ha lavorato alla Post Office Research Station di Dollis Hill a nord-ovest di Londra. Gli è stato chiesto di guardare la macchina di Heath Robinson. Pensava che fosse una macchina debole. Ha progettato una macchina elettronica per fare lo stesso lavoro. Avrebbe reso i modelli della macchina di codifica per via elettronica, in modo che bastasse un solo nastro di carta. Nel febbraio 1943 mostrò questo disegno a Max Newman. Il progetto richiedeva 1.500 valvoletermoioniche (tubi a vuoto). Poche persone pensavano che così tante valvole potessero funzionare senza che molte fallissero. Furono ordinate altre macchine Heath Robinson. I fiori, tuttavia, sono stati mantenuti con l'idea di una macchina elettronica. Ricevette il supporto del responsabile della Post Office Research Station che si chiamava Gordon Radley. Tommy Flowers e il suo team iniziarono a lavorare a Colossus nel febbraio 1943.

Il nastro con il messaggio doveva essere letto in velocità. Tommy Flowers ha testato il lettore di nastro fino a 9.700 lettere al secondo (53 mph (85 km/h)) prima che il nastro si rompesse. Ha selezionato 5.000 caratteri al secondo come una buona velocità per un lavoro regolare. Ciò significava che il nastro di carta si muoveva a 40 ft/s (12 m/s) o 27,3 mph (43,9 km/h). I circuiti elettronici erano pilotati da un segnale ricavato dalla lettura dei fori delle ruote dentate del nastro perforato.

Il primo Colosso lavorò a Dollis Hill nel dicembre 1943. Poi hanno smontato Colossus e lo hanno spostato a Bletchley Park. Ci arrivò il 18 gennaio 1944. Harry Fensom e Don Horwood l'hanno rimesso insieme. Colossus lesse il suo primo messaggio il 5 febbraio. Dopo il primo Colosso (Mark 1) ci furono nove macchine Mark 2. Ognuna di queste aveva 2.400 valvole. Erano più facili da usare. Potevano essere programmate per funzionare a cinque volte la velocità del Mark 1. Un Colosso Mark 2 funzionò per la prima volta il 1° giugno 1944.

All'inizio Colossus è stato utilizzato solo per trovare i posti della ruota di partenza utilizzati per un messaggio (chiamato impostazione della ruota). I rompicode hanno trovato il modo di usare il Mark 2 per aiutare a trovare i modelli delle camme sulle ruote (rottura della ruota). Alla fine della guerra c'erano dieci computer Colossus che lavoravano a Bletchley Park. Questo significava che moltissimi messaggi venivano decodificati.

Colossus usava parti che all'epoca erano nuove. Utilizzava tubi a vuoto, thyratrons e fotomoltiplicatori. Leggeva dalla carta con la luce. Poi faceva una cosa speciale per ogni lettera; la cosa speciale poteva essere cambiata. Contava quante volte questa cosa speciale era "vera". Si sapeva che le macchine con molti tubi sottovuoto si rompevano molto. La maggior parte si rompono all'accensione, quindi le macchine Colossus venivano spente solo quando si rompeva un pezzo.

Colossus è stata la prima delle macchine digitali elettroniche che potevano avere un programma. Non poteva cambiare tanto quanto le macchine successive:

• non aveva un programma dentro di sé. Una persona ha usato spine, fili e interruttori per cambiare il programma. Questo è il modo in cui è stato impostato per una nuova cosa da fare.
• Colossus non era una macchina per tutti gli usi. Era fatta per un solo tipo di codifica: il conteggio e le operazioni booleane.

Non era un computer completo di Turing, anche se Alan Turing era a Bletchley Park. Questa idea non era ancora stata pensata, e la maggior parte delle altre prime macchine informatiche moderne non erano complete di Turing (come: il computer Atanasoff-Berry Computer, la macchina a relè elettromeccanica Mark I di Harvard, le macchine a relè Bell Labs di George Stibitz e altri, o i primi progetti di Konrad Zuse). Ci è voluto molto tempo perché i computer fossero usati per molti usi, invece di una semplice calcolatrice solo per risolvere un problema difficile.

Ciò per cui sono stati usati i computer Colossus era molto segreto. Il Colosso stesso è stato altamente segreto anche per molti anni dopo la guerra. Per questo motivo Colossus non ha potuto essere incluso nella storia dell'hardware per lungo tempo. Nessuno sapeva quanto fossero importanti i Fiori e le altre persone che hanno contribuito a realizzarlo.

Non molte persone conoscevano questo computer segreto, quindi aveva poco effetto diretto sul nuovo design dei computer successivi; EDVAC è stato il primo design che ha avuto il maggiore effetto sul design dei computer successivi.

Una volta realizzato Colossus, alcuni ora sapevano che si potevano realizzare dispositivi di calcolo digitali elettronici ad alta velocità (nessuna parte mobile come i relè elettrici) e che non si rompevano troppo. Solo questa conoscenza era sufficiente per avere un grande effetto sui progetti dei primi computer in Gran Bretagna e probabilmente negli Stati Uniti. Le persone che sapevano di Colossus erano importanti nel campo dei primi computer in Gran Bretagna. Nel 1972, Herman Goldstine lo scrisse:

La Gran Bretagna aveva una tale vitalità (energia o spinta) che subito dopo la guerra poteva iniziare tanti progetti ben pianificati e ben fatti nel campo dei computer.

Scrivendo questo, Goldstine non sapeva di Colossus. Non sapeva cosa lasciava ai progetti di persone che ne erano a conoscenza. Persone come Alan Turing (con il Pilot ACE e l'ACE), e Max Newman e I. J. Good (con il Manchester Mark 1 e altri primi computer di Manchester). Brian Randell lo scrisse più tardi:

il progetto COLOSSUS è stato una fonte importante di questa vitalità (energia o spinta), che non è stata ben compresa o conosciuta, così come l'importanza dei suoi posti nella linea temporale dell'invenzione del computer digitale.

I piani e i macchinari dei colossi erano segreti al momento della loro realizzazione. Rimasero tali dopo la guerra, quando Winston Churchill ordinò la distruzione della maggior parte delle macchine Colossus in "parti non più grandi della mano di un uomo"; Tommy Flowers stesso bruciò i progetti in un camino a Dollis Hill. Alcune parti, cambiate per sembrare innocenti, furono portate al Laboratorio di macchine informatiche della Royal Society di Newman all'Università di Manchester. Il Colossus Mark 1 fu smontato e i pezzi furono rispediti all'ufficio postale. Due computer Colossus, insieme a due macchine Tunny copiate, sono stati conservati. Furono trasferiti nella nuova sede centrale del GCHQ a Eastcote nell'aprile 1946. Si trasferirono di nuovo con GCHQ a Cheltenham tra il 1952 e il 1954. Uno dei computer, noto come Colossus Blue, fu smontato nel 1959; l'altro nel 1960. Negli anni successivi, i computer furono utilizzati per l'addestramento. Prima di allora, c'erano stati tentativi di cambiarli (a volte anche bene) per altri scopi. Jack Good fu il primo ad usarli dopo la guerra, facendo in modo che la NSA usasse Colossus per fare qualcosa per cui progettava di costruire una macchina per scopi speciali. Colossus è stato anche usato per eseguire il conteggio delle lettere su un unico nastro per testare la non casualità.

A quel tempo il Colosso era ancora segreto, molto tempo dopo che ogni suo dettaglio tecnico aveva una qualche importanza. Ciò era dovuto all'uso da parte delle agenzie di intelligence britanniche di macchine simili a Enigma, che fecero acquistare ad altri governi. Le agenzie hanno poi decifrato i codici in diversi modi. Se la conoscenza delle macchine rompicode fosse stata ampiamente conosciuta, nessuno avrebbe accettato queste macchine; piuttosto, avrebbero sviluppato i loro metodi per la crittografia, metodi che i servizi britannici non sarebbero stati in grado di rompere. La necessità di tali segreti è andata via lentamente via via che le comunicazioni sono passate alla trasmissione digitale e i sistemi di cifratura completamente digitali sono diventati comuni negli anni Sessanta.

Il libro del Colonnello Winterbotham The Ultra Secret è uscito nel 1975. Questo ha rotto il segreto che circondava il Colosso. Dopo di che, i dettagli sul computer cominciarono a diventare pubblici alla fine degli anni Settanta.

Un rapporto tecnico di 500 pagine sul cifrario Tunny e la sua codifica - intitolato Relazione generale su Tunny - è stato consegnato dal GCHQ all'Ufficio nazionale dei registri pubblici nell'ottobre 2000; il rapporto tecnico completo è online.

Una squadra guidata da Tony Sale ha costruito una copia funzionante di un Colossus Mark 2. I piani e le macchine erano stati distrutti, ma una quantità sorprendente di altro materiale non è stata distrutta. Era per lo più nei quaderni degli ingegneri, gran parte di essi negli Stati Uniti. Il lettore ottico a nastro avrebbe potuto essere il problema più grande, ma il dottor Arnold Lynch, il suo progettista, è stato in grado di riprogettarlo a partire dai suoi primi scritti. Il Colosso ricostruito è in mostra al National Museum of Computing, nel blocco H Block Bletchley Park a Milton Keynes, Buckinghamshire. Qui è dove il Colosso n. 9 è stato usato durante la guerra.

Nel novembre 2007, per segnare sia la fine dei lavori che l'inizio della raccolta fondi (chiedendo soldi) hanno indetto un concorso. I soldi avrebbero aiutato il Museo Nazionale dell'Informatica con un Concorso Cifrario dove il ricostruito Colosso gareggiava con i radioamatori di tutto il mondo. Il primo a sentire e decodificare tre messaggi cifrati avrebbe vinto. Essi sarebbero stati codificati con il Lorenz SZ42 e trasmessi dalla stazione radio del museo informatico Heinz Nixdorf MuseumsForum in Germania. Il concorso fu facilmente vinto dal radioamatore Joachim Schüth. Schüth si era preparato per l'evento. Ha realizzato il suo programma di elaborazione del segnale e di codifica con Ada. Il team di Colossus ha perso perché voleva usare le radio della Seconda Guerra Mondiale,. Erano in ritardo di un giorno a causa delle cattive condizioni radio. Il portatile da 1,4 GHz del vincitore, con il suo programma, ha impiegato meno di un minuto per trovare le impostazioni di tutte e 12 le ruote. Il codebreaker tedesco ha detto: "Il mio portatile ha lavorato sul testo cifrato ad una velocità di 1,2 milioni di lettere al secondo-240x più veloce di Colossus. Se si confrontano i due computer, si può dire che Colossus aveva una velocità di 5,8 MHz. È molto veloce per un computer costruito nel 1944".

• ENIAC
• Supercomputer
• Enigma (macchina)
• Cifra di Lorenz