Colossus: Bletchley Parks kryptoanalysdator: världens första programmerbar dator

Regelbundna radiosändningar av "Tunny"-meddelanden inleddes i juni 1941. De brittiska kodknäckarna såg att den använde en kod med fem enheter som ett teleprinter-system. Deras forskning visade också att kodningen utfördes av en rotor chiffermaskin med 12 hjul (rotorer). För varje nytt meddelande som skickades måste hjulen först vridas till nya positioner. Startpositionen för meddelandet valdes av den operatör som skickade meddelandet. Han meddelade operatören som tog emot meddelandet vilka startpositioner som var med 12 bokstäver som inte var kodade. Det totala antalet möjliga startpositioner för de 12 hjulen var mycket stort.

Kodningsmaskinen lägger ihop klartexten (den okodade versionen av meddelandet) och en ström av tecken (bokstäver, siffror, interpunktion) som kallas nyckelströmmen (en ström av till synes slumpmässiga tecken) som den genererar för att skapa chiffertexten (den kodade versionen av meddelandet). Chiffertexten, som inte var begriplig, överfördes via radio. I den mottagande änden tog en identisk maskin bort nyckelströmmen för att skapa meddelandet i klartext.

Om de tyska operatörerna alltid arbetade korrekt, skulle inte två meddelanden ha samma startposition för hjulen. Men misstag gjordes. De hjälpte de brittiska kodknäckarna. Den 30 augusti 1941 skickades två versioner av samma meddelande, som var nästan 4 000 tecken långt, med samma startpositioner för hjulen. Detta misstag var mycket användbart för forskningskodbrytarna. En kodbrytare vid namn John Tiltman kunde få fram nyckelströmmen från dessa meddelanden.

Kodknäckarna försökte ta reda på detaljerna i maskinen utifrån denna information, men misslyckades först. De fick då sällskap av en ung kodknäckare vid namn Bill Tutte som fick uppdraget. Efter mycket arbete lyckades han och tog fram en logisk beskrivning av den osynliga maskinen. Detta arbete har beskrivits som "den största intellektuella prestationen under andra världskriget". Tutte räknade ut att maskinen skapade varje tecken i nyckelströmmen genom att kombinera effekterna av två uppsättningar av fem hjul. Han använde grekiska bokstäver för att namnge hjulen. Han kallade den ena uppsättningen av fem för χ-hjul ("chi") och den andra uppsättningen av fem för ψ-hjul ("psi"). Han räknade ut att χ-hjulen flyttade sig en position för varje nytt tecken som kodades. ψ-hjulen rörde sig däremot inte regelbundet. De rörde sig bara på en del av tiden. Huruvida ψ-hjulen rörde på sig eller inte styrdes av två hjul som han kallade två μ ("mu") eller "motorhjul".

Max Newman var matematiker och kodknäckare vid Bletchley Park. Han fick i uppdrag att ta reda på hur en maskin skulle kunna knäcka "Tunny"-meddelanden. Maskinen skulle göra en beräkning för många möjliga startpositioner för χ-hjulen. Den startposition som gav det största antalet från denna beräkning var sannolikt den rätta. Den första maskinen kallades "Heath Robinson". Den fungerade inte särskilt bra. Den hade två stansade pappersband som måste fungera exakt tillsammans. Det ena bandet innehöll chiffertexten i en kontinuerlig slinga. Det andra bandet med en slinga innehöll mönster som skapades av kodningsmaskinens hjul. Banden sträckte sig ofta eller gick sönder när de körde 2000 tecken i sekunden. Ibland kunde banden inte ligga i linje med varandra, och då var räkningarna felaktiga.

Tommy Flowers arbetade på Post Office Research Station i Dollis Hill i nordvästra London. Han blev ombedd att titta på Heath Robinson-maskinen. Han tyckte att det var en svag maskin. Han konstruerade en elektronisk maskin som skulle göra samma sak. Den skulle göra kodningsmaskinens mönster med hjälp av elektronik, så att endast ett pappersband behövdes. I februari 1943 visade han Max Newman denna konstruktion. Konstruktionen krävde 1 500 termioniska ventiler (vakuumrör). Få människor trodde att så många ventiler skulle kunna fungera utan att mycket gick sönder. Fler Heath Robinson-maskiner beställdes. Flowers höll dock fast vid idén om en elektronisk maskin. Han fick stöd av Gordon Radley, sin chef på Post Office Research Station. Tommy Flowers och hans team inledde arbetet med Colossus i februari 1943.

Bandet med meddelandet måste läsas snabbt. Tommy Flowers testade bandläsaren upp till 9 700 bokstäver/sekund (85 km/h) innan bandet gick sönder. Han valde 5 000 tecken per sekund som en bra hastighet för vanligt arbete. Detta innebar att pappersbandet rörde sig med 12 m/s (40 fot/s) eller 43,9 km/h (27,3 mph). De elektroniska kretsarna drevs av en signal som gjordes genom att läsa av tandhjulshålen på det stansade bandet.

Den första Colossus arbetade på Dollis Hill i december 1943. Sedan tog man isär Colossus och flyttade den till Bletchley Park. Den kom dit den 18 januari 1944. Harry Fensom och Don Horwood satte ihop den igen. Colossus läste sitt första meddelande den 5 februari. Efter den första Colossus (Mark 1) fanns det nio Mark 2-maskiner. Dessa hade var och en 2 400 ventiler. De var lättare att använda. De kunde programmeras för att arbeta fem gånger snabbare än Mark 1. En Mark 2 Colossus arbetade för första gången den 1 juni 1944.

Till en början användes Colossus endast för att hitta starthjulsplatserna för ett meddelande (så kallad hjulinställning). Kodknäckare kom fram till hur Mark 2 kunde användas för att hitta mönster för kammarna på hjulen (hjulbrytning). I slutet av kriget arbetade tio Colossus-datorer vid Bletchley Park. Detta innebar att väldigt många meddelanden avkodades.

Colossus använde delar som var nya på den tiden. Den använde vakuumrör, thyratroner och fotomultiplikatorer. Den läste från papper med ljus. Den gjorde sedan en särskild sak för varje bokstav; den särskilda saken kunde ändras. Den räknade hur ofta denna speciella sak var "sann". Maskiner med många vakuumrör var kända för att gå sönder ofta. De går sönder mest när de slås på, så Colossus-maskinerna stängdes bara av när en del gick sönder.

Colossus var den första av de elektroniska digitala maskinerna som kunde ha ett program. Den kunde inte förändras lika mycket som senare maskiner:

• den hade inget program i sig själv. En person använde pluggar, kablar och strömbrytare för att ändra programmet. På detta sätt ställdes den in för att göra något nytt.
• Colossus var inte en maskin för allmänna ändamål. Den var gjord för endast en typ av kodbrytning: räkning och booleska operationer.

Det var inte en Turing-komplett dator, trots att Alan Turing arbetade på Bletchley Park. Denna idé hade ännu inte kommit på tal, och de flesta andra tidiga moderna datamaskiner var inte Turing-kompletta (som Atanasoff-Berry-datorn, den elektromekaniska relämaskinen Harvard Mark I, Bell Labs relämaskiner av George Stibitz och andra, eller Konrad Zuses första planer). Det tog lång tid innan datorer kunde användas på många olika sätt, i stället för att bara vara en miniräknare för att lösa ett svårt problem.

Vad Colossus-datorerna användes till var mycket hemligt. Själva Colossus var mycket hemlig även många år efter kriget. Det är därför Colossus inte kunde ingå i historien om datorhårdvara på länge. Ingen visste hur viktiga Flowers och de andra personerna som hjälpte till att göra den var.

Det var inte många som kände till denna hemliga dator, så den hade liten direkt effekt på den nya konstruktionen av senare datorer; EDVAC var den tidiga konstruktion som hade störst effekt på senare datorkonstruktion.

När Colossus hade tillverkats visste en del människor nu att det var möjligt att tillverka elektroniska höghastighetsdatorer (utan rörliga delar som elektriska reläer) utan att de gick sönder för mycket. Bara denna kunskap var tillräcklig för att ha en stor inverkan på utformningen av tidiga datorer i Storbritannien och förmodligen även i USA. De personer som kände till Colossus var viktiga inom det tidiga datorområdet i Storbritannien. 1972 skrev Herman Goldstine följande:

Storbritannien hade en sådan vitalitet (energi eller drivkraft) att man direkt efter kriget kunde starta så många välplanerade och väl genomförda projekt på datorområdet.

När Goldstine skrev detta kände han inte till Colossus. Han visste inte vad den lämnade för projekt av människor som kände till den. Personer som Alan Turing (med Pilot ACE och ACE), och Max Newman och I.J. Good (med Manchester Mark 1 och andra tidiga Manchester-datorer). Brian Randell skrev senare att:

COLOSSUS-projektet var en viktig källa till denna vitalitet (energi eller drivkraft), en källa som inte har varit väl förstådd eller känd, liksom betydelsen av dess plats i tidslinjen för uppfinningen av den digitala datorn.

Colossus planer och maskineri var hemliga från det att de tillverkades. Det förblev så efter kriget, då Winston Churchill beordrade att de flesta Colossus-maskiner skulle förstöras till "delar som inte var större än en mans hand". Tommy Flowers själv brände ritningarna i en eldstad i Dollis Hill. Vissa delar, som ändrats för att se oskyldiga ut, togs till Newmans Royal Society Computing Machine Laboratory vid Manchester University. Colossus Mark 1 demonterades och delarna skickades tillbaka till postverket. Två Colossus-datorer och två kopierade Tunny-maskiner behölls. De flyttades till GCHQ:s nya huvudkontor i Eastcote i april 1946. De flyttade återigen med GCHQ till Cheltenham mellan 1952 och 1954. En av datorerna, känd som Colossus Blue, demonterades 1959 och den andra 1960. Under sina senare år användes datorerna för utbildning. Dessförinnan hade det gjorts försök att ändra dem (ibland väl) för andra ändamål. Jack Good var den förste som använde den efter kriget, då han fick NSA att använda Colossus för att göra något som de planerade att bygga en maskin för speciella ändamål för. Colossus användes också för att utföra bokstavsräkningar på band med engångsblock för att testa om de inte var slumpmässiga.

Vid den här tiden var Colossus fortfarande hemlig, långt efter det att några av dess tekniska detaljer hade blivit viktiga. Detta berodde på att Storbritanniens underrättelsetjänst använde Enigma-liknande maskiner som de fick andra regeringar att köpa. Myndigheterna knäckte sedan koderna på olika sätt. Om kunskapen om kodknäckarmaskinerna hade varit allmänt känd skulle ingen ha accepterat dessa maskiner, utan man skulle ha utvecklat egna metoder för kryptering, metoder som de brittiska tjänsterna kanske inte hade kunnat knäcka. Behovet av sådana hemligheter försvann långsamt när kommunikationen övergick till digital överföring och helt digitala krypteringssystem blev vanliga på 1960-talet.

Överste Winterbothams bok The Ultra Secret kom ut 1975. Den bröt hemlighetsmakeriet kring Colossus. Därefter började detaljer om datorn bli offentliga i slutet av 1970-talet.

En 500 sidor lång teknisk rapport om Tunny-chiffret och dess kodbrytning - med titeln General Report on Tunny - överlämnades av GCHQ till den nationella myndigheten Public Record Office i oktober 2000; hela den tekniska rapporten finns på nätet.

Ett team under ledning av Tony Sale byggde en fungerande kopia av en Colossus Mark 2. Ritningarna och maskinerna hade förstörts, men en överraskande mängd annat material hade inte förstörts. Det fanns mestadels i ingenjörers anteckningsböcker, mycket av det i USA. Den optiska bandläsaren kan ha varit det största problemet, men Dr. Arnold Lynch, dess konstruktör, kunde konstruera om den utifrån sina egna första skrivelser. Den ombyggda Colossus visas på The National Museum of Computing, i H Block Bletchley Park i Milton Keynes, Buckinghamshire. Det var här som Colossus nr 9 användes under kriget.

I november 2007 anordnade de en tävling för att markera både slutet på arbetet och början på insamlingen av pengar. Pengarna skulle hjälpa National Museum of Computing med en Cipher Competition där den återuppbyggda Colossus tävlade mot radioamatörer från hela världen. Den som först hörde och avkodade tre krypterade meddelanden vann. De skulle krypteras med Lorenz SZ42 och sändas från radiostationen i Heinz Nixdorf MuseumsForum Archived 2012-03-19 at the Wayback Machine datormuseum i Tyskland. Tävlingen vanns lätt av radioamatören Joachim Schüth. Schüth hade förberett sig för evenemanget. Han hade gjort ett eget program för signalbehandling och kodbrytning med hjälp av Ada. Colossus-teamet förlorade eftersom de ville använda radioapparater från andra världskriget,. De var en dag försenade på grund av dåliga radioförhållanden. Det tog mindre än en minut för vinnarens bärbara dator på 1,4 GHz, som körde hans eget program, att hitta inställningarna för alla 12 hjul. Den tyska kodknäckaren sa: "Min bärbara dator arbetade med chiffertexter med en hastighet på 1,2 miljoner bokstäver per sekund - 240 gånger snabbare än Colossus. Om man jämför de två datorerna kan man säga att Colossus hade en hastighet på 5,8 MHz. Det är mycket snabbt för en dator som byggdes 1944."

• ENIAC
• Superdator
• Enigma (maskin)
• Lorenz chiffer