Colossus: maailman ensimmäinen ohjelmoitava elektroninen tietokone

Tarkoitus ja alkuperä

Säännölliset "Tunny"-viestien radiolähetykset alkoivat kesäkuussa 1941. Brittiläiset koodinmurtajat huomasivat, että siinä käytettiin viiden yksikön koodia, joka muistutti teleprintterijärjestelmää. Heidän tutkimuksensa osoittivat myös, että koodauksen suoritti roottorinen salakirjoituskone, jossa oli 12 pyörää (roottoria). Jokaista uutta lähetettyä viestiä varten pyörät oli ensin käännettävä uusiin asentoihin. Viestin aloitusasennon valitsi viestin lähettäjä. Hän kertoi viestin vastaanottavalle operaattorille, mitkä olivat aloitusasennot 12 kirjaimella, joita ei ollut koodattu. Mahdollisten 12 pyörän aloitusasentojen kokonaismäärä oli hyvin suuri.

Koodauslaite yhdisti selkotekstin (viestin koodaamattoman version) ja avainvirraksi kutsutun merkkivirran (näennäisesti satunnaisten merkkien virta), jonka se tuotti salatekstin (viestin koodatun version) muodostamiseksi. Kooditeksti, jossa ei ollut mitään järkeä, lähetettiin radiolla. Vastaanottavassa päässä samanlainen kone poisti avainvirran, jolloin saatiin viestin selkoteksti.

Jos saksalaiset operaattorit toimisivat aina oikein, pyörät eivät olisi kahdessa viestissä samassa lähtöasennossa. Virheitä kuitenkin tehtiin. Ne auttoivat brittiläisiä koodinmurtajia. Elokuun 30. päivänä 1941 lähetettiin kaksi versiota samasta, lähes 4 000 merkkiä pitkästä viestistä, jossa oli samat pyörien alkuasennot. Tämä virhe oli erittäin hyödyllinen tutkimuksen koodinmurtajille. John Tiltman -niminen koodinmurtaja sai näistä viesteistä avainvirran.

Koodinmurtajat yrittivät selvittää koneen yksityiskohtia näistä tiedoista, mutta aluksi he epäonnistuivat. Heidän seuraansa liittyi nuori koodinmurtaja Bill Tutte, jolle annettiin tehtävä. Pitkän työn jälkeen hän onnistui ja sai aikaan loogisen kuvauksen näkymättömästä koneesta. Tätä työtä on kuvailtu "toisen maailmansodan suurimmaksi älylliseksi saavutukseksi". Tutte selvitti, että kone loi jokaisen näppäinvirran merkin yhdistämällä kahden viiden pyörän sarjan vaikutukset. Hän käytti pyörien nimeämiseen kreikkalaisia kirjaimia. Hän kutsui toista viiden pyörän sarjaa χ ("chi") pyöriksi ja toista viiden pyörän sarjaa ψ ("psi") pyöriksi. Hän laskeskeli, että χ-pyörät siirtyivät yhden paikan verran jokaista uutta koodattua merkkiä kohti. ψ-pyörät eivät kuitenkaan liikkuneet säännöllisesti. Ne liikkuivat vain osan ajasta. Sitä, siirtyivätkö ψ-pyörät eteenpäin vai eivät, ohjattiin kahdella pyörällä, joita hän kutsui μ- ("mu") tai "moottoripyöriksi".

Max Newman oli matemaatikko ja koodinmurtaja Bletchley Parkissa. Hän sai tehtäväkseen selvittää, miten kone voisi murtaa Tunny-viestit. Kone tekisi laskelman monista mahdollisista χ-pyörien alkuasennoista. Laskennan perusteella eniten lukuja tuottava aloitusasento oli todennäköisesti oikea. Ensimmäisen koneen nimi oli "Heath Robinson". Se ei toiminut kovin hyvin. Siinä oli kaksi rei'itettyä paperinauhaa, joiden oli toimittava täsmälleen yhdessä. Toinen nauha sisälsi salatun tekstin jatkuvana silmukkana. Toinen silmukoitu nauha sisälsi koodauskoneen pyörien tekemiä kuvioita. Nauhat venyivät tai katkesivat usein, kun ne kulkivat 2000 merkkiä sekunnissa. Joskus nauhat eivät olleet samassa linjassa, jolloin laskenta oli väärin.

Rakennus Colossus

Tommy Flowers työskenteli Postin tutkimusasemalla Dollis Hillissä Luoteis-Lontoossa. Häntä pyydettiin tutkimaan Heath Robinson -konetta. Hänen mielestään se oli heikko kone. Hän suunnitteli elektronisen koneen, joka tekisi saman työn. Se tekisi koodauskoneen kuviot elektroniikan avulla niin, että tarvittaisiin vain yksi paperinauha. Helmikuussa 1943 hän näytti Max Newmanille tämän suunnitelman. Suunnitelmaan tarvittiin 1 500 termioniventtiiliä (tyhjiöputkea). Harva uskoi, että niin monta venttiiliä voisi toimia ilman, että moni vikaantuisi. Heath Robinson -koneita tilattiin lisää. Flowers piti kuitenkin kiinni ajatuksesta elektronisesta koneesta. Hän sai tukea Gordon Radleylta, joka oli hänen esimiehensä Postin tutkimusasemalla. Tommy Flowers ja hänen tiiminsä aloittivat Colossuksen työstämisen helmikuussa 1943.

Viestin sisältävä nauha oli luettava nopeasti. Tommy Flowers testasi nauhanlukijaa jopa 9 700 kirjainta sekunnissa (53 mph (85 km/h)) ennen kuin nauha rikkoutui. Hän valitsi 5 000 kirjainta sekunnissa hyväksi nopeudeksi säännölliseen työhön. Tämä tarkoitti, että paperinauha liikkui 12 m/s (40 ft/s) eli 43,9 km/h (27,3 mph). Elektronisia piirejä ohjattiin signaalilla, joka saatiin luettua rei'itetyn nauhan ketjureikien lukemisesta.

Ensimmäinen Colossus toimi Dollis Hillissä joulukuussa 1943. Sitten Colossus purettiin ja siirrettiin Bletchley Parkiin. Se saapui sinne 18. tammikuuta 1944. Harry Fensom ja Don Horwood kokosivat sen uudelleen. Colossus luki ensimmäisen viestinsä 5. helmikuuta. Ensimmäisen Colossuksen (Mark 1) jälkeen oli yhdeksän Mark 2 -konetta. Näissä jokaisessa oli 2400 venttiiliä. Niitä oli helpompi käyttää. Ne voitiin ohjelmoida toimimaan viisi kertaa nopeammin kuin Mark 1. Mark 2 Colossus toimi ensimmäisen kerran 1. kesäkuuta 1944.

Aluksi Colossusta käytettiin vain viestin lähtöpyöräpaikkojen löytämiseen (ns. pyörän asetus). Koodinmurtajat keksivät, miten Mark 2:ta voitiin käyttää apuna pyörien nokkien kuvioiden löytämisessä (pyörän murtaminen). Sodan lopussa Bletchley Parkissa työskenteli kymmenen Colossus-tietokonetta. Tämä tarkoitti sitä, että hyvin monia viestejä pystyttiin purkamaan.

Suunnittelu ja käyttö

Colossus käytti osia, jotka olivat tuolloin uusia. Siinä käytettiin tyhjiöputkia, tyratroneja ja valomonistinpiirejä. Se luki paperilta valon avulla. Se teki sitten jokaiselle kirjaimelle erikoisominaisuuden, jota voitiin muuttaa. Se laski, kuinka usein tämä erityinen asia oli "totta". Koneet, joissa oli paljon tyhjiöputkia, rikkoutuivat tunnetusti usein. Ne rikkoutuvat eniten päälle kytkettäessä, joten Colossus-koneet kytkettiin pois päältä vain silloin, kun jokin osa rikkoutui.

Colossus oli ensimmäinen elektroninen digikone, jolla saattoi olla ohjelma. Se ei pystynyt muuttumaan niin paljon kuin myöhemmät koneet:

• sillä ei ollut ohjelmaa sisällään. Ihminen käytti pistokkeita, johtoja ja kytkimiä ohjelman muuttamiseen. Näin se asetettiin sitä uutta asiaa varten.
• Colossus ei ollut yleiskone. Se oli tarkoitettu vain tietynlaiseen koodinmurtoon: laskentaan ja Boolen operaatioihin.

Se ei ollut Turingin täydellinen tietokone, vaikka Alan Turing oli Bletchley Parkissa. Tätä ajatusta ei ollut vielä keksitty, eivätkä useimmat muutkaan varhaiset nykyaikaiset laskentakoneet olleet Turingin täydellisiä (kuten Atanasoff-Berry-tietokone, Harvardin Mark I -elektromekaaninen relekone, George Stibitzin ja muiden Bell Labsin relekoneet tai Konrad Zusen ensimmäiset suunnitelmat). Kesti kauan, ennen kuin tietokoneita käytettiin moniin eri tarkoituksiin eikä vain laskinta vain yhden vaikean ongelman ratkaisemiseen.

Vaikutus ja kohtalo

Se, mihin Colossus-tietokoneita käytettiin, oli hyvin salaista. Itse Colossus oli erittäin salainen vielä monta vuotta sodan jälkeen. Siksi Colossusta ei voitu pitkään aikaan sisällyttää tietokonelaitteistojen historiaan. Kukaan ei tiennyt, miten tärkeitä Flowers ja muut sen valmistuksessa mukana olleet ihmiset olivat.

Tästä salaisesta tietokoneesta ei tiennyt kovin moni, joten sillä ei ollut juurikaan suoraa vaikutusta myöhempien tietokoneiden uuteen suunnitteluun; EDVAC oli varhainen suunnitelma, jolla oli suurin vaikutus myöhempään tietokoneiden suunnitteluun.

Kun Colossus oli tehty, jotkut ihmiset tiesivät nyt, että nopeat elektroniset (ei liikkuvia osia kuten sähköiset releet) digitaaliset laskentalaitteet voidaan tehdä, eivätkä ne rikkoudu liikaa. Pelkästään tämä tieto riitti vaikuttamaan suuresti varhaisten tietokoneiden suunnitteluun Britanniassa ja todennäköisesti myös Yhdysvalloissa. Ihmiset, jotka tiesivät Colossuksesta, olivat tärkeitä Britannian varhaisen tietokonealan toimijoita. Vuonna 1972 Herman Goldstine kirjoitti seuraavaa:

Britannialla oli niin paljon elinvoimaa (energiaa tai tarmoa), että se pystyi heti sodan jälkeen käynnistämään niin monia hyvin suunniteltuja ja toteutettuja hankkeita tietotekniikan alalla.

Tätä kirjoittaessaan Goldstine ei tiennyt Colossuksesta. Hän ei tiennyt, mitä se jätti hankkeisiin ihmisistä, jotka tiesivät siitä. Alan Turingin (Pilot ACE ja ACE) sekä Max Newmanin ja I. J. Goodin (Manchester Mark 1 ja muut varhaiset Manchesterin tietokoneet) kaltaiset ihmiset. Brian Randell kirjoitti myöhemmin näin:

COLOSSUS-hanke oli tärkeä tämän elinvoiman (energian tai liikkeellepanon) lähde, jota ei ole ymmärretty tai tunnettu hyvin, kuten ei myöskään sen paikkojen merkitystä digitaalisen tietokoneen keksimisen aikajänteellä.

Colossuksen suunnitelmat ja koneet olivat salaisia siitä lähtien, kun niitä tehtiin. Ne pysyivät salaisina sodan jälkeen, kun Winston Churchill määräsi tuhoamaan suurimman osan Colossus-koneista "miehen kämmentä pienemmiksi osiksi"; Tommy Flowers itse poltti suunnitelmat Dollis Hillin takassa. Jotkin viattoman näköisiksi muutetut osat vietiin Newmanin Royal Society Computing Machine Laboratoryyn Manchesterin yliopistoon. Colossus Mark 1 purettiin osiin ja osat lähetettiin takaisin Postiin. Kaksi Colossus-tietokonetta ja kaksi kopioitua Tunny-konetta säilytettiin. Ne siirrettiin GCHQ:n uuteen pääkonttoriin Eastcotessa huhtikuussa 1946. Ne siirrettiin jälleen GCHQ:n mukana Cheltenhamiin vuosina 1952-1954. Yksi tietokoneista, joka tunnettiin nimellä Colossus Blue, purettiin vuonna 1959 ja toinen vuonna 1960. Myöhempinä vuosinaan tietokoneita käytettiin koulutukseen. Sitä ennen niitä oli yritetty muuttaa (joskus hyvin) muihin tarkoituksiin. Jack Good käytti sitä ensimmäisenä sodan jälkeen saamalla NSA:n käyttämään Colossusta johonkin sellaiseen, jota varten se aikoi rakentaa erikoiskoneen. Colossusta käytettiin myös kirjainlaskentaan kertakäyttönäuhalla, jotta voitiin testata, ettei se ole satunnainen.

Tähän aikaan Colossus oli vielä salainen, kauan sen jälkeen, kun sen teknisillä yksityiskohdilla oli vielä merkitystä. Tämä johtui siitä, että Yhdistyneen kuningaskunnan tiedustelupalvelut käyttivät Enigman kaltaisia koneita, joita ne saivat muut hallitukset ostamaan. Virastot mursivat koodit eri tavoin. Jos tieto koodinmurtajakoneista olisi ollut laajalti tiedossa, kukaan ei olisi hyväksynyt näitä koneita, vaan ne olisivat kehittäneet omia salausmenetelmiä, joita Yhdistyneen kuningaskunnan yksiköt eivät ehkä olisi pystyneet murtamaan. Tällaisten salaisuuksien tarve vähitellen poistui, kun viestinnässä siirryttiin digitaaliseen tiedonsiirtoon ja täysin digitaaliset salausjärjestelmät yleistyivät 1960-luvulla.

Eversti Winterbothamin kirja The Ultra Secret ilmestyi vuonna 1975. Se rikkoi Colossusta ympäröivän salaisuuden. Sen jälkeen tietokoneen yksityiskohdat alkoivat tulla julkisuuteen 1970-luvun lopulla.

GCHQ antoi lokakuussa 2000 kansalliselle Public Record Office -arkistolle 500-sivuisen teknisen raportin Tunnyn salakirjoituksesta ja sen koodinmurrosta - nimeltään General Report on Tunny - ja koko tekninen raportti on saatavilla verkossa.

Making it again

Tony Salen johtama ryhmä rakensi toimivan kopion Colossus Mark 2:sta. Suunnitelmat ja koneet oli tuhottu, mutta yllättävän paljon muuta materiaalia ei ollut tuhottu. Se oli enimmäkseen insinöörien muistikirjoissa, joista suuri osa oli Yhdysvalloissa. Optinen nauhanlukija saattoi olla suurin ongelma, mutta sen suunnittelija tohtori Arnold Lynch pystyi suunnittelemaan sen uudelleen omien ensimmäisten kirjoitustensa pohjalta. Uudelleenrakennettu Colossus on esillä The National Museum of Computing -museossa H Block Bletchley Parkissa Milton Keynesissä Buckinghamshiren osavaltiossa. Täällä Colossus nro 9:ää käytettiin sodassa.

Marraskuussa 2007 järjestettiin kilpailu, jolla juhlistettiin sekä työn päättymistä että varainhankinnan (rahan keräämisen) alkamista. Rahat auttaisivat National Museum of Computingia järjestämään salakirjoituskilpailun, jossa uudelleen rakennettu Colossus kilpailisi radioamatöörien kanssa ympäri maailmaa. Voittajaksi selviytyisi se, joka ensimmäisenä kuulee ja purkaa kolme salattua viestiä. Ne salattaisiin Lorenz SZ42:lla ja lähetettäisiin Heinz Nixdorf MuseumsForum -museon radioasemalta Saksassa sijaitsevasta Heinz Nixdorfin tietokonemuseosta Archived 2012-03-19 at Wayback Machine computer museum in Germany. Kilpailun voitti helposti radioamatööri Joachim Schüth. Schüth oli valmistautunut tapahtumaan. Hän teki oman signaalinkäsittely- ja koodinmurto-ohjelmansa Adaa käyttäen. Colossus-tiimi hävisi, koska he halusivat käyttää toisen maailmansodan aikaisia radioita,. He myöhästyivät päivän huonojen radio-olosuhteiden vuoksi. Voittajan 1,4 GHz:n kannettavalla tietokoneella, jossa oli hänen oma ohjelmansa, kesti alle minuutin löytää kaikkien 12 pyörän asetukset. Saksalainen koodinmurtaja sanoi: "Kannettava tietokoneeni työsti salakirjoitustekstiä 1,2 miljoonan kirjaimen sekuntinopeudella - 240 kertaa nopeammin kuin Colossus". Jos näitä kahta tietokonetta verrataan toisiinsa, voidaan sanoa, että Colossuksen nopeus oli 5,8 MHz. Se on erittäin nopea vuonna 1944 rakennetulle tietokoneelle."

Aiheeseen liittyvät sivut

• ENIAC
• Supertietokone
• Enigma (kone)
• Lorenzin salakirjoitus