Colossus
- Тип
- специализированная программируемая электронная цифровая вычислительная машина
- Период
- 1943–1945 годы
- Происхождение
- Великобритания
Colossus — серия британских специализированных программируемых электронных цифровых вычислительных машин, созданных в годы Второй мировой войны для ускорения криптоанализа германской телетайпной системы Lorenz SZ 40/42. Машины работали в Блетчли-парке в подразделении, известном как Newmanry, и использовались прежде всего для статистического поиска настроек системы, которую британцы обозначали кодовым словом Tunny.[1]
Colossus занимает особое место в истории вычислительной техники. Его часто называют первым крупным программируемым электронным цифровым компьютером, однако это определение требует уточнения: Colossus не был универсальной машиной с хранимой в памяти программой. Он был специализированным устройством, конфигурация которого задавалась переключателями и коммутационными панелями, а набор задач был связан с определённым классом криптоаналитических вычислений.[2]
Задача Tunny
Colossus возник не как самостоятельный проект «создать компьютер». Его архитектура выросла непосредственно из задачи вскрытия шифрованной телетайпной связи германского высшего командования.
После того как Джон Тилтман и Уильям Тьют раскрыли важные свойства Lorenz, криптоаналитики получили математическую модель двенадцати колёс машины. Для чтения конкретного сообщения требовалось находить их настройки и сопоставлять огромные количества возможных последовательностей с перехваченным текстом.
Ручные методы подразделения Testery давали результат, но были трудоёмкими. Макс Ньюман увидел, что часть статистических вычислений можно автоматизировать. Так возникло отдельное подразделение Newmanry.[3]
Heath Robinson
Первой крупной попыткой автоматизации стал Heath Robinson — электромеханическое устройство, названное в честь британского художника, известного рисунками чрезмерно сложных машин.
Robinson одновременно читал две быстро движущиеся перфоленты. На одной находился перехваченный шифртекст, на другой — моделируемая последовательность, соответствовавшая предполагаемому состоянию части Lorenz. Электронные схемы подсчитывали статистические совпадения.
Главной практической проблемой была синхронизация двух бумажных лент. На большой скорости небольшие механические отклонения давали ошибки. Тем не менее Robinson доказал полезность машинного статистического перебора и стал прямым технологическим предшественником Colossus.[4]
Идея Томми Флауэрса
Томми Флауэрс работал инженером исследовательской станции британского General Post Office в Доллис-Хилле. Он имел опыт создания сложных электронных телефонных систем на вакуумных лампах.
Флауэрс предложил избавиться от второй перфоленты. Последовательности, которые Robinson читал с механического носителя, можно было генерировать внутри электронной схемы. Это решало проблему синхронизации и позволяло значительно увеличить скорость.
Предложение казалось рискованным из-за количества ламп. В то время считалось, что машина с тысячами вакуумных ламп будет ненадёжной. Флауэрс опирался на противоположный инженерный опыт: лампы особенно часто выходили из строя при включении и выключении, тогда как непрерывная эксплуатация могла быть устойчивой.
GCHQ указывает, что первая машина была доставлена в Блетчли-парк 18 января 1944 года. В разработке участвовали специалисты Post Office Research Station, а криптоаналитическую постановку задачи определяла группа Ньюмана.[2]
Colossus Mark I
Первый Colossus представлял собой большую электронную систему из стоек с логическими схемами, счётчиками, переключателями и соединительными панелями. Перехваченный текст подавался с замкнутой петли перфоленты через фотоэлектрический считыватель.
Машина могла электронно воспроизводить последовательности отдельных колёс Lorenz и вычислять логические функции от этих последовательностей и входных данных. Результаты накапливались в быстрых электронных счётчиках.
Принципиальной особенностью стало разделение механики и логики: бумажная лента использовалась только для исходного шифртекста, а моделируемые ключевые последовательности формировались электронно. Это устраняло главный недостаток Robinson.
Colossus Mark II
Уже во время эксплуатации первого образца стало ясно, что требуется более производительная версия. Colossus Mark II был расширен и получил возможность выполнять более сложные логические условия и часть операций параллельно.
В Mark II использовалось около 2500 электронных ламп. Быстрый фотоэлектрический считыватель обрабатывал перфоленту со скоростью порядка пяти тысяч знаков в секунду. Машина могла выполнять несколько логических и счётных операций параллельно, что значительно ускоряло статистический поиск.[5]
Первая Mark II была введена в работу незадолго до высадки союзников в Нормандии летом 1944 года. GCHQ отмечает, что разведка, полученная с помощью Colossus и связанных криптоаналитических процессов, помогала подтверждать, что германское командование поверило союзной дезинформации о предполагаемой высадке в районе Па-де-Кале.[2]
К концу войны в Блетчли-парке работало около десяти машин семейства Colossus.
Как программировался Colossus
Термин «программируемый» применительно к Colossus нельзя понимать так же, как применительно к современному компьютеру.
Программа не загружалась в память как последовательность машинных инструкций. Операторы задавали логические функции с помощью переключателей, коммутационных панелей и соединений. Машина могла быть перенастроена на разные статистические тесты внутри своего класса задач.
Это важное отличие от более поздних компьютеров с хранимой программой. Colossus обладал программируемой логикой, но не был универсальной вычислительной машиной общего назначения.
Такая архитектура была рациональна для поставленной задачи: криптоаналитикам требовалась максимальная скорость повторения сравнительно ограниченного набора логических и счётных операций.
Считывание перфоленты
Перехваченное сообщение переносили на перфорированную бумажную ленту, склеенную в замкнутую петлю. Лента проходила через фотоэлектрический считыватель с большой скоростью.
Colossus не пытался «перевести немецкий текст» непосредственно. Он проверял статистические гипотезы о параметрах Tunny и выдавал числовые результаты. Криптоаналитики сравнивали оценки и определяли наиболее вероятные настройки.
Затем найденные параметры использовались в других частях рабочего процесса для восстановления ключевой последовательности и получения открытого текста.
Именно поэтому фраза «Colossus расшифровывал Lorenz» верна только на общем уровне. Машина ускоряла ключевую стадию криптоанализа, но была частью более широкой системы людей и устройств.
Newmanry и операторы
Newmanry объединяла математиков, инженеров и большой операторский персонал. За математическую постановку отвечала группа Макса Ньюмана; Томми Флауэрс и инженеры Post Office создали и совершенствовали электронную технику.
Многие операции выполняли женщины из Women's Royal Naval Service. Они устанавливали конфигурации, обслуживали бумажные ленты, фиксировали результаты и поддерживали круглосуточную работу машин.
Сохранившаяся правительственная фотография показывает операторов Дороти Дю Буассон и Элси Букер рядом с Colossus. Этот снимок стал одним из наиболее известных визуальных свидетельств ранней электронной вычислительной техники.
Скорость и практический эффект
Главное преимущество Colossus заключалось не в том, что он выполнял принципиально невозможные для человека вычисления, а в скорости массового повторения логических операций.
Работа, которая вручную или на более ранних устройствах могла занимать дни, выполнялась значительно быстрее. Это меняло саму военную ценность дешифровок: сведения, полученные через несколько недель, могли иметь лишь историческое значение, тогда как результат за часы становился оперативной разведкой.
Важнейшие Tunny-сообщения отражали действия и оценки германского высшего командования. GCHQ подчёркивает стратегический уровень этих сообщений и связь Colossus с разведкой, использовавшейся в период подготовки и проведения операций 1944 года.[2]
При этом невозможно свести успех операции «Оверлорд» к одной машине. Colossus был одним элементом системы, включавшей радиоразведку, обычный криптоанализ, воздушную и агентурную разведку, военное планирование и материальное превосходство союзников.
Colossus и Enigma
Одно из наиболее распространённых заблуждений — утверждение, будто Colossus был построен для «взлома Enigma».
Против Enigma работали другие методы и машины, прежде всего британские и американские Bombe. Colossus создавался для Tunny — британского обозначения системы Lorenz SZ 40/42.
Разница была не только технической. Enigma использовала роторное преобразование буквенного алфавита, тогда как Lorenz работал с пятибитным телетайпным кодом и ключевыми потоками.
Поэтому Bombe и Colossus представляют две отдельные линии автоматизации военного криптоанализа.
Был ли Colossus первым компьютером
Ответ зависит от определения слова «компьютер».
Colossus был электронным, цифровым и программируемым. Он работал автоматически и выполнял сложные логические вычисления с большой скоростью. GCHQ отмечает, что его считают одним из первых и нередко первым цифровым электронным компьютером.[2]
Но он не был машиной общего назначения и не использовал архитектуру хранимой программы. Такие свойства стали центральными для послевоенных компьютеров.
Поэтому точнее рассматривать Colossus как важнейшую ступень развития электронных цифровых вычислений, а не пытаться назначить одну машину абсолютным «первым компьютером» вне определения критериев.
Секретность после войны
После войны программа Colossus оставалась глубоко засекреченной. Это сильно повлияло на историю вычислительной техники: инженеры и математики, работавшие в Блетчли-парке, десятилетиями не могли публично описывать свои достижения.
По данным GCHQ, после войны восемь из десяти машин были уничтожены, а документация Флауэрса была изъята. Два Colossus продолжали использоваться британской разведкой до начала 1960-х годов.[2]
Широкая публика получила доступ к истории Colossus только после постепенного рассекречивания материалов в последней четверти XX века. Поэтому ранние послевоенные истории компьютеров почти не учитывали этот проект.
Влияние на послевоенные вычисления
Прямая технологическая преемственность от Colossus к каждому послевоенному компьютеру не существует. Секретность препятствовала распространению схем и технических документов.
Однако специалисты, работавшие в Блетчли-парке и Post Office, получили уникальный опыт создания больших электронных цифровых систем. Макс Ньюман после войны возглавил вычислительные исследования в Манчестерском университете, где возникла одна из ключевых британских школ раннего компьютеростроения.
Историческое значение Colossus состоит также в практическом доказательстве: система с тысячами электронных ламп может быть достаточно надёжной для непрерывной сложной вычислительной работы.
Реконструкция
Почти все оригинальные машины были уничтожены, поэтому долгое время Colossus существовал в публичной истории преимущественно по фрагментам документов и воспоминаниям.
В 1993–1994 годах Тони Сейл начал проект реконструкции Colossus в Блетчли-парке. Команда использовала сохранившиеся военные фотографии, фрагменты схем и записи инженеров. Существенную помощь оказали материалы Аллена Кумбса, одного из инженеров Mark II.[5]
Работающая реконструкция сегодня находится в The National Museum of Computing в историческом Block H, в помещении, где во время войны стоял Colossus No. 9.
Она позволяет видеть Colossus не как абстрактный этап в хронологии компьютеров, а как реальную инженерную систему со скоростной лентой, электронными лампами, переключателями и счётчиками.
Литература
- Copeland B. J. (ed.). Colossus: The Secrets of Bletchley Park's Code-breaking Computers. Oxford University Press, 2006.
- Good I. J., Michie D., Timms G. General Report on Tunny: With Emphasis on Statistical Methods. GC&CS, 1945; рассекреченное издание.
- Hinsley F. H., Stripp A. (eds.). Codebreakers: The Inside Story of Bletchley Park. Oxford University Press, 1993.
- Flowers T. H. The Design of Colossus // Annals of the History of Computing. 1983. Vol. 5, No. 3. P. 239–252.
См. также
- Lorenz SZ 40/42
- Немецкие шифровальные машины Второй мировой войны
- Блетчли-парк и Enigma
- ULTRA
- Энигма
- Криптоанализ Enigma
- Портал: История науки
Примечания
- ↑ GCHQ. Dr Maxwell Herman Alexander Newman.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 GCHQ. GCHQ celebrates 80 years of Colossus. 18 January 2024.
- ↑ GCHQ. William Thomas 'Bill' Tutte OC FRS FRSC.
- ↑ Copeland B. J. (ed.). Colossus: The Secrets of Bletchley Park's Code-breaking Computers. Oxford University Press, 2006.
- ↑ 5,0 5,1 The National Museum of Computing. Rebuilding Colossus.