Colossus: eerste programmeerbare elektronische computer uit Bletchley Park

Regelmatige radio-uitzendingen van "Tunny"-berichten begonnen in juni 1941. De Britse codebrekers zagen dat het een code met vijf eenheden gebruikte, zoals een teleprinter systeem. Uit hun onderzoek bleek ook dat de codering gebeurde door een rotorcodeermachine met 12 wielen (rotors). Voor elk nieuw verzonden bericht moesten de wielen eerst in nieuwe posities gedraaid worden. De startpositie voor het bericht werd gekozen door de operator die het bericht verzond. Hij vertelde de operator die het bericht ontving wat de startposities waren met 12 letters die niet gecodeerd waren. Het totale aantal mogelijke startposities van de 12 wielen was zeer groot.

De codeermachine voegde de klare tekst (de ongecodeerde versie van het bericht) en een stroom van tekens (letters, cijfers, interpunctie), de zogenaamde sleutelstroom (een stroom van schijnbaar willekeurige tekens) die hij genereerde, samen tot de cijfertekst (de gecodeerde versie van het bericht). De cijfertekst, die nergens op sloeg, werd per radio verzonden. Aan de ontvangende kant verwijderde een identieke machine de sleutelstroom om de klare tekst van het bericht te produceren.

Als de Duitse operators altijd correct werkten, zouden geen twee berichten dezelfde startpositie van de wielen hebben. Er werden echter fouten gemaakt. Ze hielpen de Britse codebrekers. Op 30 augustus 1941 werden twee versies van hetzelfde bericht, dat bijna 4000 tekens lang was, verzonden met dezelfde startposities van de wielen. Deze fout was zeer nuttig voor de onderzoekscodebrekers. Een codebreker genaamd John Tiltman was in staat om de sleutelstroom uit deze berichten te halen.

De codebrekers probeerden uit deze informatie de details van de machine op te maken, maar aanvankelijk lukte dat niet. Toen kreeg een jonge codebreker, Bill Tutte, de opdracht. Na veel werk slaagde hij erin en produceerde hij een logische beschrijving van de onzichtbare machine. Dit werk is beschreven als "de grootste intellectuele prestatie van de Tweede Wereldoorlog". Tutte ontdekte dat de machine elk teken van de sleutelstroom maakte door de effecten van twee sets van vijf wielen te combineren. Hij gebruikte Griekse letters om de wielen een naam te geven. Hij noemde één set van vijf de χ ("chi") wielen, en de andere set van vijf de ψ ("psi") wielen. Hij berekende dat de ψ-wielen één positie opschoven voor elk nieuw gecodeerd teken. De ψ-wielen bewogen echter niet regelmatig. Ze bewogen slechts af en toe. Of de ψ wielen wel of niet bewogen werd bepaald door twee wielen die hij de μ ("mu") of "motorwielen" noemde.

Max Newman was wiskundige en codebreker in Bletchley Park. Hij kreeg de opdracht uit te werken hoe een machine "Tunny"-berichten kon breken. De machine zou een berekening maken voor vele mogelijke startposities van de χ-wielen. De startpositie die de grootste telling opleverde, was waarschijnlijk de juiste. De eerste machine heette "Heath Robinson". Deze werkte niet erg goed. Hij had twee ponsbanden die precies moesten samenwerken. Eén band bevatte de cijfertekst in een continue lus. De tweede tape met lus bevatte patronen gemaakt door de wielen van de codeermachine. De banden zouden vaak uitrekken of breken bij een snelheid van 2000 karakters per seconde. Soms sloten de banden niet aan; dan waren de tellingen verkeerd.

Tommy Flowers werkte op het Post Office Research Station in Dollis Hill in het noordwesten van Londen. Hij werd gevraagd naar de Heath Robinson machine te kijken. Hij vond het een zwakke machine. Hij ontwierp een elektronische machine om hetzelfde werk te doen. Deze zou de patronen van de codeermachine via elektronica maken, zodat er maar één papieren tape nodig was. In februari 1943 liet hij Max Newman dit ontwerp zien. Voor het ontwerp waren 1.500 thermionische kleppen (vacuümbuizen) nodig. Weinig mensen dachten dat zoveel kleppen zouden kunnen werken zonder dat er veel kapot zou gaan. Er werden meer Heath Robinson machines besteld. Flowers bleef echter bij het idee van een elektronische machine. Hij kreeg steun van Gordon Radley, zijn baas bij het Post Office Research Station. Tommy Flowers en zijn team begonnen in februari 1943 aan de Colossus.

De band met het bericht erop moest snel worden gelezen. Tommy Flowers testte de bandlezer tot 9.700 letters/seconde (53 mph (85 km/h)) voordat de band brak. Hij koos 5.000 tekens per seconde als een goede snelheid voor regulier werk. Dit betekende dat de papieren band met 12 m/s of 43,9 km/u bewoog. De elektronische circuits werden aangedreven door een signaal dat afkomstig was van het lezen van de tandwielgaten van de ponsband.

De eerste Colossus werkte in december 1943 in Dollis Hill. Daarna werd Colossus uit elkaar gehaald en verplaatst naar Bletchley Park. Hij kwam daar aan op 18 januari 1944. Harry Fensom en Don Horwood zetten hem weer in elkaar. Colossus las zijn eerste bericht op 5 februari. Na de eerste Colossus (Mark 1) kwamen er negen Mark 2 machines. Deze hadden elk 2.400 kleppen. Ze waren gemakkelijker te gebruiken. Ze konden worden geprogrammeerd om vijf keer zo snel te werken als de Mark 1. Een Mark 2 Colossus werkte voor het eerst op 1 juni 1944.

Aanvankelijk werd Colossus alleen gebruikt om de startplaatsen van de wielen te vinden die voor een bericht werden gebruikt (wielinstelling genoemd). Codebrekers ontdekten hoe ze de Mark 2 konden gebruiken om de patronen van de nokken op de wielen te vinden (wheel breaking). Aan het einde van de oorlog werkten er tien Colossus computers in Bletchley Park. Hierdoor werden zeer veel berichten ontcijferd.

Colossus gebruikte onderdelen die toen nieuw waren. Hij gebruikte vacuümbuizen, thyratrons en fotomultiplicatoren. Het las van papier met licht. Het deed dan een speciaal ding voor elke letter; het speciale ding kon worden veranderd. Het telde hoe vaak dit speciale ding "waar" was. Van machines met veel vacuümbuizen was bekend dat ze vaak stuk gingen. Ze breken het meest bij het inschakelen, dus werden de Colossus machines alleen uitgeschakeld als er een onderdeel kapot ging.

Colossus was de eerste van de elektronische digitale machines die een programma kon hebben. Hij kon niet zo veel veranderen als latere machines:

• het had geen programma in zich. Iemand gebruikte stekkers, draden en schakelaars om het programma te veranderen. Zo werd het ingesteld om iets nieuws te doen.
• Colossus was geen machine voor algemeen gebruik. Hij was gemaakt voor slechts één soort codebreken: tellen en Booleaanse bewerkingen.

Het was geen Turing-complete computer, ook al was Alan Turing in Bletchley Park. Dit idee was nog niet bedacht, en de meeste andere vroege moderne rekenmachines waren niet Turing-compleet (zoals: de Atanasoff-Berry Computer, de Harvard Mark I elektromechanische relaismachine, de Bell Labs relaismachines van George Stibitz en anderen, of de eerste plannen van Konrad Zuse). Het duurde lang voordat computers voor vele doeleinden werden gebruikt, in plaats van alleen een rekenmachine voor het uitwerken van één moeilijk probleem.

Waarvoor de Colossus computers werden gebruikt was zeer geheim. De Colossus zelf was zelfs nog vele jaren na de oorlog zeer geheim. Daarom kon de Colossus lange tijd niet worden opgenomen in de geschiedenis van de computerhardware. Niemand wist hoe belangrijk die Flowers en de andere mensen die hem hielpen maken waren.

Niet veel mensen wisten van deze geheime computer, dus hij had weinig directe invloed op het nieuwe ontwerp van latere computers; EDVAC was het vroege ontwerp dat de meeste invloed had op het latere computerontwerp.

Toen Colossus eenmaal was gemaakt, wisten sommige mensen nu dat er snelle elektronische (geen bewegende delen zoals elektrische relais) digitale computerapparaten konden worden gemaakt die niet te veel kapot gingen. Alleen deze kennis was al genoeg om een groot effect te hebben op de ontwerpen van vroege computers in Groot-Brittannië en waarschijnlijk ook in de VS. Mensen die op de hoogte waren van Colossus waren belangrijk op het gebied van vroege computers in Groot-Brittannië. In 1972 schreef Herman Goldstine dat:

Groot-Brittannië had zoveel vitaliteit (energie of gedrevenheid) dat het direct na de oorlog zoveel goed geplande en goed uitgevoerde projecten op computergebied kon starten.

Toen Goldstine dat schreef, wist hij niet van Colossus. Hij wist niet wat er overbleef aan projecten van mensen die er wel van wisten. Mensen als Alan Turing (met de Pilot ACE en ACE), en Max Newman en I. J. Good (met de Manchester Mark 1 en andere vroege Manchester computers). Brian Randell schreef later dat:

het COLOSSUS-project was een belangrijke bron van deze vitaliteit (energie of gedrevenheid), een die niet goed begrepen of bekend is, evenals het belang van zijn plaats in de tijdslijn van de uitvinding van de digitale computer.

Colossus plannen en machines waren geheim vanaf het moment dat ze gemaakt werden. Dat bleef zo na de oorlog, toen Winston Churchill opdracht gaf de meeste Colossus machines te vernietigen tot "onderdelen niet groter dan een mensenhand"; Tommy Flowers zelf verbrandde de ontwerpen in een open haard in Dollis Hill. Sommige onderdelen, veranderd om er onschuldig uit te zien, werden naar Newman's Royal Society Computing Machine Laboratory aan de Universiteit van Manchester gebracht. De Colossus Mark 1 werd uit elkaar gehaald en de onderdelen werden teruggestuurd naar het postkantoor. Twee Colossus computers en twee gekopieerde Tunny machines werden bewaard. Ze werden in april 1946 overgebracht naar het nieuwe hoofdkantoor van GCHQ in Eastcote. Ze verhuisden opnieuw met GCHQ naar Cheltenham tussen 1952 en 1954. Een van de computers, bekend als Colossus Blue, werd in 1959 uit elkaar gehaald; de andere in 1960. In hun latere jaren werden de computers gebruikt voor training. Daarvoor waren er pogingen geweest om ze (soms goed) voor andere doeleinden te gebruiken. Jack Good was de eerste die ze na de oorlog gebruikte, door de NSA zover te krijgen dat ze Colossus gebruikten voor iets waarvoor ze van plan waren een machine voor speciale doeleinden te bouwen. Colossus werd ook gebruikt om lettertellingen uit te voeren op one-time pad tape om te testen op onwillekeurigheid.

In die tijd was de Colossus nog steeds geheim, lang nadat de technische details ervan van enig belang waren. Dit kwam doordat de Britse inlichtingendiensten Enigma-achtige machines gebruikten die zij andere regeringen lieten kopen. De diensten braken de codes vervolgens op verschillende manieren. Als de kennis van de codebrekers algemeen bekend was geweest, zou niemand deze machines hebben geaccepteerd; in plaats daarvan zouden zij hun eigen methoden voor vercijfering hebben ontwikkeld, methoden die de Britse diensten wellicht niet hadden kunnen breken. De behoefte aan dergelijke geheimen verdween langzaam naarmate de communicatie overging op digitale transmissie en volledig digitale versleutelingssystemen in de jaren 1960 gemeengoed werden.

Kolonel Winterbotham's boek The Ultra Secret kwam uit in 1975. Dit doorbrak de geheimzinnigheid rond de Colossus. Daarna werden eind jaren zeventig details over de computer openbaar.

Een technisch rapport van 500 pagina's over de Tunny-code en het breken van codes - getiteld General Report on Tunny - werd in oktober 2000 door GCHQ overhandigd aan het nationale Public Record Office; het volledige technische rapport staat online.

Een team onder leiding van Tony Sale bouwde een werkende kopie van een Colossus Mark 2. De plannen en machines waren vernietigd, maar een verrassende hoeveelheid ander materiaal was niet vernietigd. De optische bandlezer was misschien wel het grootste probleem, maar Dr. Arnold Lynch, de ontwerper, kon deze opnieuw ontwerpen op basis van zijn eigen eerste geschriften. De herbouwde Colossus is te zien in The National Museum of Computing, in H Block Bletchley Park in Milton Keynes, Buckinghamshire. Hier werd de Colossus No. 9 in de oorlog gebruikt.

In november 2007, om zowel het einde van de werkzaamheden als het begin van de fondsenwerving (het vragen om geld) te markeren, schreven ze een wedstrijd uit. Het geld zou The National Museum of Computing helpen met een Cipher Competition waarbij de herbouwde Colossus het opnam tegen radioamateurs over de hele wereld. De eerste die drie vercijferde berichten kon horen en decoderen zou winnen. Ze werden vercijferd met de Lorenz SZ42 en uitgezonden vanaf het radiostation in het Heinz Nixdorf MuseumsForum Archived 2012-03-19 at the Wayback Machine computermuseum in Duitsland. De wedstrijd werd met gemak gewonnen door radioamateur Joachim Schüth. Schüth had zich op het evenement voorbereid. Hij maakte zijn eigen programma voor signaalverwerking en het breken van codes met behulp van Ada. Het Colossus-team verloor omdat ze radio's uit de Tweede Wereldoorlog wilden gebruiken. Ze waren een dag te laat vanwege slechte radio-omstandigheden. De 1,4 GHz laptop van de winnaar, waarop zijn eigen programma draaide, had minder dan een minuut nodig om de instellingen voor alle 12 wielen te vinden. De Duitse codebreker zei: "Mijn laptop werkte op cijfertekst met een snelheid van 1,2 miljoen letters per seconde-240x sneller dan Colossus. Als je de twee computers vergelijkt, zou je kunnen zeggen dat Colossus een snelheid had van 5,8 MHz. Dat is erg snel voor een computer uit 1944."

• ENIAC
• Supercomputer
• Enigma (machine)
• Lorenz cijfer