קולוסוס (מחשב)

מחשב קולוסוס סימן 2. לוח הבקרה בצד שמאל שימש לקביעת דפוסי היתדות עבור מכונת הלורנץ. מנגנון סרט הנייר מצוי בצד ימין

מחשב הקולוסוס היה התקן מחשוב מוקדם ששימש את מפענחי הצפנים הבריטיים בקריאת הודעות מוצפנות של הגרמנים במהלך מלחמת העולם השנייה. הקולוסוס נחשב אחד המחשבים האלקטרוניים הספרתיים הראשונים.

הקולוסוס תוכנן על ידי המהנדס טומי פלוורס בתחנת המחקר שברשות הדואר שבדוליס היל, בעזרתו של המתמטיקאי מקס ניומן מבלצ'לי פארק. אב הטיפוס שכונה קולוסוס סימן 1, היה פעיל בבלצ'לי בפברואר 1944. ביוני של אותה שנה הותקן לראשונה הדגם המשופר קולוסוס סימן 2 ועד סוף המלחמה יוצרו 10 מכונות קולוסוס.

מחשבי הקולוסוס סייעו בפענוח הודעות מכשירי הטלפרינטר שהוצפנו באמצעות מכונת לורנץ SZ40/42. קולוסוס השווה בשני זרמי נתונים כל התאמה בהתבסס על פונקציה בוליאנית. ההודעה המוצפנת נקראה במהירות גבוהה מסרט נייר. הזרם השני יוצר באופן פנימי, והיווה סימולציה אלקטרונית למכונת הלורנץ בתצורות ניסוי מגוונות. אם ספירת ההתאמות עבור תצורה מסוימת הייתה מעל סף שנקבע מראש, היה הזרם יוצא כפלט במכונת כתיבה חשמלית.

מטרה ומקורות

מכונת הלורנץ שימשה את הנאצים להצפין תקשורת טלפרינטרים של הדרגים הבכירים ביותר. המכונה הכילה 12 גלגלים וסך כולל של 501 יתדות

מחשבי הקולוסוס שימשו בפענוח ההודעות המוצפנות של הדרגים הנאצים הבכירים ביותר במהלך מלחמת העולם השנייה. הודעות אלה הוצפנו באמצעות מכונת הצפנה שכונתה לורנץ SZ 40/42. חלק מתפקיד הקולוסוס היה לבצע אמולציה ללורנץ המכני באופן אלקטרוני. על מנת להצפין הודעה באמצעות מכונת לורנץ, טקסט המקור היה משולב עם זרם של סיביות, שהיוו מפתחות, בקבוצות של חמש. זרם המפתחות יוצר באמצעות 12 גלגלי יתדות: חמישה כונו על ידי הבריטים גלגלי chi $\chi$, חמישה אחרים כונו גלגלי psi $\psi$ והשניים הנותרים כונו "גלגלי מנוע". גלגלי $\chi$ פסעו באופן סדור עבור כל אות שהייתה מוצפנת בעוד שגלגלי $\psi$ פסעו באופן בלתי סדור ונשלטו על ידי "גלגלי המנוע".

ביל טוטה, מפענח בבלצ'לי, גילה שזרם המפתחות שיוצר על ידי המכונה הכיל הטיות סטטיסטיות שלא היו אקראיות גרידא. הוא סבר שהטיות אלה יוכלו לשמש על מנת לפענח את הצופן ולקרוא את ההודעות. על מנת לקרוא את ההודעות היה צורך לבצע שני דברים. ראשית היה צורך ב"פענוח הגלגלים" - גילוי דפוסי היתדות של כל הגלגלים. הדפוסים הללו הוגדרו פעם אחת על מכונת הלורנץ ואז שימשו במשך זמן קבוע לשלוח מגוון הודעות. המטלה השנייה הייתה "תצורת הגלגלים" שניתן היה לנסותה רק לאחר שדפוס היתדות היו ידועים. כל הודעה שהוצפנה באמצעות לורנץ השתמשה במיקום התחלתי שונה של הגלגלים. התהליך של "תצורת הגלגלים" חייב את מציאת המיקום ההתחלתי שנקבע עבור הודעה. קולוסוס במקור שימש לסייע בתהליך זה, אולם מאוחר יותר הסתבר שהוא יוכל להתאים גם לתהליך "פענוח הגלגלים".

קולוסוס הופעל ב"ניומנרי", האגף בבלצ'לי שהיה אחראי על שיטות ממוכנות נגד מכונת הלורנץ ובראשו עמד מקס ניומן.

קולוסוס פותח מפרויקט קודם שיצר משווה אופטו-מכני שנקרא "הית' רובינזון". הבעיה העיקרית עמו הייתה סינכרון שני סרטי נייר, אחד מנוקב עם ההודעה המוצפנת והאחר מייצג את הדפוסים שיוצרו על ידי הגלגלים של מכונת הלורנץ. הסרט האחרון נטה להמתח כאשר קצב הקריאה היה 1000 תווים בשנייה והתוצאה הייתה ספירה שגויה. הקולוסוס פתר את הבעיה שכן הוא שחזר את אחד הסרטים באופן אלקטרוני. הסרט שנוצר יכל להיות מוזן לקולוסוס בקצב גבוה יותר והספירה הפכה אמינה יותר.

בניית הקולוסוס

קבוצה שהובלה על ידי טומי פלוורס בילתה כעשרה חודשים (החל מפברואר ועד לדצמבר 1943) בתכנון ובבניית הקולוסוס בתחנת המחקר במשרד הדואר שבדוליס היל, בצפון מערב לונדון. לאחר בדיקה פונקציונלית הקולוסוס פורקה, נשלחה צפונה לבלצ'לי פארק ואז הורכבה שוב באזור "בלוק F" לאורך חג המולד ב-1943. סימן 1 הוכיח את יכולתו מול הודעה מוצפנת אמיתית בינואר 1944.[1] לאחר מכן הגיעו תשע מכונות קולוסוס סימן 2. המכונה הראשונה מסימן זה הותקנה ביוני 1944, והמכונה הישנה יותר מסימן 1 הומרה לסימן 2. נוסף על 10 המכונות הללו נבנתה מכונה נוספת בסוף המלחמה.

קולוסוס סימן 1 כלל 1,500 שפופרות אלקטרוניות. הסימן 2 כלל 2,400 שפופרות והיה מהיר פי 5 ופשוט לתפעול לעומת הסימן 1. יכולות הסימן 2 אפשרו פענוח מהיר יותר. לצורך השוואה, מחשבים שהיו בעלי יכולת אחסון תוכניות כמו הENIAC בשנת 1946 השתמשו כבר ב 17,468 שפופרות והמנצ'סטר סימן 1 משנת 1949 השתמש בכ-4,200 שפופרות.

הקולוסוס נפטר מהצורך בסרט שני שהיווה בעיה בהית' רובינסון על ידי הפקת דפוסי הגלגלים באופן אלקטרוני ועיבוד של 5,000 תווים בשנייה כאשר סרט הנייר זז במהירות של 12 מטר לשנייה. המעגלים החשמליים סונכרנו על ידי אות שעון שהופק על ידי הסרט המנוקב. מהירות החישוב הוגבלה לכן על ידי המכניקה של קורא הסרט. טומי פלוורס הגיע לקצבים של 9,700 תווים בשנייה אולם אז הסרט נקרע. כפשרה נקבעה מהירות ההפעלה הרצויה ל-5,000 תווים לשנייה. לעיתים, כדי להאיץ את תהליך הפענוח, שתי מכונות קולוסוס או יותר ניסו אפשרויות שונות בו זמנית (כיום אופן פעולה זה מכונה מחשוב מקבילי).

קולוסוס עשתה לראשונה שימוש ברגיסטרי הזזה ובמערכים סיסטוליים. בכך התאפשרו חמש בדיקות בו זמניות, כל אחת משלבת עד 100 חישובים לוגיים, בכל אחד מחמשת הערוצים על גבי הסרט המנוקב (אף על פי שבהפעלה שגרתית רק ערוץ אחד או שניים נבדקו בהרצה).

במקור קולוסוס רק שימש לקביעת מיקומי הגלגלים ההתחלתיים ששימשו להודעה מסוימת. הסימן 2 כלל מנגנונים שמטרתם הייתה לסייע לקבוע את דפוסי היתדות. שני הדגמים היו ניתנים לתכנות באמצעות מתגים ולוחות תקעים והיוו בכך שינוי משמעותי לעומת ההית' רובינסון.

תוכן ופעולה

בשנת 1994, צוות בראשות טוני סייל החל לעבוד על שחזור הקולוסוס.

קולוסוס עשתה שימוש בשפופרות ריק חדישות ביותר, שפופרות ת'ירטרון ושפופרות פוטומולטיפלייר. המכונה הייתה מסוגלת לקרוא באופן אופטי סרט נייר ולאחר מכן להפעיל פונקציה לוגית על כל תו, תוך ספירה של התדירות שהפונקציה החזירה ערך "אמת". אף על פי שמכונות בעלות שפופרות רבות התקלקלו תדיר הייתה הכרה בכך שהתקלות בדרך כלל התרחשו בעת כניסת הזרם בשלב ההדלקה. זו הסיבה שמכונות קולוסוס מעולם לא כובו מהרגע שהודלקו אלא בשל תקלה.

קולוסוס הייתה המכונה הספרתית האלקטרונית הראשונה שאפשרה תכנות מוגבל. ברם, הקולוסוס לא היה מחשב רב תכליתי מלא ולא היה בעל שלמות טיורינג, אף על פי שאלן טיורינג אשר הטביע את המונח, עבד בבלצ'לי - מקום משכנו של הקולוסוס. באותה תקופה לא הייתה הכרה במהותה של תכונת שלמות טיורינג. התפיסה של המחשב כמכונה רב תכליתית ולא כמחשבון גדול המוקדש לפתרון בעיות קשות אך מסוימות מאוד לא הפכה למקובלת עד למספר שנים לאחר מכן. את הקולוסוס הקדימו מספר מחשבים, רובם בולטים בקטגוריה מסוימת. מחשב הZ3 של קונראד צוזה היה המחשב הראשון שנשלט באופן מלא על ידי תוכנית מחשב והושתת על תמסורות אלקטרומכניות. מחשב האתנסוף ברי היה ספרתי אך לא בר תכנות. מחשבים אנלוגיים מגוונים היו ניתנים לתכנות למחצה. הקולוסוס היה המחשב הראשון שהיה גם "ספרתי" גם "בר תכנות" באופן חלקי וגם "אלקטרוני".

מאפייני שבעת המחשבים הספרתיים הראשונים

שם המחשב	מדינה	שנה	ספרתי	בסיס	טכנולוגיה	בר-תכנות	שלמות טיורינג	הערות
מנוע אנליטי (צ'ארלס בבג')	אנגליה	1870−1830	כן	עשרוני	מכני (הנעה על ידי מנוע קיטור)	כן (כרטיסים מנוקבים)	לא	בבג' במשיך לעבוד על המחשב כמעט עד סוף ימיו, ואפילו נכתבה עבורו תוכנה. התכנון לא הושלם מעולם, ועד היום (2022) לא נעשו ניסיונות ממשיים לבנותו, אך מתקיים מחקר פעיל שמטרתו לתעד ולהבין את התכנון, בעזרת ניירות שהשאירו בבג' וחוקרים קודמים.
מחשב אתנסוף ברי	ארצות הברית	1942−1937	כן	בינארי	שפופרות	לא	לא	המחשב עבד, אך לא הגיע לפעולה אמינה, ונזנח ב-1942 כאשר אתנסוף נלקח למאמץ המלחמתי. לעומת המחשבים האחרים ברשימה, מכונה זו אינה "מחשב", אלא מכונת חישוב המסוגלת לפעול על כמה מספרים באותו זמן, ומבחינה זו דומה יותר למנוע הפרשים. בדרך כלל מוזכרת ברשימה בזכות רעיונות רבים במימושה, כמו שימוש בשפופרות, חישוב בשיטה בינארית, ומימוש (לא אמין) של טכנולוגיית זיכרון.
Z1 (קונראד צוזה)	גרמניה	1937	כן	בינארי	מכני (הנעה על ידי מנוע חשמלי בהספק של 1KW)	כן (סרט צלולואיד) - הזנת נתונים ידנית	לא ברור	המחשב ביצע חישובים בנקודה צפה, ונבנה מחלקים שעובדו ידנית על ידי צוזה, אך לא הגיע לפעולה אמינה, ונהרס בהפצצות בעלות הברית על ברלין ב-1943. צוזה בנה רפליקה (עובדת) שמוצגת כיום במוזיאון
Z3 (קונראד צוזה)	גרמניה	1941	כן	בינארי	אלקטרומכני (ממסרים)	באופן מלא, על ידי סרט צלולואיד, הזנת נתונים מסרט צלולואיד שני	כן	המחשב מימש תיכון לוגי כמעט זהה ל-Z1, בטכנולוגיה שונה, וביצע חישובים שעזרו בתכנון אווירונאוטי. מידת התועלת הייתה מוגבלת בגלל הדיוק המוגבל של הייצוג המספרי. גם מחשב זה נהרס בהפצצה ב-1943.
הרווארד מארק 1/IBM ASCC	ארצות הברית	1944	כן	עשרוני	אלקטרומכני (ממסרים)	באמצעות סרט נייר. הזנת נתונים מסרט שני	כן	מחשב זה היה בסדר גודל יותר גדול מ-Z3 בגודל פיזי, משקל, מספר הממסרים, וצריכת הספק. וחישב בדיוק של 23 ספרות עשרוניות (לעומת 22 ביט של Z3 - כ-7 ספרות עשרוניות). מעבר לכך, המפרט של שני המחשבים דומה בגודל הזיכרון, ביצועים, הזנת נתונים וקלט-פלט.
קולוסוס	בריטניה	1944	כן	בינארי	אלקטרוני (שפופרות)	חלקית, על ידי חיווט מחדש, הזנת נתונים מסרט נייר	לא	המחשב עסק בפיצוח צפנים. כ-10 מחשבים נבנו עד תום המלחמה. בגלל הסודיות, ככל הידוע כולם הושמדו, כולל התוכניות. רפליקה עובדת נבנתה על ידי מוזיאון בלצ'לי פארק ומוצגת בו, אם כי לא ידוע עד כמה השחזור מדויק.
ENIAC	ארצות הברית	1946	כן	עשרוני	שפופרות	חלקית, על ידי חיווט מחדש	כן	המחשב היה גדול ומורכב בהרבה מכל המחשבים שקדמו לו

השפעה ואחרית

השימוש בקולוסוס היה סודי ביותר כמו גם המחשב עצמו. גם לאחר המלחמה נותר המחשב עטוף במעטה סודיות. זו הסיבה שבמשך שנים רבות לא נכלל המחשב בהיסטוריה של המחשוב. בנוסף, פלוורס ועמיתיו לא זכו להכרה שלה היו ראויים. בהיותו כה סודי לא הייתה לו השפעה ישירה על פיתוחם של המחשבים הבאים. מחשב ה-EDVAC הוא זה שהיה בעל ההשפעה הרבה ביותר על מחשבים עתידיים. ברם, הטכנולוגיה של קולוסוס, והידע שניתן לבנות התקני מחשוב ספרתיים מהירים בעלי מהירות גבוהה, השפיעו באופן ניכר על פיתוח המחשבים הראשונים בבריטניה. מספר אנשים שהיו מעורבים בפרויקט הקולוסוס מילאו תפקיד מרכזי בכל הנוגע למחשבים הראשונים בבריטניה. בשנת 1972 כתב הרמן גולדשטיין:

"בריטניה הייתה כה חיונית שהיא יכלה להרשות לעצמה מיד לאחר המלחמה להתחיל פרויקטים מוצלחים רבים בתחום המחשוב".

— הרמן גולדשטיין

כאשר כתב זאת, לא ידע גולדשטיין דבר אודות קולוסוס. בריאן רנדל כתב מאוחר יותר :

"פרויקט הקולוסוס היה מקור חשוב לחיוניות הזו. הפרויקט כמו גם חשיבותו בכרונולוגיה של פיתוח המחשב הספרתי לא זכו לתשומת לב ראוייה..

— בריאן רנדל

תיעוד הקולוסוס והחומרה היו מסווגים מרגע שפותחו ונותרו כך גם לאחר המלחמה, כאשר וינסטון צ'רצ'יל הורה באופן מפורש להשמיד את רוב המכונות ל"חתיכות לא יותר גדולות מכף ידו של אדם"; טומי פלוורס שרף באופן אישי שרטוטים בכבשן בדוליס היל. חלק מהרכיבים נלקחו למעבדה של ניומן באוניברסיטת מנצ'סטר. הקולוסוס סימן 1 פורק לחלקים והוחזר למשרד הדואר. שני מחשבי קולוסוס, יחד עם שני שכפולים של מכונות טוני, נשמרו, ועברו למטה החדש של ה-GCHQ באיסטקוט באפריל 1946. בין 1952 ל-1954 עברו שוב עם ה-GCHQ לצ'לטנהאם. . One of the Colossi, known as Colossus Blue, was dismantled in 1959; the other in 1960. בשנותיו המאוחרות, הקולוסוס שימש לאימונים אולם לפני כן היו ניסיונות להתאים את המחשב במידת הצלחה משתנה למטרות אחרות. ג'ק גוד מתאר איך הוא היה הראשון להשתמש במחשב לאחר המלחמה. הוא שכנע את ה-NSA שקולוסוס יוכל לשמש לבצע פעולה שעבורה תכננה הסוכנות לבנות מכונה ייעודית.

המידע אודות קולוסוס החל להתפרסם בפומבי בסוף שנות ה-70 של המאה ה-20 לאחר שמעטה החשאיות שנאכף על ידי צו החשאיות הרשמי הסתיים בשנת 1976. לאחרונה, דוח טכני בן 500 עמודים, אודות צופן טוני ופענוחו פורסם על ידיד ה-GCHQ למשרד הארכיון הציבורי של בריטניה באוקטובר 2000. הדוח המלא נגיש לכל באינטרנט בכתובת :[2]. הדוח כולל עדות של מפענחים שעבדו עם הקולוסוס:

"למרבה הצער לא ניתן לתאר באופן מספק את התדהמה שבחווית הקולוסוס בעת עבודתו; עוצמתו ומורכבותו; המהירות המדהימה של סרט הנייר הדק מסביב לידיות הנוצצות; ההנאה הילדותית שבתפעולו; הקסם שבפענוח מכני מוחלט אות אחרי אות; הפעולה הבלתי נלאית של מכונת הכתיבה בהדפסת הציונים הנכונים ללא התערבות אנוש; פסיעת התצוגה; תקופות של המתנה דרוכה עד להופעת הציון הרצוי; והקצב המוזר והייחודי המאפיין כל סוג של הרצה"[3]

— עדות מפעילי הקולוסוס

בנייה מחדש

בניית עותק משוחזר של הקולוסוס סימן 2 בוצעה על ידי צוות שבראשו עמד טוני סייל. השחזור מוצג במוזיאון בלצ'לי פארק במילטון קיינס שבבאקינגהאמשייר.

מקורות

• William Chandler, The Installation and Maintenance of Colossus (IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 5 (No. 3), 1983, pp. 260–262)
• Allen Coombs, The Making of Colossus (Annals of the History of Computing, Vol. 5 (No. 3), 1983, pp.253-259)
• Jack Copeland, Colossus: Its Origins and Originators (IEEE Annals of the History of Computing, 26(4), October–December 2004, pp. 38–45).
• Jack Copeland, Colossus and the Dawning of the Computer Age, in Action This Day, 2001, ISBN 0-593-04982-9.
• B. Jack Copeland (editor), Colossus: The Secrets of Bletchley Park's Codebreaking Computers, 2006, Oxford University Press, ISBN 0-19-284055-X.
• I. J. Good, Early Work on Computers at Bletchley (IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 1 (No. 1), 1979, pp. 38–48)
• I. J. Good, Pioneering Work on Computers at Bletchley (in Nicholas Metropolis, J. Howlett, Gian-Carlo Rota, (editors), A History of Computing in the Twentieth Century, Academic Press, New York, 1980)
• Tommy Flowers, The Design of Colossus (Annals of the History of Computing, Vol. 5 (No. 3), 1983, pp. 239–252)
• D C Horwood, A technical description of COLOSSUS I, August 1973, PRO HW 25/24.
• Brian Randell, Colossus: Godfather of the Computer, 1977 (reprinted in The Origins of Digital Computers: Selected Papers, Springer Science+Business Media, New York, 1982)
• Brian Randell, The COLOSSUS (in A History of Computing in the Twentieth Century)
• Albert W. Small, The Special Fish Report (December, 1944) describe the operation of Colossus to break Tunny messages

משמעויות אחרות

מחשב בדיוני בשם "קולוסוס" הופיע בסרט קולוסוס: פרויקט פורבין.

ראו גם

• היסטוריה של המחשוב
• Z3
• מחשב על

לקריאה נוספת

• Harvey G. Cragon, From Fish to Colossus: How the German Lorenz Cipher was Broken at Bletchley Park (Cragon Books, Dallas, 2003; ISBN 0-9743045-0-6) – A detailed description of the cryptanalysis of Tunny, and some details of Colossus (contains some minor errors)
• Ted Enever, Britain's Best Kept Secret: Ultra's Base at Bletchley Park (Sutton Publishing, Gloucestershire, 1999; ISBN 0-7509-2355-5) – A guided tour of the history and geography of the Park, written by one of the founder members of the Bletchley Park Trust
• Tony Sale, The Colossus Computer 1943–1996: How It Helped to Break the German Lorenz Cipher in WWII (M.&M. Baldwin, Kidderminster, 2004; ISBN 0-947712-36-4) – A slender (20 page) booklet, containing the same material as Tony Sale's website (see below)
• Michael Smith, Station X, 1998. ISBN 0-330-41929-3.
• Paul Gannon, "Colossus Bletchley Park's Greatest Secret" 2006 Atlantic Books; ISBN 1-84354-330-3.
• Jack Copeland: Colossus. The Secrets of Bletchley Park's Codebreaking Computers. Oxford University Press 2006. ISBN 0-19-284055-X

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא קולוסוס בוויקישיתוף

• הצפנים של טוני סייל כולל הרבה מידע :
  • קולוסוס, המהפכה בפענוח של צפנים
  • צופן לורנץ והקולוסוס
    • עידן המכונות מגיע לפענוח הצפנים של "פיש"
    • פרויקט הבנייה מחדש של הקולוסוס
    • ההתקדמות לקולוסוס סימן 2
    • ערוך סיור סביב הקולוסוס - סיור מפורט של העותק של קולוסוס (יש ללחוץ על לינקים בכל תמונה על מנת לראות מידע מפורט בנוגע לאותו חלק של הקולוסוס)
• הרצאה של IEEE ההרצאה של טוני סייל בנוגע לפרויקט הבנייה מחדש
• מאמר של ה BBC המדווח אודות השחזור של הקולוסוס
• קולוסוס, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)