Komputer Colossus

Transmisi radio reguler dari pesan "Tunny" dimulai pada bulan Juni 1941. Para pembuat kode Inggris melihat bahwa itu menggunakan kode lima unit seperti sistem teleprinter. Penelitian mereka juga menunjukkan bahwa pengkodean dilakukan oleh mesin sandi rotor dengan 12 roda (rotor). Untuk setiap pesan baru yang dikirim, roda-roda itu harus diputar terlebih dahulu ke posisi baru. Posisi awal untuk pesan dipilih oleh operator yang mengirim pesan. Dia memberi tahu operator yang menerima pesan tentang posisi awal dengan 12 huruf yang tidak diberi kode. Jumlah total kemungkinan posisi awal dari 12 roda memang sangat besar.

Mesin pengkodean menambahkan plaintext (versi pesan yang tidak dikodekan) dan aliran karakter (huruf, angka, tanda baca) yang disebut keystream (aliran karakter yang tampaknya acak) yang dihasilkan untuk membuat ciphertext (versi pesan yang dikodekan). Ciphertext, yang tidak masuk akal, ditransmisikan melalui radio. Di ujung penerima, sebuah mesin yang identik menghapus keystream untuk menghasilkan plaintext dari pesan tersebut.

Jika operator Jerman selalu bekerja dengan benar, tidak ada dua pesan yang memiliki posisi awal roda yang sama. Namun, kesalahan dibuat. Mereka membantu pemecah kode Inggris. Pada 30 Agustus 1941, dua versi pesan yang sama, yang panjangnya hampir 4.000 karakter, dikirim dengan posisi awal roda yang sama. Kesalahan ini sangat berguna bagi pemecah kode penelitian. Seorang pemecah kode bernama John Tiltman mampu mendapatkan keystream dari pesan-pesan ini.

Para pemecah kode mencoba untuk mencari tahu detail mesin dari informasi ini, tetapi pada awalnya mereka gagal. Mereka kemudian bergabung dengan seorang pemecah kode muda bernama Bill Tutte yang diberi tugas itu. Setelah banyak bekerja, dia berhasil, dan menghasilkan deskripsi logis dari mesin yang tak terlihat. Karya ini digambarkan sebagai "pencapaian intelektual terbesar dalam perang dunia II". Tutte bekerja bahwa mesin itu membuat setiap karakter keystream dengan menggabungkan efek dari dua set lima roda. Dia menggunakan huruf Yunani untuk menamai roda-roda tersebut. Dia menyebut satu set dari lima roda χ ("chi"), dan set lima roda lainnya ψ ("psi"). Dia bekerja bahwa roda χ bergerak pada satu posisi untuk setiap karakter baru yang dikodekan. Roda ψ, bagaimanapun juga, tidak bergerak secara teratur. Mereka hanya bergerak pada sebagian waktu. Bergerak atau tidaknya roda ψ dikendalikan oleh dua roda yang disebutnya sebagai roda μ ("mu") atau "roda motor".

Max Newman adalah seorang ahli matematika dan pemecah kode di Bletchley Park. Dia diberi tugas untuk mengerjakan bagaimana sebuah mesin dapat memecahkan pesan "Tunny". Mesin akan melakukan perhitungan untuk banyak kemungkinan posisi awal roda χ. Posisi awal yang memberikan hitungan terbesar dari perhitungan ini kemungkinan besar adalah yang benar. Mesin pertama disebut "Heath Robinson". Ini tidak bekerja dengan baik. Mesin ini memiliki dua pita kertas berlubang yang harus bekerja sama persis. Satu pita berisi ciphertext dalam satu lingkaran yang terus menerus. Pita kedua yang dilingkarkan berisi pola yang dibuat oleh roda mesin pengkodean. Kaset-kaset itu sering kali meregang atau putus ketika berjalan pada 2000 karakter setiap detik. Kadang-kadang kaset-kaset itu tidak sejajar; kemudian hitungannya salah.

Tommy Flowers bekerja di Stasiun Penelitian Kantor Pos di Dollis Hill di barat laut London. Dia diminta untuk melihat mesin Heath Robinson. Dia pikir itu adalah mesin yang lemah. Dia merancang mesin elektronik untuk melakukan pekerjaan yang sama. Mesin ini akan membuat pola mesin pengkodean dengan elektronik sehingga hanya diperlukan satu pita kertas. Pada bulan Februari 1943, ia menunjukkan desain ini kepada Max Newman. Desainnya membutuhkan 1.500 katup termionik (tabung vakum). Hanya sedikit orang yang mengira bahwa begitu banyak katup dapat bekerja tanpa banyak yang gagal. Lebih banyak mesin Heath Robinson dipesan. Flowers, bagaimanapun, tetap dengan ide mesin elektronik. Dia mendapat dukungan dari orang yang bertanggung jawab atas Stasiun Penelitian Kantor Pos yang bernama Gordon Radley. Tommy Flowers dan timnya mulai mengerjakan Colossus pada bulan Februari 1943.

Pita dengan pesan di dalamnya harus dibaca dengan cepat. Tommy Flowers menguji tape reader hingga 9.700 huruf/detik (53 mph (85 km/jam)) sebelum pita kaset rusak. Dia memilih 5.000 karakter setiap detik sebagai kecepatan yang baik untuk pekerjaan biasa. Ini berarti bahwa pita kertas bergerak dengan kecepatan 40 ft/detik (12 m/detik) atau 27,3 mph (43,9 km/jam). Sirkuit elektronik digerakkan oleh sinyal yang dibuat dari pembacaan lubang sproket pita berlubang.

Colossus pertama bekerja di Dollis Hill pada bulan Desember 1943. Kemudian mereka memisahkan Colossus dan memindahkannya ke Bletchley Park. Colossus sampai di sana pada tanggal 18 Januari 1944. Harry Fensom dan Don Horwood menyatukannya kembali. Colossus membaca pesan pertamanya pada tanggal 5 Februari. Setelah Colossus pertama (Mark 1) ada sembilan mesin Mark 2. Masing-masing memiliki 2.400 katup. Mesin-mesin ini lebih mudah digunakan. Mesin-mesin ini dapat diprogram untuk bekerja dengan kecepatan lima kali lipat dari Mark 1. Mark 2 Colossus pertama kali bekerja pada 1 Juni 1944.

Pada awalnya Colossus hanya digunakan untuk menemukan tempat roda awal yang digunakan untuk sebuah pesan (disebut pengaturan roda). Para pemecah kode bekerja dengan cara menggunakan Mark 2 untuk membantu menemukan pola-pola dari cams pada roda-roda (wheel breaking). Pada akhir perang ada sepuluh komputer Colossus yang bekerja di Bletchley Park. Ini berarti bahwa sangat banyak pesan yang diterjemahkan.

Colossus menggunakan bagian-bagian yang baru saat itu. Ini menggunakan tabung vakum, thyratron dan photomultipliers. Alat ini membaca dari kertas dengan cahaya. Kemudian melakukan hal khusus untuk setiap huruf; hal khusus ini bisa diubah. Mesin ini menghitung seberapa sering hal khusus ini "benar". Mesin dengan banyak tabung vakum diketahui banyak rusak. Mereka paling banyak rusak saat dinyalakan, jadi mesin Colossus hanya dimatikan saat ada bagian yang rusak.

Colossus adalah mesin digital elektronik pertama yang bisa memiliki program. Mesin ini tidak bisa berubah sebanyak mesin-mesin selanjutnya:

• tidak memiliki program di dalam dirinya sendiri. Seseorang menggunakan colokan, kabel dan sakelar untuk mengubah program. Beginilah cara mengaturnya untuk hal baru yang harus dilakukan.
• Colossus bukanlah mesin serba guna. Itu dibuat hanya untuk satu jenis pemecahan kode: operasi penghitungan dan Boolean.

Itu bukan komputer Turing-complete, meskipun Alan Turing berada di Bletchley Park. Ide ini belum terpikirkan, dan sebagian besar mesin komputasi modern awal lainnya tidak lengkap-Turing (seperti: Komputer Atanasoff-Berry, mesin relai elektro-mekanis Harvard Mark I, mesin relai Bell Labs oleh George Stibitz dan yang lainnya, atau rencana pertama Konrad Zuse). Butuh waktu yang lama agar komputer digunakan untuk banyak kegunaan, bukan hanya kalkulator yang hanya untuk mengerjakan satu masalah yang sulit.

Untuk apa komputer Colossus digunakan sangat rahasia. Colossus sendiri sangat rahasia bahkan selama bertahun-tahun setelah Perang. Inilah sebabnya mengapa Colossus tidak dapat dimasukkan dalam sejarah perangkat keras komputasi untuk waktu yang lama. Tidak ada yang tahu betapa pentingnya Bunga itu dan orang-orang lain yang membantu membuatnya.

Tidak banyak orang yang tahu tentang komputer rahasia ini, sehingga tidak banyak berpengaruh langsung pada desain baru komputer selanjutnya; EDVAC adalah desain awal yang paling berpengaruh pada desain komputer selanjutnya.

Setelah Colossus dibuat, beberapa orang sekarang tahu bahwa perangkat komputasi digital elektronik berkecepatan tinggi (tidak ada bagian yang bergerak seperti relai listrik) dapat dibuat dan tidak terlalu banyak rusak. Pengetahuan ini saja sudah cukup untuk memiliki efek besar pada desain komputer awal di Inggris dan mungkin di AS. Orang-orang yang mengetahui tentang Colossus merupakan orang penting dalam bidang komputer awal di Inggris. Pada tahun 1972, Herman Goldstine menulis bahwa:

Inggris memiliki vitalitas (energi atau dorongan) yang begitu besar, sehingga setelah perang, bisa memulai begitu banyak proyek yang terencana dan dilakukan dengan baik di bidang komputer.

Dalam menulis itu, Goldstine tidak tahu tentang Colossus. Dia tidak tahu apa yang tersisa untuk proyek-proyek orang yang mengetahuinya. Orang-orang seperti Alan Turing (dengan Pilot ACE dan ACE), dan Max Newman dan I. J. Good (dengan Manchester Mark 1 dan komputer Manchester awal lainnya). Brian Randell kemudian menulis bahwa:

Proyek COLOSSUS merupakan sumber penting dari vitalitas (energi atau dorongan) ini, yang belum dipahami atau diketahui dengan baik, sebagaimana pentingnya tempatnya dalam garis waktu penemuan komputer digital.

Rencana dan mesin Colossus dirahasiakan sejak dibuat. Mereka tetap begitu setelah Perang, ketika Winston Churchill memerintahkan penghancuran sebagian besar mesin Colossus menjadi "bagian yang tidak lebih besar dari tangan manusia"; Tommy Flowers sendiri membakar desain di perapian di Dollis Hill. Beberapa bagian, diubah agar terlihat tidak bersalah, dibawa ke Laboratorium Mesin Komputasi Royal Society Computing Newman di Universitas Manchester. Colossus Mark 1 dibongkar dan bagian-bagiannya dikirim kembali ke Kantor Pos. Dua komputer Colossus, bersama dengan dua mesin Tunny yang disalin, disimpan. Mereka dipindahkan ke kantor pusat baru GCHQ di Eastcote pada bulan April 1946. Mereka pindah lagi dengan GCHQ ke Cheltenham antara tahun 1952 dan 1954. Salah satu komputer, yang dikenal sebagai Colossus Blue, dibongkar pada tahun 1959; yang lainnya pada tahun 1960. Pada tahun-tahun berikutnya, komputer-komputer itu digunakan untuk pelatihan. Sebelum itu, telah ada upaya untuk mengubahnya (kadang-kadang dengan baik) untuk tujuan lain. Jack Good adalah orang pertama yang menggunakannya setelah perang, membuat NSA menggunakan Colossus untuk melakukan sesuatu yang mereka rencanakan untuk membangun mesin tujuan khusus. Colossus juga digunakan untuk melakukan penghitungan huruf pada pita one-time pad untuk menguji non-randomness.

Pada saat ini Colossus masih dirahasiakan, lama setelah detail teknisnya menjadi penting. Hal ini disebabkan oleh agen intelijen Inggris yang menggunakan mesin seperti Enigma yang mereka minta dibeli oleh pemerintah lain. Badan-badan tersebut kemudian memecahkan kode-kode itu menggunakan cara yang berbeda. Seandainya pengetahuan tentang mesin pemecah kode diketahui secara luas, tidak ada yang akan menerima mesin-mesin ini; sebaliknya, mereka akan mengembangkan metode mereka sendiri untuk enkripsi, metode yang mungkin tidak dapat dipecahkan oleh layanan Inggris. Kebutuhan akan rahasia semacam itu perlahan-lahan hilang ketika komunikasi berpindah ke transmisi digital dan sistem enkripsi semua digital menjadi umum pada tahun 1960-an.

Buku Kolonel Winterbotham, The Ultra Secret, keluar pada tahun 1975. Ini memecah kerahasiaan di sekitar Colossus. Setelah itu, rincian tentang komputer mulai dipublikasikan pada akhir 1970-an.

Laporan teknis setebal 500 halaman tentang sandi Tunny dan pemecahan kodenya - berjudul General Report on Tunny - diberikan oleh GCHQ kepada Kantor Catatan Publik nasional pada bulan Oktober 2000; laporan teknis lengkapnya dapat dilihat secara online.

Sebuah tim yang dipimpin oleh Tony Sale membangun salinan kerja Colossus Mark 2. Rencana dan mesin telah dihancurkan, tetapi sejumlah materi lain yang mengejutkan tidak dihancurkan. Sebagian besar ada di buku catatan para insinyur, sebagian besar di AS. Pembaca pita optik mungkin merupakan masalah terbesar, tetapi Dr. Arnold Lynch, perancangnya, mampu mendesain ulang dari tulisan pertamanya sendiri. Colossus yang dibangun kembali dipamerkan di The National Museum of Computing, di H Block Bletchley Park di Milton Keynes, Buckinghamshire. Di sinilah Colossus No. 9 digunakan dalam perang.

Pada bulan November 2007, untuk menandai berakhirnya pekerjaan dan dimulainya penggalangan dana (meminta uang) mereka mengadakan kompetisi. Uang tersebut akan membantu The National Museum of Computing dengan Kompetisi Cipher di mana Colossus yang dibangun kembali bersaing dengan amatir radio di seluruh dunia. Yang pertama mendengar dan memecahkan kode tiga pesan yang disandikan akan menang. Pesan-pesan tersebut akan disandikan dengan menggunakan Lorenz SZ42 dan ditransmisikan dari stasiun radio di museum komputer Heinz Nixdorf MuseumsForum di Jerman. Kompetisi ini dengan mudah dimenangkan oleh amatir radio Joachim Schüth. Schüth telah bersiap-siap untuk acara tersebut. Dia membuat program pemrosesan sinyal dan pemecahan kode sendiri menggunakan Ada. Tim Colossus kalah karena mereka ingin menggunakan radio Perang Dunia II. Mereka terlambat sehari karena kondisi radio yang buruk. Laptop 1,4 GHz milik pemenang, yang menjalankan programnya sendiri, membutuhkan waktu kurang dari satu menit untuk menemukan pengaturan untuk semua 12 roda. Pemecah kode Jerman itu berkata: "Laptop saya mengerjakan ciphertext dengan kecepatan 1,2 juta huruf per detik-240x lebih cepat daripada Colossus. Jika Anda membandingkan kedua komputer tersebut, Anda bisa mengatakan Colossus memiliki kecepatan 5,8 MHz. Itu sangat cepat untuk komputer yang dibuat pada tahun 1944."

• ENIAC
• Superkomputer
• Enigma (mesin)
• Lorenz Cipher