היסטוריה של מחשבים אלקטרוניים, חלק 2: קולוסוס

מאמרים נוספים בסדרה:

• היסטוריה של הממסר
  • שיטה של ​​"העברת מידע מהירה", או לידתו של ממסר
  • סופר ארוך טווח
  • גלווניזם
  • יזמים
  • והנה, סוף סוף, הממסר
  • טלגרף מדבר
  • פשוט תתחבר
  • הדור הנשכח של מחשבי ממסר
  • עידן אלקטרוני
• היסטוריה של מחשבים אלקטרוניים
  • פרולוג
  • עֲנָק
  • ENIAC
  • מהפכה אלקטרונית
• היסטוריה של הטרנזיסטור
  • מגשש את דרכך בחושך
  • מכור המלחמה
  • המצאה מחדש מרובה
• היסטוריית אינטרנט
  • רשת עמוד השדרה
  • דעיכה, חלק 1
  • דעיכה, חלק 2
  • פתיחת אינטראקטיביות
  • הרחבת האינטראקטיביות
  • ARPANET - הלידה
  • ARPANET - חבילה
  • ARPANET - רשת משנה
  • מחשב כמכשיר תקשורת
  • היסטוריה של האינטרנט: עבודה באינטרנט

בשנת 1938, ראש המודיעין החשאי הבריטי רכש בשקט אחוזה של 24 דונם במרחק של 80 מייל מלונדון. הוא היה ממוקם בצומת של מסילות הברזל מלונדון לצפון, ומאוקספורד במערב לקיימברידג' במזרח, והיה מיקום אידיאלי לארגון שאף אחד לא יראה, אבל היה בהישג יד מרוב ממרכזי הידע החשובים והרשויות הבריטיות. הנכס המכונה בלצ'לי פארק, הפך למרכז של בריטניה לשבירת קודים במהלך מלחמת העולם השנייה. זה אולי המקום היחיד בעולם הידוע במעורבותו בקריפטוגרפיה.

טוני

בקיץ 1941 כבר החלו בבלצ'לי עבודות לשבור את מכונת ההצפנה המפורסמת של Enigma ששימשה את הצבא והצי הגרמני. אם צפיתם בסרט על שוברי קוד בריטיים, הם דיברו על אניגמה, אבל לא נדבר על זה כאן - כי זמן קצר לאחר הפלישה לברית המועצות, בלצ'לי גילה העברת הודעות עם סוג חדש של הצפנה.

עד מהרה הבינו מנתחי קריפטה את האופי הכללי של המכונה המשמשת להעברת הודעות, שאותה הם כינו "טוני".

בניגוד לאניגמה, שהמסרים שלה היו צריכים להיות מפוענחים ביד, טוני התחבר ישירות לטלטייפ. הטלטייפ המיר כל תו שהוזן על ידי המפעיל לזרם של נקודות וצלבים (בדומה לנקודות והמקפים של קוד מורס) בתקן קוד Baudot עם חמישה תווים לכל אות. זה היה טקסט לא מוצפן. טוני השתמשה בשניים עשר גלגלים בכל פעם כדי ליצור זרם מקביל משלה של נקודות וצלבים: המפתח. לאחר מכן היא הוסיפה את המפתח להודעה, והפיקה טקסט צופן המועבר באוויר. ההוספה בוצעה בחשבון בינארי, כאשר הנקודות תואמות לאפסים והצלבים תואמים לאחת:

+ = 0 0 0
+ = 0 1 1
+ = 1 1 0

טאני אחר בצד הנמען עם אותן הגדרות הפיק את אותו מפתח והוסיף אותו להודעה המוצפנת כדי להפיק את המקור, שהודפס על נייר על ידי הטלטייפ של הנמען. נניח שיש לנו הודעה: "נקודה פלוס נקודה פלוס". במספרים זה יהיה 01001. בוא נוסיף מפתח אקראי: 11010. 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 0, 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, אז נקבל את טקסט הצופן 10011. על ידי הוספת המפתח שוב, תוכל לשחזר את ההודעה המקורית. בוא נבדוק: 1 + 1 = 0, 1 + 0 = 1, 0 + 0 = 0, 1 + 1 = 0, 0 + 1 = 1, נקבל 01001.

ניתוח עבודתו של Tunney נעשה קל יותר בשל העובדה שבחודשים הראשונים של השימוש בו, השולחים העבירו הגדרות גלגל לשימוש לפני שליחת הודעה. מאוחר יותר, הגרמנים הוציאו ספרי קוד עם הגדרות גלגל מוגדרות מראש, והשולח היה צריך לשלוח רק קוד שהנמען יוכל להשתמש בו כדי למצוא את הגדרת הגלגל הנכונה בספר. בסופו של דבר הם החליפו את ספרי הקוד מדי יום, מה שאומר שבלטצ'לי נאלץ לפרוץ את גלגלי הקוד כל בוקר.

מעניין לציין שאנליטיקאי קריפטה פתרו את פונקציית Tunny בהתבסס על מיקום תחנות השליחה והקבלה. הוא חיבר את מרכזי העצבים של הפיקוד העליון הגרמני עם מפקדי הצבא והצבא בחזיתות צבאיות שונות באירופה, מצרפת הכבושה ועד הערבות הרוסיות. זו הייתה משימה מפתה: פריצת טוני הבטיחה גישה ישירה לכוונות ויכולות האויב ברמה הגבוהה ביותר.

ואז, באמצעות שילוב של טעויות של מפעילים גרמנים, ערמומיות ונחישות עיקשת, המתמטיקאי הצעיר וויליאם טאט הרחיק לכת הרבה יותר ממסקנות פשוטות על עבודתו של טוני. מבלי לראות את המכונה עצמה, הוא קבע לחלוטין את המבנה הפנימי שלה. הוא הסיק באופן הגיוני את המיקומים האפשריים של כל גלגל (שלכל אחד מהם היה מספר ראשוני משלו), וכיצד בדיוק המיקום של הגלגלים יצר את המפתח. חמוש במידע הזה, בלטצ'לי בנה העתקים של הטוני שניתן להשתמש בהם כדי לפענח מסרים - ברגע שהגלגלים הותאמו כראוי.

12 גלגלי מפתח של מכונת צופן לורנץ הידועה בשם Tanny

הית' רובינסון

עד סוף 1942 המשיך טאט לתקוף את תני, לאחר שפיתח אסטרטגיה מיוחדת לכך. הוא התבסס על הרעיון של דלתא: סכום המודולו 2 של אות אחד בהודעה (נקודה או צלב, 0 או 1) עם הבא. הוא הבין שבשל התנועה לסירוגין של גלגלי טוני, יש קשר בין הדלתא של טקסט צופן לדלתא טקסט המפתח: הם היו צריכים להשתנות יחד. אז אם אתה משווה את טקסט ההצפנה לטקסט המפתח שנוצר בהגדרות גלגל שונות, אתה יכול לחשב את הדלתא עבור כל אחד מהם ולספור את מספר ההתאמות. שיעור התאמה הרבה יותר מ-50% אמור לסמן מועמד פוטנציאלי למפתח ההודעה האמיתי. הרעיון היה טוב בתיאוריה, אבל אי אפשר היה ליישם אותו הלכה למעשה, מכיוון שנדרש לבצע 2400 מעברים לכל הודעה כדי לבדוק את כל ההגדרות האפשריות.

טאט הביא את הבעיה למתמטיקאי אחר, מקס ניומן, שעמד בראש המחלקה בבלצ'לי שכולם כינו "ניומניה". ניומן היה, במבט ראשון, בחירה לא סבירה להוביל את ארגון הביון הבריטי הרגיש, שכן אביו היה מגרמניה. עם זאת, לא נראה שהוא ירגל עבור היטלר מכיוון שמשפחתו הייתה יהודית. הוא היה כל כך מודאג מהתקדמות שליטתו של היטלר באירופה, עד שהוא העביר את משפחתו לבטוחה של ניו יורק זמן קצר לאחר התמוטטות צרפת ב-1940, ובמשך זמן מה הוא עצמו שקל לעבור לפרינסטון.

מקס ניומן

כך קרה שלניומן היה רעיון לעבוד על החישובים הנדרשים בשיטת Tata - על ידי יצירת מכונה. בלצ'לי כבר היה רגיל להשתמש במכונות לניתוח הצפנה. כך פוצחה אניגמה. אבל ניומן הגה מכשיר אלקטרוני מסוים שיעבוד על צופן טוני. לפני המלחמה, הוא לימד בקיימברידג' (אחד מתלמידיו היה אלן טיורינג), וידע על המונים האלקטרוניים שבנה ווין-וויליאמס לספירת חלקיקים ב-Cavendish. הרעיון היה כזה: אם היית מסנכרן שני סרטים סגורים בלולאה, גוללים במהירות גבוהה, שלאחד מהם היה מפתח, והשני הודעה מוצפנת, והתייחס לכל אלמנט כמעבד שסופר דלתות, אז מונה אלקטרוני יוכל לחבר את התוצאות. על ידי קריאת הציון הסופי בסוף כל ריצה, אפשר היה להחליט אם מפתח זה הוא פוטנציאלי או לא.

כך קרה שקבוצה של מהנדסים עם ניסיון מתאים פשוט קיימת. ביניהם היה ווין-וויליאמס עצמו. טיורינג גייס את ווין-וויליאמס ממעבדת הרדאר של Malvern כדי לעזור ביצירת רוטור חדש למכונת האניגמה, באמצעות אלקטרוניקה כדי לספור פניות. הוא נעזר בפרויקט זה ועוד של אניגמה על ידי שלושה מהנדסים מתחנת המחקר הדואר בדוליס היל: וויליאם צ'נדלר, סידני ברודהרסט וטומי פלורס (תן לי להזכיר לך שמשרד הדואר הבריטי היה ארגון היי-טק, והיה אחראי לא רק לדואר נייר, אבל ולטלגרפיה וטלפוניה). שני הפרויקטים נכשלו והגברים נותרו בחוסר מעש. ניומן אסף אותם. הוא מינה את פרחים להוביל צוות שיצר "מכשיר שילוב" שיספור דלתות ויעביר את התוצאה למונה ש-Wynne-Williams עבד עליו.

ניומן העסיק את המהנדסים בבניית המכונות ואת מחלקת הנשים של הצי המלכותי בהפעלת מכונות עיבוד ההודעות שלו. הממשלה סמכה רק על גברים בעלי תפקידי מנהיגות ברמה גבוהה, ונשים הצליחו כקצינות התפעול של בלצ'לי, שטיפלו הן בתמלול הודעות והן בהגדרות הפענוח. הם הצליחו בצורה אורגנית מאוד לעבור מעבודת פקידות לטיפול במכונות שהפכו את עבודתם לאוטומטית. הם קראו בקלות למכונית שלהם "הית' רובינסון", מקבילה בריטית רוב גולדברג [שניהם היו מאיירים מצוירים אשר תיארו מכשירים מורכבים, מגושמים ומורכבים ביותר אשר ביצעו פונקציות פשוטות מאוד / בערך. תרגום].

מכונית "אולד רובינסון", דומה מאוד לקודמתה, מכונית "הית' רובינסון".

ואכן, הית' רובינסון, למרות שדי אמין בתיאוריה, סבל מבעיות חמורות בפועל. העיקר היה הצורך בסנכרון מושלם של שני הסרטים – טקסט הצופן וטקסט המפתח. כל מתיחה או החלקה של אחד מהסרטים הפכו את הקטע כולו לבלתי שמיש. כדי למזער את הסיכון לשגיאות, המכונה עיבדה לא יותר מ-2000 תווים בשנייה, למרות שהחגורות יכלו לעבוד מהר יותר. פרחים, שהסכים בעל כורחו עם עבודתו של פרויקט הית' רובינסון, האמין שיש דרך טובה יותר: מכונה הבנויה כמעט כולה ממרכיבים אלקטרוניים.

עֲנָק

תומס פרחים עבד כמהנדס במחלקת המחקר של משרד הדואר הבריטי משנת 1930, שם עבד בתחילה על מחקר על חיבורים שגויים וכושלים במרכזיות טלפון אוטומטיות חדשות. זה הוביל אותו לחשוב כיצד ליצור גרסה משופרת של מערכת הטלפון, ועד 1935 הוא החל לתמוך בהחלפת רכיבי מערכת אלקטרו-מכאניים כגון ממסרים באלקטרוניים. מטרה זו קבעה את כל הקריירה העתידית שלו.

פרחי טומי, בסביבות 1940

רוב המהנדסים מתחו ביקורת על רכיבים אלקטרוניים על היותם קפריזיים ובלתי אמינים כשהם משתמשים בהם בקנה מידה גדול, אבל פרחים הראו שכאשר נעשה בהם שימוש מתמשך ובעוצמה הרבה מתחת לתכנון שלהם, צינורות ואקום למעשה הציגו תוחלת חיים ארוכה להדהים. הוא הוכיח את רעיונותיו על ידי החלפת כל מסופי החיוג במתג של 1000 קווים בצינורות; בסך הכל היו 3-4 אלף כאלה. מתקן זה הושק לעבודה אמיתית בשנת 1939. באותה תקופה הוא התנסה בהחלפת אוגרי הממסר שאוחסנו מספרי טלפון בממסרים אלקטרוניים.

פרחים האמין שהית' רובינסון שהוא נשכר לבנות פגום מאוד, ושהוא יכול לפתור את הבעיה הרבה יותר טוב על ידי שימוש ביותר צינורות ופחות חלקים מכניים. בפברואר 1943, הוא הביא לניומן עיצוב חלופי למכונה. פרחים נפטרו בחוכמה מקלטת המפתח, וחיסלו את בעיית הסנכרון. המכונה שלו הייתה צריכה ליצור את טקסט המפתח תוך כדי תנועה. היא הייתה מדמה את טוני בצורה אלקטרונית, עוברת על כל הגדרות הגלגל ומשווה כל אחת מהן עם טקסט ההצפנה, ומתעדת התאמות סבירות. הוא העריך שגישה זו תדרוש שימוש בכ-1500 צינורות ואקום.

ניומן ושאר הנהלת בלצ'לי היו סקפטיים לגבי ההצעה הזו. כמו רוב בני דורו של פרחים, הם הטילו ספק אם ניתן לגרום לאלקטרוניקה לעבוד בקנה מידה כזה. יתרה מכך, גם אם ניתן היה לגרום לה לפעול, הם פקפקו בכך שניתן לבנות מכונה כזו בזמן כדי להועיל במלחמה.

הבוס של פרחים בדוליס היל אכן נתן לו את האישור להרכיב צוות שייצור את המפלצת האלקטרונית הזו - ייתכן שפרחים לא היו כנים לגמרי בתיאור לו כמה הרעיון שלו אהב בבלצ'לי (לפי אנדרו הודג'ס, אמר פרחים הבוס שלו, גורדון ראדלי, שהפרויקט הוא עבודה קריטית עבור בלצ'לי, ורדלי כבר שמע מצ'רצ'יל שעבודתו של בלצ'לי נמצאת בראש סדר העדיפויות). בנוסף לפרחים, סידני ברודהרסט וויליאם צ'נדלר מילאו תפקיד גדול בפיתוח המערכת, וכל המפעל העסיק כמעט 50 עובדים, מחצית ממשאביה של דוליס היל. הצוות קיבל השראה מתקדימים המשמשים בטלפוניה: מונים, לוגיקה ענפה, ציוד לניתוב ותרגום אותות וציוד למדידות תקופתיות של מצב הציוד. ברודהרסט היה אמן במעגלים אלקטרומכניים כאלה, ופרחים וצ'נדלר היו מומחי אלקטרוניקה שהבינו כיצד להעביר מושגים מעולם הממסרים לעולם השסתומים. בתחילת 1944 הצוות הציג מודל עבודה לבלצ'לי. המכונה הענקית כונתה "קולוסוס", והוכיחה במהירות שהיא יכולה להעלות על הית' רובינסון על ידי עיבוד אמין של 5000 תווים בשנייה.

ניומן ושאר ההנהלה בבלצ'לי הבינו מהר מאוד שהם עשו טעות בסירוב לפרחים. בפברואר 1944 הם הזמינו 12 קולוסים נוספים, שהיו אמורים לפעול עד ה-1 ביוני - התאריך שבו תוכננה הפלישה לצרפת, אם כי, כמובן, זה לא היה ידוע לפרחים. פרחים אמר בפה מלא שזה בלתי אפשרי, אבל במאמצים הרואיים הצוות שלו הצליח לספק מכונית שנייה עד ה-31 במאי, שאליה עשה חבר הצוות החדש אלן קומבס שיפורים רבים.

העיצוב המתוקן, המכונה Mark II, המשיך את הצלחת המכונית הראשונה. בנוסף למערכת אספקת הסרט, היא כללה 2400 מנורות, 12 מתגים סיבוביים, 800 ממסרים ומכונת כתיבה חשמלית.

קולוסוס סימן השני

זה היה ניתן להתאמה אישית וגמיש מספיק כדי להתמודד עם מגוון משימות. לאחר ההתקנה, כל אחד מצוותי הנשים הגדיר את ה"קולוסוס" שלהם כדי לפתור בעיות מסוימות. היה צורך בלוח תיקון, בדומה לפאנל של מפעיל טלפון, כדי להגדיר צלצולים אלקטרוניים המדמים גלגלי טוני. קבוצה של מתגים אפשרה למפעילים להגדיר כל מספר של מכשירים פונקציונליים שעיבדו שני זרמי נתונים: סרט חיצוני ואות פנימי שנוצר על ידי הטבעות. על ידי שילוב קבוצה של אלמנטים לוגיים שונים, קולוסוס יכול לחשב פונקציות בוליאניות שרירותיות על סמך נתונים, כלומר פונקציות שייצרו 0 או 1. כל יחידה הגדילה את מונה הקולוסוס. מנגנון בקרה נפרד קיבל החלטות מסתעפות בהתבסס על מצב המונה - לדוגמה, עצור והדפיס פלט אם ערך המונה עלה על 1000.

לוח מתגים להגדרת "קולוסוס"

הבה נניח שהקולוסוס היה מחשב שניתן לתכנות לשימוש כללי במובן המודרני. זה יכול באופן הגיוני לשלב שני זרמי נתונים - אחד בקלטת ואחד שנוצר על ידי מונים צלצולים - ולספור את מספר ה-XNUMX שניות שנתקל בהן, וזהו. חלק גדול מה"תכנות" של הקולוסוס התרחש על הנייר, כאשר מפעילים הוציאו לפועל עץ החלטות שהוכן על ידי אנליסטים: נניח, "אם פלט המערכת קטן מ-X, הגדר תצורה B ועשה Y, אחרת תעשה Z."

דיאגרמת בלוקים ברמה גבוהה עבור קולוסוס

אף על פי כן, "קולוסוס" היה מסוגל בהחלט לפתור את המשימה שהוטלה עליו. בניגוד למחשב Atanasoff-Berry, הקולוסוס היה מהיר במיוחד - הוא יכול היה לעבד 25000 תווים בשנייה, שכל אחד מהם יכול לדרוש מספר פעולות בוליאניות. ה-Mark II הגדיל פי חמישה את המהירות ביחס ל-Mark I על ידי קריאה ועיבוד בו-זמנית של חמישה קטעים שונים של סרט. היא סירבה לחבר את המערכת כולה עם התקני פלט אלקטרו-מכאניים איטיים, באמצעות תאי פוטו (שנלקחו מנ"מ נתיכים רדיו) לקריאת קלטות נכנסות ואוגר לאגירת פלט מכונת כתיבה. מנהיג הצוות ששיחזר את קולוסוס בשנות התשעים הראה שהוא עדיין יכול בקלות להתעלות על מחשב מבוסס פנטיום משנת 1990 בעבודתו.

מכונת עיבוד תמלילים רבת עוצמה זו הפכה למרכז הפרויקט לשבירת קוד Tunney. עוד עשרה מטוסי Mark II נבנו לפני תום המלחמה, שהלוחות עבורם נעשו בקצב של אחד לחודש על ידי עובדים במפעל הדואר בברמינגהם, שלא היה להם מושג מה הם מייצרים, ולאחר מכן הורכבו בבלצ'לי. . פקיד עצבני אחד ממשרד האספקה, לאחר שקיבל בקשה נוספת לאלף שסתומים מיוחדים, שאל האם עובדי הדואר "יורים בהם על הגרמנים". בדרך תעשייתית זו, במקום בהרכבה ידנית של פרויקט בודד, המחשב הבא לא יופק עד שנות החמישים. לפי הנחיות של פרחים להגן על השסתומים, כל קולוסוס פעל יום ולילה עד סוף המלחמה. הם עמדו בשקט זוהרים בחושך, חיממו את החורף הבריטי הרטוב וחיכו בסבלנות להנחיות עד שיגיע היום שבו כבר לא היה בהם צורך.

צעיף של שתיקה

התלהבות טבעית מהדרמה המסקרנת שהתחוללה בבלצ'לי הובילה להגזמה גסה של ההישגים הצבאיים של הארגון. זה נורא אבסורד לרמוז, כפי שעושה הסרט.משחק חיקוי"[משחק החיקוי] שהציוויליזציה הבריטית תחדל להתקיים אלמלא אלן טיורינג. ל"קולוסוס", ככל הנראה, לא הייתה כל השפעה על מהלך המלחמה באירופה. ההישג המתוקשר ביותר שלו היה הוכחה שהטעיית הנחיתה של נורמנדי ב-1944 עבדה. הודעות שהתקבלו באמצעות טאני העלו כי בעלות הברית שכנעו בהצלחה את היטלר ואת פקודתו שהמכה האמיתית תגיע עוד מזרחה, בפס דה קאלה. מידע מעודד, אבל לא סביר שהפחתת רמת הקורטיזול בדם של פיקוד בעלות הברית סייעה לנצח במלחמה.

מצד שני, ההתקדמות הטכנולוגית שהציג קולוסוס לא ניתנת להכחשה. אבל העולם לא יידע את זה בקרוב. צ'רצ'יל הורה לפרק את כל ה"קולוסים" הקיימים בזמן סיום המשחק, ואת סוד העיצוב שלהם יש לשלוח יחד איתם למזבלה. שני כלי רכב שרדו איכשהו את גזר דין המוות הזה, ונשארו בשירות הביון הבריטי עד שנות ה-1960. אבל גם אז הממשלה הבריטית לא הרימה את מסך השתיקה בנוגע לעבודה בבלצ'לי. רק בשנות השבעים של המאה הקודמת הפך קיומו לידיעת הציבור.

ההחלטה לאסור לצמיתות כל דיון בעבודות המתבצעות בבלצ'לי פארק יכולה להיקרא זהירות יתר של ממשלת בריטניה. אבל עבור פרחים זו הייתה טרגדיה אישית. ללא כל הקרדיט והיוקרה של היותו ממציא הקולוסוס, הוא סבל מאי שביעות רצון ותסכול כאשר ניסיונותיו המתמידים להחליף ממסרים באלקטרוניקה במערכת הטלפון הבריטית נחסמו ללא הרף. אם היה יכול להדגים את הישגו באמצעות הדוגמה של "קולוסוס", תהיה לו ההשפעה הדרושה להגשים את חלומו. אבל עד שהישגיו נודעו, פרחים כבר מזמן פרש ולא היה מסוגל להשפיע על שום דבר.

מספר חובבי מחשוב אלקטרוני הפזורים ברחבי העולם סבלו מבעיות דומות הקשורות לחשאיות סביב קולוסוס והיעדר ראיות לכדאיות של גישה זו. מחשוב אלקטרומכני יכול להישאר המלך עוד זמן מה. אבל היה פרויקט נוסף שיסלול את הדרך למחשוב אלקטרוני לתפוס את מרכז הבמה. למרות שהיא גם תוצאה של התפתחויות צבאיות סודיות, היא לא הוסתרה לאחר המלחמה, אלא להיפך, היא התגלתה לעולם בעוצמה רבה ביותר, בשם ENIAC.

מה לקרוא:

• ג'ק קופלנד, עורך. קולוסוס: הסודות של מחשבי שוברי הקוד של בלצ'לי פארק (2006)
• Thomas H. Flowers, "The Design of Colossus", Annals of the History of Computing, יולי 1983
• אנדרו הודג'ס, אלן טיורינג: האניגמה (1983)

מקור: www.habr.com