קולוסוס (מחשב)

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 ב-תחנת 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

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 , חמישה אחרים כונו גלגלי psi  והשניים הנותרים כונו "גלגלי מנוע". גלגלי  פסעו באופן סדור עבור כל אות שהייתה מוצפנת בעוד שגלגלי  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 פונקציונאלית 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. 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.

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 :. 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"
— 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.

משמעויות אחרות

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