کامپیوتر کلوسوس (Colossus Computer) ماشین محرمانه‌ای که رمزهای آلمان نازی را شکست!
کامپیوتر کلوسوس در میانه جنگ جهانی دوم در بریتانیا ساخته شد و هدف اصلی آن شکستن پیام‌های رمزگذاری‌شده ارتش آلمان بود. بسیاری از پژوهشگران تاریخ رایانه، کلوسوس را نخستین رایانه الکترونیکی دیجیتال بزرگ‌مقیاس جهان می‌دانند. این دستگاه در سال ۱۹۴۴ وارد خدمت شد و نقش مهمی در دستیابی متفقین به اطلاعات محرمانه نظامی آلمان ایفا کرد.
کامپیوتر کلوسوس در زمانی ساخته شد که مفهوم رایانه هنوز برای بیشتر مردم ناشناخته بود. در آن دوران، بیشتر ماشین‌های محاسباتی به صورت مکانیکی یا الکترومکانیکی کار می‌کردند و سرعت بسیار محدودی داشتند. ورود کامپیوتر کولوسوس نشان داد که مدارهای الکترونیکی می‌توانند حجم عظیمی از داده‌ها را با سرعتی بسیار بیشتر از روش‌های پیشین پردازش کنند.
وضعیت رمزنگاری آلمان در جنگ جهانی دوم
در جریان جنگ جهانی دوم، ارتش آلمان برای انتقال فرمان‌های حساس از سامانه‌های رمزنگاری پیچیده استفاده می‌کرد. مشهورترین آن‌ها دستگاه انیگما بود، اما برای ارتباطات سطح بالای فرماندهی از سامانه‌ای بسیار پیشرفته‌تر به نام لورنتس استفاده می‌شد. این سامانه پیام‌های تلگرافی را به شکلی رمزگذاری می‌کرد که شکستن آن با روش‌های دستی بسیار دشوار بود.
در آغاز جنگ، تحلیلگران رمز در بریتانیا توانستند بخشی از پیام‌های آلمانی را با تلاش فراوان رمزگشایی کنند. اما با افزایش حجم ارتباطات نظامی، انجام این کار به صورت دستی دیگر امکان‌پذیر نبود. هر پیام نیازمند ساعت‌ها یا حتی روزها بررسی بود و این تأخیر می‌توانست ارزش اطلاعات را از بین ببرد. به همین دلیل نیاز به ماشینی احساس شد که بتواند میلیون‌ها ترکیب احتمالی را در مدت کوتاهی بررسی کند. این نیاز زمینه‌ساز تولد کامپیوتر کلوسوس شد.
آیا کلوسوس برای شکستن رمزهای انیگما ساخته شد؟
خیر. یکی از اشتباهات رایج در تاریخ رایانه این است که کلوسوس را دستگاهی برای شکستن رمزهای انیگما می‌دانند. در واقع کلوسوس و انیگما دو فناوری کاملاً متفاوت بودند که در دوره‌های زمانی مختلف توسعه یافتند و وظایف متفاوتی داشتند. ماشین انیگما نخستین بار در سال ۱۹۱۸ توسط مهندس آلمانی آرتور شربیوس به ثبت رسید و از اوایل دهه ۱۹۲۰ به بازار عرضه شد. ارتش آلمان از سال ۱۹۲۶ به بعد استفاده گسترده از نسخه‌های نظامی انیگما را آغاز کرد. بنابراین انیگما بیش از ۱۵ سال پیش از ساخت کامپیوتر کولوسوس وجود داشت و به یکی از مهم‌ترین ابزارهای رمزنگاری آلمان تبدیل شده بود.
در مقابل، پروژه کلوسوس در سال ۱۹۴۳ در بریتانیا آغاز شد و نخستین نمونه عملیاتی آن در ژانویه ۱۹۴۴ در بلچلی پارک وارد خدمت شد. در همان زمان، رمزهای انیگما تا حد زیادی توسط رمزنگاران لهستانی و سپس تیم‌های بریتانیایی مورد مطالعه قرار گرفته بودند و برای شکستن آن‌ها از دستگاه‌های دیگری به نام «بمب» (Bombe) استفاده می‌شد.
دلیل ساخت کامپیوتر کلوسوس ظهور سامانه رمزنگاری دیگری به نام لورنتس (Lorenz SZ40/SZ42) بود. این سامانه از حدود سال ۱۹۴۰ برای ارتباطات بسیار محرمانه میان فرماندهان عالی‌رتبه آلمان، از جمله ارتباطات مستقیم میان برلین و فرماندهان میدانی، به کار می‌رفت. رمز لورنتس بسیار پیچیده‌تر از انیگما بود و روش‌های مورد استفاده برای شکستن انیگما در برابر آن کارایی نداشتند.
به همین علت، مهندس بریتانیایی تامی فلاورز در سال ۱۹۴۳ طراحی کلوسوس را آغاز کرد. هدف این رایانه بررسی میلیون‌ها حالت احتمالی رمز لورنتس در زمانی کوتاه بود. نخستین کلوسوس حدود ۱۶۰۰ لامپ خلأ داشت و نسخه پیشرفته‌تر آن یعنی کلوسوس مارک ۲ که در ژوئن ۱۹۴۴ راه‌اندازی شد، از حدود ۲۴۰۰ لامپ خلأ استفاده می‌کرد.
بنابراین از نظر تاریخی رابطه این دو فناوری به شکل زیر است:
- ۱۹۱۸: ثبت اختراع انیگما توسط آرتور شربیوس
- ۱۹۲۶: ورود انیگما به خدمت نیروی دریایی آلمان
- ۱۹۴۰: آغاز استفاده گسترده از سامانه لورنتس در فرماندهی عالی آلمان
- ۱۹۴۳: آغاز ساخت کامپیوتر کلوسوس توسط تامی فلاورز
- ژانویه ۱۹۴۴: راه‌اندازی نخستین کلوسوس
- ژوئن ۱۹۴۴: ورود کلوسوس مارک ۲ به خدمت
در نتیجه، کلوسوس جانشین انیگما نبود و برای شکستن آن نیز ساخته نشد. انیگما یک دستگاه رمزنگاری آلمانی بود، در حالی که کلوسوس یک رایانه بریتانیایی برای شکستن رمزهای لورنتس محسوب می‌شد. تنها وجه مشترک آن‌ها این بود که هر دو بخشی از نبرد اطلاعاتی و رمزنگاری جنگ جهانی دوم بودند.
بلچلی پارک؛ مرکز محرمانه رمزگشایی بریتانیا
کولوسوس در ارتباط مستقیم با مرکز مشهور بلچلی پارک ساخته شد. مجموعه محرمانه در طول جنگ جهانی دوم به قلب عملیات رمزگشایی بریتانیا تبدیل شده بود. ریاضی‌دانان، مهندسان، زبان‌شناسان و متخصصان ارتباطات در این مرکز گرد هم آمده بودند تا رمزهای آلمان را بشکنند. بلچلی پارک محیطی کاملاً محرمانه داشت. کارکنان آن اجازه نداشتند درباره فعالیت‌های خود صحبت کنند و بسیاری از دستاوردهای این مرکز تا دهه‌ها پس از پایان جنگ پنهان باقی ماند. همین محرمانه بودن باعث شد نقش کولوسوس برای سال‌های طولانی از دید عموم مخفی بماند.
تامی فلاورز؛ مهندس سازنده کولوسوس
نامی که بیش از هر شخص دیگری با کولوسوس گره خورده است، تامی فلاورز است. او مهندس برجسته اداره پست بریتانیا بود و تجربه زیادی در زمینه سامانه‌های الکترونیکی مخابراتی داشت. هنگامی که متخصصان بلچلی پارک به دنبال راه‌حلی سریع‌تر برای شکستن رمزهای آلمانی بودند، فلاورز پیشنهاد ساخت یک ماشین کاملاً الکترونیکی را مطرح کرد.
در آن زمان بسیاری از کارشناسان باور داشتند استفاده از هزاران لامپ خلأ در یک دستگاه عملی نیست، زیرا تصور می‌شد این قطعات به سرعت خراب می‌شوند. با این حال فلاورز اطمینان داشت که اگر دستگاه به شکل مناسب طراحی شود، می‌تواند پایدار و قابل اعتماد باشد. او بر پایه همین باور ساخت کولوسوس را آغاز کرد. سرانجام تلاش او نتیجه داد و نخستین نمونه کولوسوس در اواخر سال ۱۹۴۳ آماده شد.
نقش ویلیام تات و مکس نیومن در پروژه کلوسوس
ساخت کلوسوس تنها حاصل کار یک نفر نبود. ویلیام تات، ریاضی‌دان برجسته بریتانیایی، ساختار سامانه رمز لورنتس را تحلیل کرد و اصول لازم برای شکستن آن را به دست آورد. این دستاورد پایه علمی پروژه کلوسوس را شکل داد.
مکس نیومن نیز از چهره‌های کلیدی پروژه بود. او گروهی تخصصی برای تحلیل پیام‌های لورنتس تشکیل داد و از توسعه ماشین‌های پیشرفته برای خودکارسازی فرایند رمزگشایی حمایت کرد. بسیاری از فعالیت‌های کامپیوتر کلوسوس در بخشی از بلچلی پارک انجام می‌شد که به افتخار او «نیومنری» نامیده می‌شد.
ماشین هیث رابینسون؛ پیش‌درآمد کامپیوتر کلوسوس
پیش از ظهور کلوسوس، دستگاهی به نام هیث رابینسون برای کمک به رمزگشایی استفاده می‌شد. این ماشین از نوارهای کاغذی سوراخ‌دار بهره می‌برد و بخشی از عملیات تحلیل رمز را انجام می‌داد. با وجود نوآورانه بودن، سرعت و پایداری آن کافی نبود.
یکی از مشکلات اصلی این دستگاه هماهنگ نگه داشتن دو نوار کاغذی در سرعت‌های بالا بود. کوچک‌ترین اختلاف باعث بروز خطا می‌شد. تامی فلاورز با حذف این محدودیت و جایگزینی بخشی از عملیات توسط مدارهای الکترونیکی، راه را برای ساخت کولوسوس هموار کرد.
ساخت نخستین نمونه کلوسوس
فرایند طراحی و ساخت نخستین کلوسوس حدود یازده ماه طول کشید. این دستگاه شامل حدود ۱۶۰۰ لامپ خلأ بود و در مقایسه با تجهیزات زمان خود بسیار عظیم به نظر می‌رسید.
نمونه اولیه در دسامبر ۱۹۴۳ آزمایش شد و پس از موفقیت اولیه به بلچلی پارک منتقل گردید. در ژانویه ۱۹۴۴ دستگاه به طور کامل نصب شد و چند هفته بعد نخستین پیام رمزگذاری‌شده را با موفقیت تحلیل کرد.
کلوسوس چگونه کار می‌کرد؟
کلوسوس برای انجام محاسبات از هزاران لامپ خلأ استفاده می‌کرد. پیام‌های رمزگذاری‌شده روی نوارهای کاغذی سوراخ‌دار ذخیره می‌شدند و با سرعت بسیار بالا از مقابل حسگرهای نوری عبور می‌کردند. دستگاه داده‌ها را می‌خواند و الگوهای مختلف را بررسی می‌کرد تا کلیدهای احتمالی رمز را پیدا کند.
این رایانه به جای رمزگشایی مستقیم همه پیام، تنظیمات احتمالی سامانه لورنتس را شناسایی می‌کرد. سپس تحلیلگران انسانی از نتایج آن برای دستیابی به متن اصلی استفاده می‌کردند. سرعت پردازش کامپیوتر کلوسوس برای آن زمان شگفت‌انگیز بود. نسخه‌های پیشرفته‌تر می‌توانستند ده‌ها هزار نویسه را در هر ثانیه بررسی کنند.
تفاوت کلوسوس مارک ۱ و مارک ۲
پس از موفقیت نخستین نسخه، مهندسان به سرعت روی نمونه پیشرفته‌تر کار کردند. کلوسوس مارک ۲ دارای حدود ۲۴۰۰ لامپ خلأ بود و توان پردازشی بسیار بیشتری داشت. این نسخه در ژوئن ۱۹۴۴ وارد خدمت شد و توانست حجم بزرگی از پیام‌های رمزگذاری‌شده را با سرعتی بسیار بالاتر تحلیل کند. برخی منابع سرعت آن را تا ۲۵ هزار نویسه در ثانیه ذکر کرده‌اند. به تدریج چندین دستگاه کلوسوس در بلچلی پارک نصب شد و شبکه‌ای از ماشین‌های رمزگشا شکل گرفت که به صورت شبانه‌روزی فعالیت می‌کردند.
اطلاعات به‌دست‌آمده از کولوسوس نقش مهمی در تصمیم‌های نظامی متفقین داشت. فرماندهان توانستند از برنامه‌ها، جابه‌جایی نیروها و تصمیم‌های راهبردی آلمان آگاه شوند. یکی از مهم‌ترین دوره‌های استفاده از کامپیوتر کلوسوس به زمان عملیات نورماندی مربوط می‌شود. نسخه مارک ۲ درست پیش از این عملیات آماده شد و اطلاعات ارزشمندی در اختیار فرماندهان قرار داد.
آیا کلوسوس نخستین رایانه جهان بود؟
این پرسش سال‌ها موضوع بحث میان تاریخ‌نگاران فناوری بوده است. پاسخ به تعریف واژه «رایانه» بستگی دارد. کلوسوس نخستین رایانه الکترونیکی دیجیتال بزرگ‌مقیاس و برنامه‌پذیر بود، اما برای یک وظیفه مشخص طراحی شده بود. در مقابل، رایانه انیاک که در سال ۱۹۴۶ معرفی شد، یک رایانه همه‌منظوره به شمار می‌رفت و می‌توانست برای مسائل مختلف برنامه‌ریزی شود. به همین دلیل برخی منابع انیاک را نخستین رایانه دیجیتال همه‌منظوره می‌دانند. با این حال امروزه بسیاری از پژوهشگران جایگاه تاریخی کلوسوس را به عنوان یکی از نخستین رایانه‌های الکترونیکی جهان پذیرفته‌اند.
پس از پایان جنگ جهانی دوم، دولت بریتانیا تصمیم گرفت بیشتر اطلاعات مربوط به کامپیوتر کلوسوس را محرمانه نگه دارد. بسیاری از دستگاه‌ها نابود شدند و اسناد فنی آن‌ها از بین رفتند. کارکنان پروژه نیز موظف بودند درباره فعالیت‌های خود سکوت کنند. به همین دلیل تا چند دهه نام کولوسوس در کتاب‌های تاریخ رایانه دیده نمی‌شد و بسیاری از مردم از وجود آن بی‌خبر بودند.
