巨人計算機

二次大戰期間，英國在布萊切利園成功破解了部分德國軍事通訊密碼，在電機設計的炸彈機（Bombe）協助下，德軍的恩尼格瑪密碼機大受威脅，炸彈機是艾倫·圖靈與高登·威奇曼（Gordon Welchman）仿造1938年的波蘭解密機炸彈機（Bomba）所設計，運用一連串的電子邏輯演繹器件找出可能是恩尼格瑪密碼機的密碼。

基本介紹

• 中文名：巨人計算機
• 外文名：Colossus computer
• 背景：二次大戰期間
• 別名：Colossus machines
• 意義：第一部全然電子化的電腦器件

作用

巨人計算機（Colossus computer，Colossus machines）

德國還發展出一系列與恩尼格瑪密碼機全然不同的電傳打字機加密系統，像是用於高階軍事通訊的勞倫茲密碼機（Lorenz SZ 40/42），英軍代號為“鮪魚”。1941年，勞倫茲密碼機的密碼首度遭到攔截，麥斯·紐曼（Max Newman）教授及其同僚作為破解“鮪魚”團隊的一份子，負責詳細指揮巨人計算機（Colossus Computer）的操作方法。巨人計算機“馬克一號”機是1943年的3月到12月之間，由湯米·佛勞斯（Tommy Flowers）其同僚建造於倫敦多利士山（Dollis Hill）的郵政研究局（Post Office Research Station）。

巨人計算機是第一部全然電子化的電腦器件，使用了數量龐大的真空管，以紙帶作為輸入器件，能夠執行各種布林邏輯的運算，但仍未具備圖靈完全的標準。巨人計算機建造到第9部“馬克二號”4，但是其實體器件、設計圖樣和操作方法，直到1970年代都還是一個謎。後來溫斯頓·邱吉爾親自下達一項銷毀命令，將巨人計算機全都拆解成巴掌大小的廢鐵，巨人計算機才因此在許多計算機歷史裡都未留下一紙紀錄。英國布萊切利園目前展有巨人計算機的重建機種。

Colossus computer

Colossus computer是世界上最早的電子數字機器。1943年，英國人用它來破譯德國人的密碼。據說在第二次世界大戰結束的時候，邱吉爾命令拆毀十二台中的十台。另兩台在1961年被拆毀。上面的照片就是Colossus上的一個零件，Colossus被拆得非常碎，所有的零件都沒有這個大。

超級機密

眾所周知，世界上第一台電腦是1946年美國賓夕法尼亞大學研製的ENIAC，然而，英國在二戰期間研製的電子計算機Colossus（巨人）卻要比ENIAC早兩年，這是英國情報部門的超級機密。雖然許多報刊也經常提及這台電腦，但由於資料來源不盡相同，有的甚至互相矛盾。更有甚者，就連嚴肅的史學家也得不到翔實的資料。英國學者溫德博瑟寫過一本《超級機密》的著作，法國專家貝特蘭德也出版了專著《愛尼格瑪——1939年到1945年這場戰爭里最大的謎》，當美國軍事史學家多伊奇覺得這些書尚不足以披露真情時，曾於1970年隻身闖進英國外交部，只拿到了一紙空文，其上明明白白地寫著：“檔案到了2015年才能解密”。多年來，英國人對自己研製首台電腦的榮譽始終保持著緘默。

Colossus computer

隨著時間的推移，“超級機密”逐漸被人向外批露：研製“巨人”的團隊，是一個人才濟濟的英雄群體；研製“巨人”的歷程，是一場驚心動魄的戰鬥，有的軍事學史家甚至認為，“巨人”參戰改變了二戰進程。

布雷契萊莊園

距英國倫敦西北約70公里，有一處悠靜的莊園名叫“布雷契萊”（Bletchlet Park），一幢維多利亞式的建築古色古香，深藏在茂密的樹叢中，鳥語花香，人跡罕至。二次世界大戰打破了莊園的沉寂，自戰爭初期始，這裡悄悄聚集起越來越多的人，最多時竟達到12000人的規模。莊園裡漸漸布滿了倉促修建的窩棚，又被精心偽裝成一所簡易戰地醫院。

布雷契萊莊園的秘密名稱叫“政府密碼學校”，真實身份則是戰時英國的情報破譯中心。志願者們夜以繼日地工作，截獲、整理、破譯德國的軍事情報，當然主要是從空中監聽到的無線電通訊密碼，並把破譯的情報直接報送給英國最高指揮當局，甚至直接送達邱吉爾首相本人手裡。

志願人員來自英倫各地，其中有英國著名的科學家，如數學家馬克斯·紐曼（M.Newman）教授，以及在一戰中曾破譯敵軍幾乎所有密碼的解密專家迪爾文·諾克斯。此外，還有語言學家、電器工程師等等。但是，更多的人則顯得稀奇古怪——有博物館長，有餐館跑堂，有銀行職員，甚至還有西洋棋冠軍和猜字謎的江湖藝人。人們隨時都能碰到身著各色軍服的軍人，也經常能撞到著裝不倫不類的老百姓。

在布雷契萊莊園名冊里，阿蘭·圖林（A. Turing）的大名也列在其中，人們都稱他“教授”，並不一定知道他的真名。布雷契萊莊園最關鍵的一項任務，是對付德軍的密碼機。約200名精幹人員集中在“3號棚屋”，四班輪換，24小時值守，用無線電收報機從空中截獲密碼情報。圖林和象棋冠軍休·亞歷山大則領導“8號棚屋”負責解密。圖林手下還有100多名姑娘使用機械計算機運算，被圖林善意地稱為“計算奴隸”。從這些棚屋裡報送的情報屬於特殊密級，也就是英國軍方所謂的“超級機密”。

愛尼格瑪與炸彈

圖林和布雷契萊的破譯高手，最感到頭痛的東西，首推德軍各兵種使用的通訊密碼機——愛尼格瑪（Enigma）。“愛尼格瑪”是個希臘名詞，譯成中文就是“謎”，其原型為荷蘭人科赫發明的“秘密寫作機”，柏林一位工程師買到專利後，把它改造成專用密碼機。

愛尼格瑪結構堅固，便於攜帶，外形像一台老式打字機。破解密碼的關鍵是找出機器轉輪組合的規律，愛尼格瑪能變換出8萬億個密文字母，如果改動接線，它的變化將超過2.5千萬億億。戰爭期間，德軍配備了10萬多部愛尼格瑪，並宣稱“誰也不可能把它破解”。

1939年7月24日，距離德軍入侵波蘭的五周前，布雷契萊遇到意外的驚喜。波蘭情報部門送給他們一台愛尼格瑪的仿製品，並且交給圖林一種叫“炸彈”（Bomba）的裝置，即波蘭解碼員雷吉威斯克（M.Rejewski）研製破譯機。然而，若想破譯一份德軍情報，至少需要60台“炸彈”同時工作10小時。面對德寇即將入侵的嚴重局勢，波蘭想繼續開展這種破譯顯然力不從心。波蘭密碼破譯局局長對圖林說：“在波蘭即將倒下前，我把‘炸彈’轉交給你們，它寄託著我們戰勝‘愛尼格瑪’的最後希望。”

在波蘭同行研究基礎上，圖林研製出一台更先進的解碼計算機——“圖林炸彈”（Turing Bomba）。這台機器主要用高速繼電器構成，據說也用了80個電子管，有三個水平鼓裝置，由光電閱讀器直接讀入密碼。圖林稱它是“羅賓遜”——海斯·羅賓遜是英國著名漫畫家，以畫一些稀奇古怪的機器而聞名。

1939年底，“羅賓遜”交由英國制表機公司製造完成，它長寬均為8英尺左右，能以每秒2000字元的速度閱讀記錄在穿孔紙帶上的情報，一舉“炸”開了愛尼格瑪的秘密。於是，英國空軍司令道丁上將迅速掌握了德國飛機的行蹤。1940年，德軍發動了入侵英倫三島的“海獅行動”，9月15日總攻開始，德國空軍元帥戈林派出1100架飛機，傾巢出動襲擊倫敦，還未飛出海峽就遇到英軍截擊，殘酷的空戰進行了整整一天。雖然英軍飛機數量只有德軍的三分之一，最後的結果卻是德國空軍遭到毀滅性打擊。兩天后，希特勒只好決定無限期推遲“海獅行動”，處於劣勢的英國軍隊一舉扭轉了敗局。

Colossus computer

“魚”和“巨人”

可惜，“羅賓遜”好景不長，德軍很快有了警覺。1941年，與布雷契萊相應的德國密碼破譯機構研製出另一種更先進的保密電傳打字機Lorenz SZ，採用了32字母加密方法。愛尼格瑪密碼機只有3個轉輪，而Lorenz SZ有10～12個轉輪，它內部裝有數以百計的金屬接線柱，每一個都可以設定不同的開關狀態，具有159萬億種可能的加密方式，是愛尼格瑪的26倍。在它面前，英國人用繼電器組裝的“圖林炸彈”頓時喪失了威力。希特勒高興地稱Lorenz SZ是“一種絕對安全可靠的密碼機”。

從1940年秋開始，德軍鄧尼茨元帥率領“阿爾卑斯山的狼群”潛艇部隊實施“海狼行動”，不斷地在大西洋瘋狂地追殺英國運輸船隊。到1941年4月，船隊損失達到65.4萬噸的驚人數字。維繫德國潛艇部隊通訊的Loernz SZ，其“密鑰”也光怪離奇翻著花樣，代號有“九頭蛇”、“海神”、“美杜薩女神”等等，使破密更加艱難。

布雷契萊莊園直到1941年9月，才從空中載獲了新的密碼，他們把德軍Loernz SZ新機器稱為“魚”。面對強敵挑戰，英國破譯人員同仇敵愾，把目光準確地投向了研製先進的電子管計算機。1942年，在圖林即將被派往美國前，他提議由馬克斯·紐曼教授和郵政研究所工程師托馬斯·弗勞爾斯（T. Flowers）承擔這項工程。紐曼教授負責對“魚”進行解碼處理，弗勞爾斯工程師則負責設計一種“捕魚”的機器。

紐曼是英國曼徹斯特大學數學教授，圖林的摯友，後來主持設計出著名的曼切斯特MarkⅠ計算機，成為英國計算機工業的基礎。弗勞爾斯是倫敦大學畢業生，從30年代起一直供職於倫敦北部的英國郵政研究所，在電子電話傳輸方面頗有造詣。

弗勞爾斯接受了任務，設計出第一台電子計算機——“巨人”（Colossus）。“巨人”機在郵政研究所里製造完成，於1943年10月秘密運到布雷契萊莊園。這台機器用1500個電子管組成十進制計數器，閱讀速度提高到每秒5000字元。“巨人”安裝在兩個用支架架起的7英尺高、16英尺寬的箱子裡，中間隔開6英尺，總重量約1噸，功率達4.5千瓦。“巨人”的程式均以接插方式運行，有的是永久性的，有的是臨時插入。密碼文本則由5孔紙帶輸入，經打字機輸出譯文。由於它產生的熱量很大，因此有人建議操作員不要戴帽子，以免熱得汗流滿面。

1944年2月，“巨人”計算機正式啟用。布雷契萊莊園依靠“巨人”向英國和盟軍指揮部發出了48000份“超級機密”電報，平均每小時破譯的德國情報超過了11份。由於“巨人”及時提供準確的情報，德軍“海狼行動”遭到慘敗，600餘艦隻被擊沉，2萬餘官兵葬身魚腹。

1944年初，盟軍準備展開“霸王”戰役，由英美聯軍橫渡英吉利海峽，在法國登入開闢第二戰場。盟軍統帥艾森豪將軍希望德國人相信，盟軍攻擊方向是加萊而非諾曼第。要想欺騙德軍總指揮“沙漠之狐”隆美爾可不是容易的事情，於是，盟軍統帥部宣布組建虛烏有的“巴頓第1集團軍群”，擺出要在加萊登入的假象。為配合欺騙行動，布雷契萊又製造出一台威力更強的“巨人”機，電子管增加到2400隻。

Colossus computer

為了打消德軍顧慮，盟軍用“巨人”破譯的德軍密碼，頻頻發出假情報，並且將所有“超級機密”情報都偽裝成來自其他渠道。隆美爾終於上了鉤，把精銳部隊調往加萊。最後，當盟軍各集團軍諾曼第登入勝利會師後，司令官們拿著“巨人”拍給他們的電報，伸出拇指誇獎道：“我們靠的就是它！”軍事史學家認為，這是戰爭史上前所未有的最成功的欺騙行動。當希特勒固守海岸的最後一線希望被徹底粉碎時，說“巨人”參戰改寫戰爭進程並不過份。

重建“巨人”

據說，整個二戰期間，英國一共啟用過11台“巨人”機，但都被邱吉爾首相下令銷毀。

秘密工作結束後，弗勞爾斯返回郵政研究所，又發明了一種電子開關係統，成為STD電話系統的先驅。幾十年來，他從不對別人談及布雷契萊的秘密使命，甚至連他的家人也毫不知情。直到七十年代，他曾經過擔任的角色才被人探知。1980年，郵政局授予他第一枚遲到的獎章，1977年被Newcastle大學授予名譽博士。弗勞爾斯與他妻子和兩個兒子平靜地生活在一起，於1998年逝世，終年82歲。

兩年前，已改建為博物館的布雷契萊莊園，在科學家薩勒（A.E.Sale）領導下，開始著手重新建造一台“巨人”電腦。“巨人”圖紙已被全部燒毀，再說他同樣無法獲得軍事機密檔案，薩勒只得根據照片，用計算機三維圖形設計技術來重繪圖紙。最困難的是光電閱讀裝置的重建，薩勒說，他收集到的所有照片都沒有提供一個原型，只好參考雷恩奇（A.Lynch）博士1942年的設計方案。80歲高齡的雷恩奇親自來到他的家中，用CAD系統幫助薩勒設計。此外，由於現在很難收集到大型的老式電子管，“巨人”的復原工作至今尚未全部完成。

在布雷契萊莊園博物館主頁，重建“巨人”的製造者正在廣泛徵集老式電子管，他們期待著全世界的回應。

The Lorenz machine

密碼破解大賽

CNET科技資訊網11月19日國際報導在一場密碼破解大賽中，操作一台二戰時期密碼破譯計算機的一個英國團隊被一名德國人打敗了。

Colossus computer

在上周四、五由英國國家計算博物館舉行的Cipher Challenge中，被稱為Colossus的密碼破譯計算機必須破譯從德國帕德博恩傳送的加密無線電通訊內容。與Colossus對弈的是來自歐洲的無線電愛好者則必須利用任意的計算技術打敗Colossus。

這場競賽的贏家是來自波恩的Joachim Schüth，他利用自己編寫的軟體完成了任務。

上周五，英國國家計算博物館代表表示，昨天，Schüth破解了難度最大的密碼，我們感到非常高興。他為此編寫了專門的軟體。Colossus破解密碼的速度較慢。昨天的天氣原因使得我們無法獲得足夠好的信號。

英國國家計算博物館的這名代表說，Schüth破解密碼的速度更快，他幹得非常好。儘管這名代表披露Schüth使用了Ada程式語言，但沒有披露更詳細的資料。Ada主要用於軍用系統，是由美國國防部在1980年開發的。

Colossus computer

引起的思考

2005年是電子計算機誕生六十周年。1945年秋，ENIAC開始運行，試算美國軍方提供的題目取得成功，然後於1946年2月正式向公眾展示。E-NIAC是第一台全數字電子計算機（注意“全數字”和“電子”這兩個限制詞），主要構思者是賓夕法尼亞大學的J.W. Mauchly，ENIAC的實現則是由研究生J. P.Eckert主持的。他們兩人申請並獲得了專利，但1973年美國明尼蘇達州一家地方法院判決“Mauchly和Eckert沒有發明第一台電子計算機，只是利用衣阿華大學J. V. Atanasoft的構思; Mauchly和Eckert的專利無效”。原因是1941年Atanasoft曾把體現在他主持設計的ABC計算機的一些構想告訴了Mauchly。後來，英國公開了二戰期間的秘密檔案，英國於1944年6月就研製成專門用於破譯德軍密碼的電子計算機Colossus（巨人）。

Colossus computer

但是ABC只是模擬電子計算機到數字電子計算機的過渡品，算不上“全數字”電子計算機，而且性能很差，只用了300個電子管; Colossus則是一台專用電子計算機，含2500個電子管; ENIAC用了近20000個電子管，通用性和運算速度要高得多，而且實際解決了許多複雜的計算問題，所以ENIAC標誌計算機時代的開始，它的歷史地位是不容置疑的。

六十年來計算機領域產生了一系列重大發明，最終把人類帶入了信息社會，這些重大發明起碼有：存儲程式概念計算機和通用電子數字計算機的基本框架（1945年），電晶體（1947年），積體電路（1959年），微處理器（1971年），第一台存儲程式概念的計算機EDSAC I（1949年），磁芯存儲器（1950年），第一台商用計算機UNIVACI（1951年），微程式（1953年），虛擬存儲器（1961年），系列化架構和相應的系統軟體（1946年IBM360），磁碟存儲系統IBM RAMAC（1966年），軟磁碟技術（1967年），高級程式語言Fortran（1959年），面向對象語言Simula(1967年)，Pascal語言（1969年），C語言（1972年），C++語言（1985年），Java語言（1995年），第一個分時系統CTSS（1961年），UNIX作業系統（1969年），資料庫（1969年），關係資料庫模型（1970年），精簡指令集計算機RISC（1974年），Winchester硬碟（1973年），第一台個人電腦Alto（1973年），滑鼠（1964年），圖形用戶界面（1973年），所見即所得的文字處理（1974年），頁面描述語言PostScript（1983年），Internet的前身ARPANET（1969年），乙太網（1973年），全球資訊網WWW（1990年），網際網路通信協定TCP/IP（1975年），路由器（1986年），網際網路瀏覽器（1990年），網際網路搜尋引擎（1993年），開放原始碼的LINUX作業系統（1991年），電子商務（1995年）等。

上面列出的所有這些重大發明均來源於一個、二個或三個傑出科學家的奇妙構想，當然這些發明實現過程中需要一個往往規模不大的團隊，但在商品化、尤其是產業化過程中需要大的資金投入和龐大的團隊，大多數情況下是由企業承擔的。這些重大發明的提出者大多為30多歲的年輕人，有的僅20多歲，只有馮·諾依曼年齡最大，他1945年提出存儲程式概念時已經42歲了，但是馮·諾依曼作為數學家，17歲開始發表論文，20多歲時已在多個領域成果顯著，30歲成為普林斯頓高級研究院最年輕的教授。

分析和研究上述重大發明的產生過程對我國科技發展將帶來有益的啟迪。

接觸最前沿

兩個最前沿指的是技術發展的最前沿和需求（包括當前和未來市場的需求）的最前沿。

1941年夏，Mauchly 34歲時去賓夕法尼亞大學莫爾電機工程學院任講師，遇到了22歲的研究生Eckert。此前Mauchly已有多年用手搖計算機作天氣預報計算的經驗，深知快速計算的重要性，他數學功底很好，又從Atanasoft那裡聽到了電子計算機的初步構思。Eckert才華橫溢，精通電子學，有能力領導實現近20000個電子管組成的龐大系統，這在當時屬電子系統的最前沿。這兩人合起來已站在技術和需求的最前沿，1942年Mauchly提出了ENIAC的構思，並和Eckert逐步完善這一設計，最終取得成功。

馮·諾依曼參加過研製核子彈的曼哈頓工程，介入了計算物理學。第一顆核子彈研製中的大量計算是靠手搖計算機的人海戰術和一台以繼電器為主要元件的Mark I計算機，苦不堪言。1944年夏的某一天馮·諾依曼在美國東部一個火車站站台上遇到了並不認識的的H. H. Goldstine上尉，Goldstine向馮·諾依曼談到了他作為軍方代表正在參與研製的ENIAC，馮·諾依曼很快就去了莫爾學院，看到了ENIAC這一龐然大物，他問Eckert的第一個問題就是關於ENIAC的邏輯結構，真是一針見血，令Eckert大為欽佩。很快在莫爾學院組織了電子計算機和存儲程式概念的討論班，探討了超聲延遲線作為記憶體儲器的可能性。馮·諾依曼早就感到快速計算機的極端重要性，但在看到ENIAC實體和參加討論班之前，他還不了解當時電子技術的最前沿。馮·諾依曼在數理邏輯方面的巨大成就，加上接觸到了兩個最前沿，使他於1945年6月寫出了長達101頁的《關於離散變數自動電子計算機的草案》，提出了程式和數據一樣存放在計算機記憶體儲器中，並給出了通用電子計算機的基本架構，後來這些思想被稱為“馮·諾依曼結構”。按照馮·諾依曼的構思，只用ENIAC十分之一的元件就可以得到更高的性能，這是很吸引人的。六十年來計算機經歷了巨大發展，但仍然沒有脫離馮·諾依曼結構。

上述例子給我們的啟發是：中國的年輕優秀人才在打好深厚的基礎後，要努力進入兩個最前沿。

Reconstruction of a Colossus