Colossus

Colossus Mark II

Colossus（コロッサス、本来の意味はロードス島の巨像の名）は、第二次世界大戦の期間中、ドイツの暗号通信を読むための暗号解読器としてイギリスで使われた初期のコンピュータである。Colossus の用途は限定されていたものの、世界初のプログラム可能なデジタル電子計算機である。

Colossus は、英国中央郵便本局研究所の技術者 Tommy Flowers が設計した。プロトタイプの Colossus Mark I は 1944年2月、ブレッチリー・パーク(Bletchley Park) にて動作した。改良版の Colossus Mark II は 1944年6月に完成し、戦争が終わるまでに 10台の Colossus が製造された。

Colossus は Lorenz SZ40/42 という機械を使って暗号化されたテレタイプ端末のメッセージを解読する際に使われた。Colossus はふたつのデータ列を比較し、プログラム可能な論理演算を行う。一方のデータは紙テープから高速に読み込まれ、もう一方は内部で生成される。そして、様々な設定で Lorenz マシンのエミュレーションを電気的に実行する。ある設定での演算が所定の閾値を越えると電気式タイプライタにその結果を出力する。

目的と起源

Lorenzマシンの歯車部分

Colossus は、Lorenz SZ40/42 によって暗号化されたドイツの通信メッセージを解読するために使われた。Colossusの仕事の一部は Lorenz マシンの機械的機能を電気的にエミュレートすることであった。Lorenz マシンでのメッセージの暗号化手順は、平文と一連の鍵ビットと結合させ、5つに分割する。鍵ビット列は12個のピン歯車で生成する。このうち5個の歯車は（イギリス側で）Χ（chi）ホイールと呼ばれ、別の5個は Ψ（psi）ホイールと呼ばれた。残り2個は駆動用歯車である。Χホイールは暗号化された文字毎に規則正しく回転し、Ψホイールは駆動用歯車によって制御されて不規則に回転する。

Bletchley Park の暗号解読士 W.T. Tutte は、そのマシンが生成する鍵ビット列は、統計的に見て純粋な乱数からはずれた偏向を示していることを発見し、その偏向が暗号を解読してメッセージを読むのに使えると考えた。メッセージを読むためには、ふたつの仕事を実行する必要があった。第一の仕事は「歯車のパターン解読」つまり全ての歯車のピンのパターンを発見することである。それらのパターンは Lorenz マシンを設定変更するまでに一定期間、複数の異なるメッセージの送信で使われていた。第二の仕事は、発見したピンのパターンに基づいて「歯車を設定する」ことである。各メッセージは歯車の異なる位置から暗号化を開始される。「歯車を設定する」とは、あるメッセージの歯車の開始位置を探すことである。当初、Colossus は「歯車の設定」に使われたが、後に「歯車のパターン解読」にも使えることがわかった。

Colossus は、ブレッチリー・パークの Lorenz マシンに対する機械的手法を研究した Newmanry（数学者 Max Newman が指揮する部門）が運用した。

Colossus は Heath Robinsonと呼ばれる特殊用途の光学機械式比較器を開発するプロジェクトからの派生として開発された。Heath Robinson で問題となったのはふたつの紙テープの同期をとる方法である。一方の紙テープは暗号化されたメッセージをさん孔されており、もう一方は Lorenz マシンのホイールによって生成されたパターンを示している。これを一秒間に1000文字読むようにしたところ、テープがずれて計算が不安定になってしまった。このため、Colossusでは一方の紙テープを電気的に再生することで問題を解決した。残った紙テープはもっと速い速度で読み込むことができるようになり、より安定した計算ができるようになった。

Colossus の開発

Tommy Flowers はエニグマを解読する機械製作の補助をする技術者として英国中央郵便本局研究所に派遣され、Colossus の設計・製作に11ヶ月を費やした。Mark I の設計は 1943年2月に開始され、ブレッチリー・パークに移送されて試験運用が開始されたのが1944年1月18日である。そして 1944年2月5日から Colossus は暗号解読士らに使用された。

Mark I に続いて 9台の Colossus Mark II が 1944年6月以降、順次使用された。終戦時には11台めの Colossus が組み立てをほぼ完了した状態であった。Colossus Mark I は 1500本の真空管を使用している。Colossus Mark II は 2400本の真空管を使用しており、Mark I の5倍の性能で操作も改善されていた。Mark II の設計は Mark I の製作と並行して行われた。ちなみに、他の初期のコンピュータ Manchester Mark I は 4200本、ENIAC は 17468本使用している。

Colossus は電気的に歯車パターンを生成することで第二の紙テープを不要とし、一秒間に5000文字を処理することができた（紙テープでは 12m毎秒）。回路の同期は紙テープによって生成されるクロック信号で行われた。従って計算速度はテープリーダーの機構によって制限されている。Tommy Flowers は限界速度を試験し、最高で毎秒9700文字の処理速度を記録した。彼は、その試験を元に通常の運用にふさわしい速度として毎秒5000文字に設定した。場合によっては複数台の Colossus を使って今で言う並列コンピューティングのような使い方をすることもあった。

Colossus には世界初のシフトレジスタとシストリックアレイが使われている。さん孔テープ上の5チャネルに対応して、最大100回の論理演算から構成されるテストを5つ並行して実施できる（ただし、通常 1回の走行では1～2本のチャネルだけを調べた）。

当初 Colossus は与えられたメッセージの最初の歯車の位置をつきとめるために使われた（「歯車の設定」）が、Mark II はピンのパターンをつきとめる（「歯車のパターン解読」）のを助けるための機構が含まれていた。どちらの機種もスイッチとプラグ盤を使ってプログラム可能であり、これは Robinson には無い機能である。

設計と操作

Colossus は先端技術であった真空管、サイラトロン（熱陰極格子制御放電管）、光電子増倍管（紙テープ読み取りに使用）を使っている。そしてプログラムされた論理関数を各文字に適用して、どれだけ "真" が返ってくるかをカウントする。真空管は故障しやすかったが、ほとんどの故障は電源のON/OFF時に起きるので、Colossus マシンは一度電源を入れたら故障で働かなくなるまで電源を入れっぱなしにして使われた。

Colossus のプログラム機能は限定されたものであったが、世界初のプログラム可能な電子デジタルマシンであった。しかし、真の汎用コンピュータとは言えず、アラン・チューリングが同じ ブレッチリー・パークで働いていたにも関わらず、チューリング完全ではない。当時、チューリング完全が重要ということは分かっていなかった。これは当時の多くのコンピュータも同じである（例えば、ABC、電気機械式リレーマシンのHarvard Mark I、ベル研究所のジョージ・スティビッツによるリレーマシン、コンラート・ツーゼの初期の設計など）。汎用マシンとしてのコンピュータという概念、そして難しいが単純な問題を解くだけの単なる強力な計算機械ではないコンピュータ、が登場するにはあと数年を要する。

Colossus は、ある分類によっては世界初とされる各種コンピュータに先行されていた。コンラート・ツーゼのZuse Z3は世界初のプログラム制御式の完全機能するコンピュータであり、ベル研究所でジョージ・スティビッツらによって1930年代後半に開発されたマシンと同様、電気機械式リレーを使用していた。アタナソフ&ベリー・コンピュータは電子式で2進数を使用していたが、プログラム可能ではなかった。ヴァネヴァー・ブッシュらが1930年代以前から開発していたアナログコンピュータは半プログラム可能であった。チャールズ・バベッジの解析機関はこれら全てに先行していたし（19世紀中盤）、デジタル式でプログラム可能だったが、部分的にしか制作されず、当時は機能しなかった（ただし、階差機関のレプリカは1991年に制作され動作した）。Colossus は、「デジタル」式で「プログラム可能」で「電子」式であるという組合せでは世界初である。世界初の完全プログラム可能な電子式デジタルコンピュータは1948年にマンチェスターで開発された Small Scale Experimental Machine であった（Manchester Mark I 参照）。

影響とその後

Colossus の用途は国家機密であったため、その存在も戦後何年も極秘扱いのままだった。したがって、コンピュータ史に Colossus が出てくることも無く、Flowersらも口を噤まなければならなかった。

広く知られなかったため、直接影響を受けて開発されたコンピュータも少ない。EDVACは初期の設計としては最も後世のコンピュータ・アーキテクチャに影響を与えたと言えよう。

しかし、Colossusで培われた技術、特に信頼性のある高速電子デジタル計算デバイスはイギリスでの初期のコンピュータの開発に大きな影響を与えた。Colossus 開発に関係した人々は当然その大きな役割を理解していた。1972年、Herman Goldstine（ENIAC開発者の一人）は以下のように記している。

「イギリスでは戦後間もなく、よく考え抜かれた様々なコンピュータ関連のプロジェクトが開始されている。」

これを書いたとき、Goldstine は Colossus のことを知らなかった。それらのプロジェクトに Colossus の技術を持ち込んだ人々には、アラン・チューリング（Pilot ACE）、Max Newman、I.J. Good（Manchester Mark I他）などがいる。Brian Randell は後にこう記している。

「COLOSSUSプロジェクトはこの活力の重要な源であった。全く賞賛されることはなかったが、デジタルコンピュータの発明の歴史上、大きな意義を持っている。」

ウィンストン・チャーチルは Colossus を手のひらより小さい破片に破壊するよう特別に命令した。Tommy Flowers は青写真を暖炉で燃やした。いくつかの部品は引き抜かれ、Newmanが マンチェスター大学の計算機研究所に持ち込んだ。Colossus Mark I は撤去され、その部品は中央郵便本局に返却された。しかし、2台の Colossus はGCHQが 1952年から1954年にチェルトナムに移転したとき Eastcoate で保管された。Colossus Blue と呼ばれた Colossus は 1959年に分解され、残る1つも1960年に分解された。晩年、Colossus は訓練目的で使われたが、それ以前に他の目的に転用する試みがなされた。。Jack Good はNSAを説得して Colossus が彼らの計画していた特殊用途のマシンとして使えるとして、戦後最初にそれを使うプロジェクトに関与した。また、Colossus は暗号化された通信テープのランダム性を確認するために文字を種類毎に数えるという処理にも使われた。

Colossusに関する情報は1970年代後半に開示され始めた。もっと最近になってTunny暗号（Lorenzマシンの生成する暗号）とその解読に関する500ページの技術リポート General Report on Tunny がGCHQから国立公文書館に2000年10月に引き渡された。その内容はオンラインで閲覧が可能で、それには共に働いた暗号解読士の Colossus への賞賛の言が載っている。

復元

復元されたColossus

2003年3月、Tony Sale 率いるチームが Colossus Mark II のレプリカを組み立てた。イギリス・バッキンガムシャー州ミルトン・キーンズにある Bletchley Park Museum に展示されている。

関連項目

• スーパーコンピュータ
• 地球爆破作戦　アメリカのSF映画。原題は『COLOSSUS : THE FORBIN PROJECT』。劇中にコロッサスという名の巨大コンピュータが登場する。

参考文献

• Harvey G. Cragon, From Fish to Colossus: How the German Lorenz Cipher was Broken at Bletchley Park (Cragon Books, Dallas, 2003; ISBN 0-9743045-0-6) – Tunnyによる暗号解読についての詳細と Colossus についてのいくつかの詳細 (細かな間違いがある)
• Tony Sale, The Colossus Computer 1943–1996: How It Helped to Break the German Lorenz Cipher in WWII (M.&M. Baldwin, Kidderminster, 2004; ISBN 0-947712-36-4) – 薄い (20ページ) 小冊子。下記の筆者によるサイトと同じ内容を含む
• Michael Smith, Station X, 1998. ISBN 0-330-41929-3.

外部リンク

いずれも英文。

• Tony Sale's WW II Codes and Ciphers Colossusに関する多くの情報を含む
• Colossus の復元に関するBBCのニュース（2004/6/1）