巨人計算機（Colossus computer）是第一部全然電子化的電腦器件，使用了數(shù)量龐大的真空管，以紙帶作為輸入器件，能夠執(zhí)行各種布林邏輯的運算，但仍未具備艾倫·圖靈完全的標準。
產(chǎn)品作用
巨人計算機（Colossus computer，Colossus machines）
德國還發(fā)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(tǒng)，像是用于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“金槍魚”團隊的一份子，負責(zé)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）其同僚建造于倫敦多利士山（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(shù)量龐大的真空管，以紙帶作為輸入器件，能夠執(zhí)行各種布林邏輯的運算，但仍未具備艾倫·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(shè)計圖樣和操作方法，直到1970年代都還是一個謎。后來溫斯頓·丘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里都未留下一紙紀錄。英國布萊切利園目前展有巨人計算機的重建機種。
Colossus computer是世界上最早的電子數(shù)字機器。1943年，英國人用它來破譯德國人的密碼。據(jù)說在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的時候，丘吉爾命令拆毀十二臺中的十臺。另兩臺在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，世界上第一臺電腦是1946年賓夕法尼亞大學(xué)研制的ENIAC，然而，英國在二戰(zhàn)期間研制的電子計算機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(jīng)常提及這臺電腦，但由于資料來源不盡相同，有的甚至互相矛盾。更有甚者，就連嚴肅的史學(xué)家也得不到翔實的資料。英國學(xué)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(zhàn)爭里最大的謎》，當(dāng)美國軍事史學(xué)家卡爾·多伊奇覺得這些書尚不足以披露真情時，曾于1970年只身闖進英國外交部，只拿到了一紙空文，其上明明白白地寫著：“文件到了2015年才能解密”。多年來，英國人對自己研制首臺電腦的榮譽始終保持著緘默。
隨著時間的推移，“超級機密”逐漸被人向外批露：研制“巨人”的團隊，是一個人才濟濟的英雄群體；研制“巨人”的歷程，是一場驚心動魄的戰(zhàn)斗，有的軍事學(xué)史家甚至認為，“巨人”參戰(zhàn)改變了二戰(zhàn)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筑古色古香，深藏在茂密的樹叢中，鳥語花香，人跡罕至。二次世界大戰(zhàn)打破了莊園的沉寂，自戰(zhàn)爭初期始，這里悄悄聚集起越來越多的人，最多時竟達到12000人的規(guī)模。莊園里漸漸布滿了倉促修建的窩棚，又被精心偽裝成一所簡易戰(zhàn)地醫(yī)院。
布雷契萊莊園的秘密名稱叫“政府密碼學(xué)校”，真實身份則是戰(zhàn)時英國的情報破譯中心。志愿者們夜以繼日地工作，截獲、整理、破譯德國的軍事情報，當(dāng)然主要是從空中監(jiān)聽到的無線電通訊密碼，并把破譯的情報直接報送給英國最高指揮當(dāng)局，甚至直接送達溫斯頓·丘吉爾首相本人手里。
志愿人員來自英倫各地，其中有英國著名的科學(xué)家，如數(shù)學(xué)家馬克斯·紐曼（M.Newman）教授，以及在第一次世界大戰(zhàn)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(xué)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，甚至還有國際象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(jīng)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”，并不一定知道他的真名。布雷契萊莊園最關(guān)鍵的一項任務(wù)，是對付德軍的密碼機。約200名精干人員集中在“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(lǐng)導(dǎo)“8號棚屋”負責(zé)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”。從這些棚屋里報送的情報屬于特殊密級，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(fā)明的“秘密寫作機”，柏林一位工程師買到專利后，把它改造成專用密碼機。
愛尼格瑪結(jié)構(gòu)堅固，便于攜帶，外形像一臺老式打字機。破解密碼的關(guān)鍵是找出機器轉(zhuǎn)輪組合的規(guī)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(zhàn)爭期間，德軍配備了10萬多部愛尼格瑪，并宣稱“誰也不可能把它破解”。
1939年7月24日，距離德軍波蘭戰(zhàn)役的五周前，布雷契萊遇到意外的驚喜。波蘭情報部門送給他們一臺愛尼格瑪?shù)姆轮破罚⑶医唤o圖林一種叫“炸彈”（Bomba）的裝置，即波蘭譯碼員雷吉威斯克（M.Rejewski）研制破譯機。然而，若想破譯一份德軍情報，至少需要60臺“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(xù)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(zhuǎn)交給你們，它寄托著我們戰(zhàn)勝‘愛尼格瑪’的最后希望。”
在波蘭同行研究基礎(chǔ)上，圖林研制出一臺更先進的譯碼計算機——“圖林炸彈”（Turing Bomba）。這臺機器主要用高速繼電器構(gòu)成，據(jù)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制造完成，它長寬均為8英尺左右，能以每秒2000字符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?shù)拿孛堋Ｓ谑牵?a href="/hebeideji/276819327869110773.html">英國皇家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(fā)動了入侵英倫三島的“海獅行動”，9月15日總攻開始，德國空軍元帥赫爾曼·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(zhàn)進行了整整一天。雖然英軍飛機數(shù)量只有德軍的三分之一，最后的結(jié)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”，處于劣勢的英國軍隊一舉扭轉(zhuǎn)了敗局。
“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(yīng)的德國密碼破譯機構(gòu)研制出另一種更先進的保密電傳打字機Lorenz SZ，采用了32字母加密方法。愛尼格瑪密碼機只有3個轉(zhuǎn)輪，而Lorenz SZ有10～12個轉(zhuǎn)輪，它內(nèi)部裝有數(shù)以百計的金屬接線柱，每一個都可以設(shè)置不同的開關(guān)狀態(tài)，具有159萬億種可能的加密方式，是愛尼格瑪?shù)?6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(lǐng)“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(shù)字。維系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(zhàn)，英國破譯人員同仇敵愾，把目光準確地投向了研制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(dān)這項工程。紐曼教授負責(zé)對“魚”進行譯碼處理，弗勞爾斯工程師則負責(zé)設(shè)計一種“捕魚”的機器。
紐曼是曼徹斯特大學(xué)數(shù)學(xué)教授，圖林的摯友，后來主持設(shè)計出著名的曼徹斯特MarkⅠ計算機，成為英國計算機工業(yè)的基礎(chǔ)。弗勞爾斯是倫敦大學(xué)畢業(yè)生，從30年代起一直供職于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(wù)，設(shè)計出第一臺電子計算機——“巨人”（Colossus）。“巨人”機在郵政研究所里制造完成，于1943年10月秘密運到布雷契萊莊園。這臺機器用1500個電子管組成十進制計數(shù)器，閱讀速度提高到每秒5000字符。“巨人”安裝在兩個用支架架起的7英尺高、16英尺寬的箱子里，中間隔開6英尺，總重量約1噸，功率達4.5千瓦。“巨人”的程序均以接插方式運行，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(jīng)打字機輸出譯文。由于它產(chǎn)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(fā)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。由于“巨人”及時提供準確的情報，德軍“海狼行動”遭到慘敗，600余艦只被擊沉，2萬余官兵葬身魚腹。
1944年初，盟軍準備展開“霸王”戰(zhàn)役，由英美聯(lián)軍橫渡英吉利海峽，在法國登陸開辟第二戰(zhàn)場。盟軍統(tǒng)帥艾森豪威爾將軍希望德國人相信，盟軍攻擊方向是加萊而非諾曼底登陸。要想欺騙德軍總指揮“埃爾溫·隆美爾”隆美爾可不是容易的事情，于是，盟軍統(tǒng)帥部宣布組建虛烏有的“巴頓第1集團軍群”，擺出要在加萊登陸的假象。為配合欺騙行動，布雷契萊又制造出一臺威力更強的“巨人”機，電子管增加到2400只。
為了打消德軍顧慮，盟軍用“巨人”破譯的德軍密碼，頻頻發(fā)出假情報，并且將所有“超級機密”情報都偽裝成來自其他渠道。隆美爾終于上了鉤，把精銳部隊調(diào)往加萊。最后，當(dāng)盟軍各集團軍諾曼底登陸勝利會師后，司令官們拿著“巨人”拍給他們的電報，伸出拇指夸獎道：“我們靠的就是它！”軍事史學(xué)家認為，這是戰(zhàn)爭史上前所未有的最成功的欺騙行動。當(dāng)希特勒固守海岸的最后一線希望被徹底粉碎時，說“巨人”參戰(zhàn)改寫戰(zhàn)爭進程并不過份。
重建“巨人”
據(jù)說，整個二戰(zhàn)期間，英國一共啟用過11臺“巨人”機，但都被溫斯頓·丘吉爾首相下令銷毀。
秘密工作結(jié)束后，弗勞爾斯返回郵政研究所，又發(fā)明了一種電子開關(guān)系統(tǒng)，成為STD電話系統(tǒng)的先驅(qū)。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(jīng)過擔(dān)任的角色才被人探知。1980年，郵政局授予他第一枚遲到的獎?wù)拢?977年被Newcastle大學(xué)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，于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(xué)家薩勒（A.E.Sale）領(lǐng)導(dǎo)下，開始著手重新建造一臺“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(jù)照片，用計算機三維平面設(shè)計技術(shù)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(shè)計方案。80歲高齡的雷恩奇親自來到他的家中，用CAD系統(tǒng)幫助薩勒設(shè)計。此外，由于現(xiàn)在很難收集到大型的老式電子管，“巨人”的復(fù)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”的制造者正在廣泛征集老式電子管，他們期待著全世界的回應(yīng)。
密碼破解大賽
CNET科技資訊網(wǎng)11月19日國際報道在一場密碼破解大賽中，操作一臺二戰(zhàn)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。
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發(fā)送的加密無線電通訊內(nèi)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(shù)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件完成了任務(wù)。
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件。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，他干得非常好。盡管這名代表披露Schüth使用了Ada編程語言，但沒有披露更詳細的資料。Ada主要用于軍用系統(tǒng)，是由美國國防部在1980年開發(fā)的。
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，然后于1946年2月正式向公眾展示。E-NIAC是第一臺全數(shù)字電子計算機（注意“全數(shù)字”和“電子”這兩個限制詞），主要構(gòu)思者是賓夕法尼亞大學(xué)的J.W. Mauchly，ENIAC的實現(xiàn)則是由研究生J. P.Eckert主持的。他們兩人申請并獲得了專利，但1973年美國明尼蘇達州一家地方法院判決“Mauchly和Eckert沒有發(fā)明第一臺電子計算機，只是利用衣阿華大學(xué)J. V. Atanasoft的構(gòu)思; Mauchly和Eckert的專利無效”。原因是1941年Atanasoft曾把體現(xiàn)在他主持設(shè)計的阿塔納索夫-貝瑞計算機的一些構(gòu)想告訴了Mauchly。后來，英國公開了二戰(zhàn)期間的秘密檔案，英國于1944年6月就研制成專門用于破譯德軍密碼的電子計算機Colossus（巨人）。
但是ABC只是模擬電子計算機到數(shù)字電子計算機的過渡品，算不上“全數(shù)字”電子計算機，而且性能很差，只用了300個電子管; Colossus則是一臺專用電子計算機，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復(fù)雜的計算問題，所以ENIAC標志計算機時代的開始，它的歷史地位是不容置疑的。
六十年來計算機領(lǐng)域產(chǎn)生了一系列重大發(fā)明，最終把人類帶入了信息社會，這些重大發(fā)明起碼有：存儲程序概念計算機和通用電子數(shù)字計算機的基本框架（1945年），晶體管（1947年），集成電路（1959年），微處理器（1971年），第一臺存儲程序概念的計算機EDSAC I（1949年），磁芯存儲器（1950年），第一臺商用計算機UNIVACI（1951年），微程序（1953年），虛擬存儲器（1961年），系列化架構(gòu)和相應(yīng)的系統(tǒng)軟件（1946年IBM360），磁盤存儲系統(tǒng)IBM RAMAC（1966年），軟磁盤技術(shù)（1967年），高級編程語言Fortran（1959年），面向?qū)ο笳Z言simula(1967年)，Pascal語言（1969年），c語言（1972年），C++（1985年），Java語言（1995年），第一個分時系統(tǒng)CTSS（1961年），unix操作系統(tǒng)（1969年），數(shù)據(jù)庫（1969年），關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型（1970年），精簡指令集計算機RISC（1974年），Winchester硬盤（1973年），第一臺個人電腦Alto（1973年），鼠標（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），以太網(wǎng)（1973年），萬維網(wǎng)WWW（1990年），互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議TCP/IP（1975年），路由器（1986年），互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器（1990年），互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎（1993年），開放源代碼的LINUX操作系統(tǒng)（1991年），電子商務(wù)（1995年）等。
上面列出的所有這些重大發(fā)明均來源于一個、二個或三個杰出科學(xué)家的奇妙構(gòu)想，當(dāng)然這些發(fā)明實現(xiàn)過程中需要一個往往規(guī)模不大的團隊，但在商品化、尤其是產(chǎn)業(yè)化過程中需要大的資金投入和龐大的團隊，大多數(shù)情況下是由企業(yè)承擔(dān)的。這些重大發(fā)明的提出者大多為30多歲的年輕人，有的僅20多歲，只有約翰·馮·諾依曼年齡最大，他1945年提出存儲程序概念時已經(jīng)42歲了，但是馮·諾依曼作為數(shù)學(xué)家，17歲開始發(fā)表論文，20多歲時已在多個領(lǐng)域成果顯著，30歲成為普林斯頓大學(xué)高級研究院最年輕的教授。
分析和研究上述重大發(fā)明的產(chǎn)生過程對我國科技發(fā)展將帶來有益的啟迪。
接觸最前沿
兩個最前沿指的是技術(shù)發(fā)展的最前沿和需求（包括當(dāng)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(xué)莫爾電機工程學(xué)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(yù)報計算的經(jīng)驗，深知快速計算的重要性，他數(shù)學(xué)功底很好，又從Atanasoft那里聽到了電子計算機的初步構(gòu)思。Eckert才華橫溢，精通電子學(xué)，有能力領(lǐng)導(dǎo)實現(xiàn)近20000個電子管組成的龐大系統(tǒng)，這在當(dāng)時屬電子系統(tǒng)的最前沿。這兩人合起來已站在技術(shù)和需求的最前沿，1942年Mauchly提出了ENIAC的構(gòu)思，并和Eckert逐步完善這一設(shè)計，最終取得成功。
約翰·馮·諾依曼參加過研制原子彈的曼哈頓工程，介入了計算物理學(xué)。第一顆原子彈研制中的大量計算是靠手搖計算機的人海戰(zhàn)術(shù)和一臺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臺上遇到了并不認識的的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制的ENIAC，馮·諾依曼很快就去了莫爾學(xué)院，看到了ENIAC這一龐然大物，他問Eckert的第一個問題就是關(guān)于ENIAC的邏輯結(jié)構(gòu)，真是一針見血，令Eckert大為欽佩。很快在莫爾學(xué)院組織了電子計算機和存儲程序概念的討論班，探討了超聲延遲線作為內(nèi)存儲器的可能性。約翰·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(dāng)時電子技術(shù)的最前沿。馮·諾依曼在數(shù)理邏輯方面的巨大成就，加上接觸到了兩個最前沿，使他于1945年6月寫出了長達101頁的《關(guān)于離散變量自動電子計算機的草案》，提出了程序和數(shù)據(jù)一樣存放在計算機內(nèi)存儲器中，并給出了通用電子計算機的基本架構(gòu)，后來這些思想被稱為“馮·諾依曼結(jié)構(gòu)”。按照馮·諾依曼的構(gòu)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(jīng)歷了巨大發(fā)展，但仍然沒有脫離馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。
上述例子給我們的啟發(fā)是：中國的年輕優(yōu)秀人才在打好深厚的基礎(chǔ)后，要努力進入兩個最前沿。
參考資料 >
Colossus計算機.科技中國.2012-10-12