Colossus

Colossus（コロッサス）

第二次世界大戦中にイギリスで使用された、ドイツ軍の暗号通信を解読するための専用計算機である。その計算には電子管（真空管やサイラトロン）が用いられ、当時の最先端技術を結集して開発された。

開発の背景と目的

Colossusの開発は、ドイツ軍がローレンツSZ40/42暗号機を用いて暗号化したテレタイプ通信、通称「Fish」を傍受し解読する必要から始まった。イギリスの暗号解読拠点であるブレッチリー・パークでは、この暗号機と暗号を「Tunny」と呼称した。

ローレンツ暗号機は、複数の歯車が生成する鍵ビット列を平文に組み合わせて暗号化を行う複雑な仕組みであった。ブレッチリー・パークの数学者ビル・タットは、この鍵ビット列に完全なランダム性からの統計的な偏りがあることを発見し、これが暗号解読に利用できると考えた。

メッセージを読むためには、主に二つの段階があった。第一に、使用されているローレンツ暗号機の歯車のピン配列パターンを特定する「歯車のパターン解読」。これは暗号機の設定が変更されるまで複数メッセージに共通して使用される。第二に、特定されたパターンに基づき、メッセージごとの歯車の開始位置を割り出す「歯車の設定」である。

当初、「歯車の設定」を支援するために考案されたColossusであったが、後に「歯車のパターン解読」にも有効であることが判明し、ブレッチリー・パークのマックス・ニューマンが指揮する部門（Newmanry）で運用された。

Colossusは、先行して開発されていた光学機械式比較器「Heath Robinson」が抱える問題点を克服するために誕生した。Heath Robinsonは、暗号メッセージとローレンツ暗号機のシミュレーションパターンを記録した二本の紙テープを同期させて高速に読み取る際に、電気機械式リレーの遅延やテープの同期ずれによる計算の不安定さに悩まされていた。

英国中央郵便本局研究所の技術者トミー・フラワーズは、Heath Robinsonの比較機構を調査する中で、紙テープの一つを電子的に生成するアイデアを着想した。当初、1000本以上の真空管を使用するという彼の提案は懐疑的に受け止められたが、フラワーズは自身のアイデアを追求し、開発資金を確保した。

開発と技術的特徴

トミー・フラワーズを中心としたチームは、わずか11ヶ月でColossus Mark Iを完成させた。1943年12月に完成したMark Iはブレッチリー・パークに移送され、1944年2月から暗号解読士によって使用が開始された。

Mark Iの成功を受けて改良型のMark IIが開発され、ノルマンディー上陸作戦直前の1944年6月1日に完成した。Mark IIはMark Iの約5倍の処理能力を持ち、操作性も向上していた。終戦までには合計10台のColossusが製造・運用された。

Colossusは電子的にローレンツ暗号機の歯車パターンをシミュレートすることで、Heath Robinsonで問題となった二本目の紙テープを不要にした。これにより、毎秒5000文字という高速処理が可能となった（紙テープ速度に換算して毎秒12.2メートル）。テープのスプロケットホールから得られるクロック信号で回路を同期させ、計算速度はテープリーダーの機構によって制限された。最高速度の試験では毎秒9700文字を記録している。

技術的には、Colossusは多数の電子管（Mark Iは約1500本、Mark IIは約2400本）を使用し、プログラム可能なブール関数を用いてデータ列の一致数をカウントした。プログラムは、内蔵されたソフトウェアではなく、オペレータがプラグ盤やスイッチを操作して物理的に配線を変更することで行われた。これは汎用コンピュータのような自由なプログラミングではなく、特定の暗号解読タスクに特化した専用計算機としての性格が強かった。

それでも、Colossusはデジタル処理を行い、部分的にプログラム可能であったという点で、世界初の「プログラム可能な電子デジタル計算機」の一つと位置づけられる。同時代の電気機械式コンピュータや、プログラム内蔵方式ではない電子計算機と比較して、その組み合わせは先駆的であった。また、世界初のシフトレジスタやシストリックアレイといった革新的な技術が導入されていたことも特筆される。

真空管は故障しやすかったが、大半の故障は電源のON/OFF時に発生したため、Colossusは運用中は電源を入れっぱなしにするという方法で信頼性を維持した。

戦後と機密解除

Colossusプロジェクトは国家機密の最高レベルに指定されていた。終戦後、ウィンストン・チャーチルの特別命令により、ほとんどのColossus本体と関連文書、設計図は破棄された。このため、その存在は長年にわたり公にされず、開発に貢献したトミー・フラワーズらの功績も生前は正当に評価されることがなかった。

情報の機密は1970年代まで保持された。これは、イギリスが第二次世界大戦中に開発した暗号解読技術を秘匿し、同盟国などに販売していた類似の暗号機の信頼性を保つためであったとされる。しかし、通信技術のデジタル化が進むにつれて機密の必要性は薄れ、1970年代後半から徐々に情報が開示され始めた。2000年には、Tunny暗号に関する詳細な技術報告書「General Report on Tunny」が公開された。

この機密のため、Colossusが初期のコンピュータ開発に直接的に与えた影響は限定的であったとされる。多くの初期コンピュータ開発者は、Colossusの存在を知らずに研究を進めた。

復元プロジェクト

長年失われていたColossusであったが、2003年、トニー・セールを中心とするチームがColossus Mark IIの完全動作可能なレプリカを復元するプロジェクトを開始した。破棄されたはずの設計図や技術ノートが奇跡的に現存していたことが復元を可能にした。

復元されたColossusは、ブレッチリー・パーク内の国立コンピューティング博物館に設置された。2007年には、ローレンツ暗号機による暗号文を復元Colossusと現代のPCが解読競争するという「Cipher Challenge」イベントが開催された。このイベントで、復元されたColossusは当時の仕様通りの性能を発揮し、現代のPCには及ばないものの、1940年代の技術としては驚異的な計算能力を持っていたことが改めて確認された。

トニー・セールはこの復元プロジェクトについて、「この素晴らしいマシンが暗号を解読することで戦争を何カ月も短縮した。それを生み出したブレッチリー・パークで働いていた人々にふさわしい賛辞を引き起こしたことを嬉しく思う」とコメントしている。Colossusの復元は、コンピュータ史における重要な空白を埋め、第二次世界大戦における暗号解読者たちの功績を再認識させるものとなった。

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