英國Pico ADC-212 示波器在布萊奇利公園巨型計算機還原項目中的運用案例

英國的秘密武器

位于倫敦西北部50里的布萊奇利公園是曾經是二戰期間的密碼破譯中心(別名 X站). 正是在這里,一群天才數學家(包括阿蘭.圖靈Alan Turing)組成的特別行動小組破解希特勒和他的高級統帥部使用的德國英格碼和其他更復雜的代碼.

戰爭期間，在布萊切利公園工作的人數增加到了一個高點，成千上萬的人在晝夜不停的譯碼和進行信息分析。盡管有眾多的人參與，但是德國最高指揮部卻完全沒有發現他們的安全正受到威脅，反而堅信他們的密碼堅不可摧。

密碼的成功破譯是盟國獲勝的其中一個關鍵因素，許多歷史學家確信他縮短了戰爭達2年之多，并且挽救了成千上萬的生命。

戰后，公園內所有的蹤跡都被毀滅了。這成為了布萊切利公園的一種保密文化，沒有人討論過一句關于開始到70年代中期的事情。就算是到了今天，許多在那工作的人也都不會輕易談論這件事。

戰爭期間，在布萊切利公園，許多精巧的輔助設備和機器都被開發出來應用于密碼的破解，其中有一件就是世界上第一臺計算機——巨型計算機。

 （許多年后，發明了世界上第一臺計算機的這個榮譽給了美國人——埃尼阿克。盡管如此，在最近的幾年英國與美國政府都公開了許多與巨型計算機相關的秘密信息。鑒于此，歷史學家們都被迫去考究巨型計算機是世界第一臺計算機這件事情，現在大部分都承認了這一事實。）

德國密碼

二戰期間，德國依賴于密碼機來傳送情報. 密碼首次被破譯是在波蘭的戰爭上，隨后陸續在布萊切利的許多戰役上被破解了。（基于哈里斯編著的《密碼》一書，一部由米克.賈格出資，由凱特.溫絲蕾主演的電影將在明年上演。）盡管如此，德國軍方高級指揮部并不依賴于密碼機，而是一種基于電傳打印機的復雜系統，采用由洛倫茨公司發明的機器進行傳送.

洛倫茨機是用打印機在上述紙帶上打洞的方式工作的。（32個符號的波特碼），信息是通過原文與一連串由模2加法得出的模糊字符組成的方式進行編碼的（不含布爾運算中的NOR運算）在接收端，信息會再一次通過組合到一連串的模糊字符的方式進行解碼。

如果這些模糊字符是隨即產生的，那么這些密碼將不可能被破譯。但是非常幸運的是，這些字符是在一個旋轉的輪子上產生的，所以這些字符其實都是連續重復的。如果這些字符能夠被拆分開來，那么密碼就被破解了。

在布萊切利，約翰旅長和劍橋大學畢業生比爾利用德國無線電話務員的漏洞重組這些隨機的字符串并且發現了洛倫茨機是如何工作的。在1942年，這項工作完成后，多利斯希爾郵局實驗室被要求建立一臺仿制洛倫茨機工作原理的機器。（而在這個時候他們連洛倫茨機的圖片都還沒見過）。有了這臺機器（名叫“金槍魚”）后密碼迎刃而解. 最后的問題在于時間，這種工作是非常耗費勞力的，以至于經常要花費上星期上月的時間去破解一條信息，待密碼被破解后，最后所得到的信息已經沒用了。

巨型計算機的歷史簡介

馬科斯 紐曼，著名的數學家發明了一種自動尋找洛倫茨機設置的方法。其中與兩圈的紙帶有關。第一圈包含了需要譯解的信息，第二圈包含了隨機的字符串。該方法是這樣的，在包含需要譯解信息的第一圈紙帶從機器出來時，第二圈紙帶馬上在相應位置出現。用這種方法每一種可能的機器設置都會被檢測并標記下來。次數最多的那個設置就是“金槍魚”破解密碼所需要的。

馬文電信研究所研發了一臺機器去實現這種方法。這臺機器是基于機械繼電器的，并被命名為“羅賓遜”。盡管羅賓遜可以工作了，但是卻并不可靠。尤其是機械的讀帶機本身就存在難以在1000個字符每秒鐘的工作速度下同時讀取兩圈紙帶的問題。

與羅賓遜一同研究相關解決方案的紐曼與湯米弗勞爾取得了聯系。湯米弗勞爾是一名天才電子工程師，工作于多利斯希爾郵電局

他創新性的解決了羅賓遜機器的相關問題。不用紙帶，弗勞爾把這些重復的字符串存儲到了一個巨大的電子閥門陣列中。這不僅解決了雙圈紙帶的問題，也解決了同步的問題。閥門在數字電子開關上的應用是突破性的一步，他大大加快了機器的工作速度，取代了機械繼電器（在模擬信號放大的應用上，閥門在當時卻被認為是一種非常不可靠的零部件）

巨型計算機在1943年3月開始設計，并且在1944年1月首次在不萊斯利公園投入使用。巨型號計算機馬上取得了成功，他能在數小時內就把德方高級密碼給破解了。這給大規模進攻開始日提供了巨大的幫助。巨型號的進一步設計驚人的使得其具有更加快速的工作速度，當今奔騰電腦在破解同樣密碼任務的速度比他還要慢1倍。

10臺巨型計算機建立了，在剩下的戰爭期間，巨型計算機的設計得到了飛速的提升。這些機器被用于破解成千上萬的攔截信息，這給盟軍的最終勝利做出了巨大的貢獻。

在戰爭結束時，為了保護這些秘密，10臺巨型計算機被拆毀，所有相關的技術圖表都被燒毀。巨型計算機的存在這個秘密被掩埋了將近30年。

巨型計算機重建工程

前面已經提到過，關于在布萊切利所發生的事情在70年代的時候就已經開始曝光。90年代初期就發生了一場挽救布萊切利公園里是遺產的運動。其中的一名叫托尼肖爾參與者，第一個成為了布萊切利公園博物館的管理者。（他在英國情報局保安處工作了多年，有一段時期是作為彼得賴特的技術助手，擁有著“捕諜者”的稱號。）

1993年，托尼肖爾收集了所有關于巨型號的資料，其中包括了一些戰時的照片，機器線路圖殘片和一些對幸存設計工程師的采訪。帶著這些資料，他決定重建一臺巨型計算機。

1994年，重建計劃在布萊切利公園開展，地點是原巨型號9計算機所在的地方。1996年6月，托尼肖爾和他的團隊正式開始動工。（盡管只是進行2位字符水平的研究）, 1996年6月6日，啟動儀式由英國特郡公爵主持，出席者中還包括了原巨型號設計者湯米弗勞爾教授,

這項工作一直延續到今天，在博物館開放日我們可以看到工程的進展情況（請看最后的鏈接）

讀者若需要獲得更多關于重建計劃的資料， Tony Sale has an excellent website.

Pico示波器和光帶閱讀器

巨型號的先驅——“羅賓遜”，首先遇到的問題是磁帶閱讀器。這種機器采用的是傳統的讀機方法，通過以磁帶中間的一排帶孔為基準讀取磁帶信息。這種方法限制了機器只能具有每秒1000個字符的速度，若超出這個速度，磁帶將會受到損壞。

1942年，阿諾德 林奇設計出了一臺光帶閱讀器，具有每秒5000字符的閱讀速度。采用光電系統不僅可以讀取5位的數據字符，而且可以讀取磁帶上原有的基準帶孔。磁帶中間的這一排帶孔被用作基準脈沖，確保整臺機器的同步工作（現代計算機是采用主時鐘作為同步基準的）。這種系統的優點是磁帶與轉輪的摩擦較小，對設備的工作速度要求并不苛刻。

在重建的巨型號圖片當中我們可以看到，磁帶閱讀器在右方。一道亮光穿透磁帶，并且聚焦在高真空光電管上，一道光是用于讀取數據的每一位字符，另外一道是用于讀取時鐘基準脈沖。這些光電管是原巨型號的組成部分并且因為整個團隊只有剩余的一條，所以顯得異常的珍貴。

在光束照射到光電管前，它已經在通過光掩膜的時候被構造成型了。（光掩膜器被固定在左端木制框板上）。這使得閥門產生的信號均被構造成正方形模型。在光電管后方的黑色磁帶是先進的附加設備，可避免受到上方熒光燈的照射！

布萊切利巨型號重建工程是設立在一間房間里的，房內末端有一扇窗戶供外部參觀所用。非常不幸的是，這使得光電管很難被觀察到，因為它們被安放在房間的兩外一個較遠的角落上。為了讓觀眾能夠了解到磁帶閱讀器的工作，他們決定捕捉相關的光電信號并且把它們顯示在一個PC示波器上。這臺PC示波器能夠彩色顯示從監測器上所獲得的信息，這滿足了幾個人同時查看數據的要求。

當Pico的技術團隊投身于信號的顯示工作時，我想這是一項非常簡單的任務，畢竟我們已經熟練于將示波器與電腦相連接的工作，并且具有比巨型號高上1000倍的速度，當然我們錯了，這項任務所涉及的東西比我們想象的要多。我們起初的想法是把一臺電腦與一臺Picoscope ADC-212示波器設置在公共監視區域，并且把閥門所產生的信號通過一條長導線傳輸到示波器上。但問題是導線上的附帶電容阻礙了閥門的正確工作。為了解決這個問題，Pico的一位技術人員大衛塞班設置了一個較大的輸入電阻以及一個小電容的緩沖放大器。

左端顯示的緩沖放大器從光電二極管上獲取信息并且通過約30英尺的線纜把它們傳送到與電腦相連的示波器上。電源同樣是通過這條線纜反饋到緩沖放大器，進行供電。