Перфокарта: тонкий картон памяти

Одним из первых и самых распространённых до сих пор носителей информации в мире можно считать бумагу: на ней записывали и записывают приказы, печатали и печатают книги, рисовали и рисуют картины. 

Картон, как известно – это вид плотной бумаги. Именно он стал материалом для принципиально нового носителя информации – перфокарты. Перфокарты для вычислительных машин – тех, из которых потом получились наши ноутбуки и смартфоны – были в ходу целое столетие. Рассказываем, для чего они использовались и какова была их судьба. 

Карточки для управления узорами

Перфокарта – носитель информации из тонкого картона, который активно использовался целое столетие – с 1870 по 1970 год. Он предоставлял информацию в виде двоичного кода – тех же единиц и нулей, которые и сейчас зашифровывают все данные в цифровой технике. Только в случае перфокарты единицы и нули были представлены как наличие или отсутствие отверстий в картоне. 

Само слово «перфокарта» образовано из двух латинских корней, которые точно описывают внешний вид носителя – «perforo» означает «пробиваю», а «charta» – лист из папируса, или же бумага. Перфокарта действительно выглядит как прямоугольный лист с отверстиями. 

Ткацкие вычисления

Любопытно, что первоначально перфокарты никакого отношения к сфере информатики и математики в целом не имели – впервые их стали использовать в 1804 году в жаккардовых ткацких станках для того, чтобы выводить сложные узоры на ткани. 

Жаккардовый ткацкий станок можно считать одной из первых машин с программным управлением. В перфокарте была записана информация о верхнем или нижнем положении каждой основной нити, и в итоге на ткани образовывался двусторонний узор. При этом благодаря нововведению в виде перфокарт, которые чётко передавали информацию и не отвлекались в процессе работы – в отличие от людей – Жаккард, изобретатель этого станка, потомок знаменитых лионских ткачей, смог быстро производить сложные ткани с двусторонним узором, где одна сторона являлась негативом другой. 

Узоры были настолько сложными, что для создания узора создавали до тысячи отдельных перфокарточек. Лента из таких носителей информации об узорах могла занимать целый этаж – а подчас и два этажа. Способ записи информаций через отверстия и их отсутствие получил название в честь своего изобретателя – жаккардов принцип. Вскоре этот принцип стали применять в телеграфных приборах, наборных машинах и даже в музыкальных аппаратах. 

Аналитическая машина Бэббиджа

Первым перфокарты для вычислительных процедур применил Чарльз Бэббидж. Он был британским математиком и в 1812 году – когда по всей Европе горел пожар Наполеоновских войн – занимал пост декана кафедры математики в Кембридже. Этот же пост за полтора столетия до него занимал знаменитый Исаак Ньютон. 

Удивительная таблица для астрологических расчётов

Чарльз Бэббидж в 1812 году пытался решить общую для науки того времени проблему – ошибки в логарифмических таблицах. Логарифм – это функция, которая обратна возведению в степень – число, которое показывает, в какую степень нужно возвести число А, чтобы получить число B. В описании выглядит как очередная математическая мало применимая к реальности игра ума – однако же вычисления, где каждое новое значение больше или меньше предыдущего в некоторое количество раз, применяются в самых разных сферах. Например, именно с помощью таких шкал считается активность водородных ионов в химии, вычисляется скорость движения ракеты в ракетостроении ещё со времён Константина Циолковского, а также меняются выдержки и диафрагмы в фотографии.

За два столетия до Бэббиджа шотландский исследователь Джон Непер опубликовал «Описание удивительной таблицы логарифмов», где он описал свою технику вычисления. Разработал он её непосредственно для облегчения своих астрологических расчётов – но нужно понимать, что в те времена астрология и алхимия вполне входили в интересы учёных. Алгоритм вычисления, как выяснилось, был несколько ошибочным, и содержал в себе неверные цифры после шестого знака. Именно эту проблему Чарльз Бэббидж и решил устранить при помощи перфокарт. 

Меняем людей на машины

Бэббидж вспомнил, что французские учёные несколькими годами ранее придумали, как составлять математические таблицы. Они разбивали сложную задачу на несколько простых операций, которые сводились к сложению и вычитанию. Для их выполнения привлекали людей, которые в математике ничего не смыслили, но умели выполнять простые арифметические действия. 

Вы можете надежно сохранить ваш фото и видео архив в разделе Капсулы «Медиа»

Британский математик был в курсе изобретения жаккардового станка и методе управления им. Он решил, что машина вполне может выполнять простые арифметические действия вместо человека и в итоге вычислить правильные логарифмы. Уже через 10 лет он построил рабочую модель, которую кэмбриджское научное сообщество восприняло с энтузиазмом – но которая до ума и так не была доведена, потому что учёный бесконечно вносил в модель всё новые и новые поправки. В 1842 году работы совсем застопорились. 

Прототип компьютера

Работая над машиной для вычисления логарифмов, Чарльз Бэббидж создал следующий механизм – «аналитическую машину». Вместе с «Паскалиной» – механическим вычислительным устройством, изобретённым для вычислений французским учёным Блезом Паскалем – и арифмометром, построенным Лейбницем, эта машина стала прототипом наших быстрых вычислительных машин, от персональных компьютеров до тех, которые запускают ракеты в космос.

Она состояла из трёх частей. «Склад» регистрировал и хранил числа при помощи набора счётчиков. «Фабрика» брала числа из «склада» и совершала с ними операции. Третьей части исследователь названия не дал, но она регулировала последовательность операций, отбирала числа и выдавала результаты вычислений. По сути, так сейчас и работает каждая знакомая нам вычислительная машина. 

О вопросах и перспективах хранения информации читайте в нашей статье «ЦОД на Луне»  

Управление вычислениями, по идее Бэббиджа, производилось как раз при помощи перфокарт. После смерти учёного незаконченный механизм достроил сын Бэббиджа, и теперь машину можно увидеть в Научном музее в Лондоне. Несмотря на то, что в производство эта машина не пошла, современники восприняли идею математика с восторгом. 

Знаменитый Эдгар По, например, задавался риторическими вопросами: «Что же мы должны думать о вычислительной машине Бэббиджа? Что мы должны думать о машине из дерева и металла, которая может не только вычислить астрономические и навигационные таблицы любой заданной протяженности, но и сделать точность своих действий математически достоверной благодаря своей способности исправлять свои возможные ошибки? Что мы должны думать о машине, которая может выполнять не только все это, но и печатать свои сложные результаты, когда они получены, без малейшего вмешательства интеллекта человека?»

Строка из 80 символов

После Бэббиджа перфокарты всё чаще и чаще стали использоваться для передачи информации. Они нашли применение в бухгалтерском учёте, расчёте заработной платы, инвентаризации и даже при переписях населения. Как перфокарты считывались – иными словами, как они передавали записанные на себе данные?

Электромеханическая аппаратура

Первые механизмы отнюдь не были ламповыми. Они состояли из проволочных щёток – те распознавали отверстия в перфокарте, а также из электромеханического реле и механических колёсиков, которые суммировали считанные с карты значения. 

Перфокарта хранила в себе одну запись данных длиной до 80 цифр или других символов. Сортировщик располагал карты в нужном порядке, отбирая их по одному полю данных, и часть механизма под названием «табулятор» считывала эти поля и выдавала отчёт. Несмотря на некоторую примитивность технологии, эти аппараты произвели настоящую революцию в обработке больших данных – той самой Big Data, области знаний, которая сейчас завораживает многих специалистов.

О принципах работы перфокарт и том, как на них записывается информация, в 1986 на студии «Союзвузфильм» был снят научно-познавательный ролик «Механизмы устройств вычислительных систем»  

Формат имеет значение

Разумеется, первоначально перфокарточки не были унифицированы – в разных механизмах использовались различные же размеры. Постепенно общепринятым стал так называемый формат IBM, по названию знаменитого американского производителя аппаратного и программного обеспечения. Вообще эта фирма, основанная ещё в далёком 1824 году, как раз была первой компанией, которая стала массово применять перфокарты – в тот момент, для проходившей в США переписи населения. 

Перфокарта «формата IBM» имела в себе 12 строк и 80 колонок, размер её составлял 187,325 × 82,55 мм. Углы её вначале были острыми, но с 1964 года перфокарты стали выпускать с закруглёнными углами. Длина строк в текстовых режимах кода многих компьютеров до сих пор равняется 80 символам – и это своего рода дань памяти простым картонным носителям информации, которые сейчас, разумеется, уже давно в прошлом. 

О первом настоящем компьютере, где использовались  перфокарты, читайтев в материале «ENIAC 1, или День влюблённых в код» 

Из любопытных фактов – гигабайт информации, представленной в виде набора перфокарт, весил примерно 22 тонны. А в первой ЭВМ в истинном смысле – в знаменитом американском первом компьютере ENIAC, произведении Второй мировой войны – для вычисления одного из сложнейших дифференциальных уравнений о возможности создания и последствиях взрыва водородной бомбы машине потребовалось более миллиона перфокарт. 

Перфокарты были удобным и прогрессивным решением для своего времени. Они помогли предыдущим поколениям сделать множество открытий в информатике, математике, баллистике и даже ракетостроении. Однако эти носители не были надёжными – любой пожар мог уничтожить все данные, а отсутствие считывающего устройства делало сами карточки бесполезными. Сохраните историю своей семьи на надёжнём и доступном носителе – в Цифровой капсуле времени. Эта информация не исчезнет и будет передана вашим потомкам.