История перфокарт: от гомеоскопа до диска-многоножки

Компьютер воспринимает всю информацию в двоичном виде. Упрощённо это работает так: есть напряжение — единица, нет — ноль. Представьте себе простейшее устройство для ввода информации в компьютер — проводок и металлическую пластинку. Проводок касается пластинки, возникает импульс, и компьютер понимает, что мы хотим ему что-то сказать.

А теперь сделаем из проводов «щёточку», разобьём пластину на маленькие сектора, возьмём кусок картона, проделаем в нём несколько отверстий и положим между щёточкой и пластинкой. Ура! Теперь информацию можно кодировать. Проводки, расположенные над отверстиями, смогут коснуться пластинки, а остальным помешает картон. То есть те сектора пластинки, которых коснутся проводки, будут единицами, а остальные — нулями.

Именно по такому принципу работали легендарные перфокарты.

Гомеоскоп Корсакова — механический компьютер для поиска лекарств

Считается, что первым начал использовать пластинки с отверстиями для полноценного хранения и кодирования информации русский врач Семён Николаевич Корсаков. До него перфокарты использовались только в ткацких станках Жаккарда — там они управляли нитями и хранили информацию об узоре.

В 1832 году Корсаков представил на суд Академии наук хитроумную машину — гомеоскоп. Идея была в том, что на деревянных дощечках с дырочками кодировалась какая-то информация, например симптомы заболевания и подходящее лекарство.

Чтобы найти нужную информацию, использовалась планка с выдвижными штырьками. Каждый штырёк отвечал на вопрос: «Да или нет?» Например, болит ли у пациента голова. Корсаков при помощи штырьков набирал на планке всю картину болезни пациента, а потом проверял, не совпадут ли штырьки с отверстиями перфокарты гомеоскопа, и находил нужное лекарство.

В современных терминах гомеоскоп можно назвать устройством для анализа этой вашей биг даты, а число элементов массива доходило до нескольких тысяч. Очень круто для XIX века.

Но Корсакову было мало: он не только запилил такую машину, но и описал, как её можно использовать для поиска информации в массивах данных по разным критериям, сравнения записей по разным признакам. Да что там — он даже попытался дать определение алгоритма.

В итоге Корсаков выпустил брошюру о своём изобретении и представил её в Императорскую Академию наук в Санкт-Петербурге. Академики ничего не поняли, изобретение отклонили, сопроводив отказ замечанием: «Г-н Корсаков потратил много разума на то, чтобы научить других обходиться совсем без разума». Так бесславно закончилась первая русская компьютерная революция.

Табулятор Холлерита — машина для подсчёта данных переписи

Эпоха перфокарт началась в 1890 году, когда американец Герман Холлерит придумал и построил действующую машину для подсчёта результатов переписи населения США.

По американским законам перепись населения должна проводиться каждые 10 лет. Это делается для того, чтобы правильно рассчитывать размеры налогов. И в XIX веке ручная обработка результатов длилась почти до начала следующей переписи.

К 1890 году правительство США поняло, что обрабатывать результаты вручную долго, дорого и ненадёжно. Поэтому оно объявило конкурс на создание машины, которая упростила бы этот процесс. Конкурс выиграл молодой инженер Герман Холлерит, который придумал методику записи данных респондентов на перфокартах.

Идея была в том, что ответ на каждый вопрос переписи — о поле, возрасте, вероисповедании — можно записать в виде отверстия на карточке с таблицей. Например, если человека спрашивали о семейном положении, то дырочка обозначала «в браке», а её отсутствие — «свободен/свободна».

Холлерит вдохновился опытом американских железных дорог: в то время билеты часто перепродавали или отдавали другим людям, и проверка документов ничего не давала — их было легко подделать. Поэтому железнодорожники решили записывать закодированное словесное описание пассажира прямо на билете: пол, примерный возраст, рост, цвет кожи, цвет волос и даже различные особые приметы.

В специальных местах на билете пробивались дырочки, а проводники умели считывать и расшифровывать эту информацию. Конечно, пассажиры эти коды не знали :) Назвали такое ноу-хау перфорированной фотографией.

Холлерит узнал об этой системе и очень заинтересовался. Он решил использовать карточки с 12 строками и 24 столбцами.

Дополнительно Холлерит сконструировал специальный перфоратор, который помогал сборщикам информации очень быстро заполнять таблицы.

Сама же машина для считывания информации больше всего напоминала пианино с циферблатами часов. К ней прилагался специальный ящичек, куда вставлялась перфокарта. Подпружиненные проводники через отверстие в перфокарте опускались в колбу с ртутью, происходил импульс, и машина засчитывала ответ. В этом «пианино» было 40 циферблатов со 100 делениями. Первый считал единицы, второй сотни, третий десятки тысяч — и так далее.

Благодаря Холлериту подсчёты результатов очередной переписи населения США заняли всего 3 месяца вместо 10 лет и сэкономили около 5 миллионов долларов (почти 150 миллионов в современных деньгах).

Эпоха IBM

Холлерит всю жизнь совершенствовал свою машину. Например, разработал устройство для автоматической подачи карточек, научил машину не только считывать единицы, но и производить простейшие арифметические действия.

В начале XX века машины Холлерита пользовались огромным спросом у бухгалтеров. Их даже начали называть бухгалтерскими машинами. Со временем Холлерит создал собственную компанию, которая несколько раз сменила название и в 1924 году стала называться… IBM. Да, легендарный голубой гигант родился из перфокарт!

В первые годы существования перфокарт появилось множество разных форматов с разным количеством строк и столбцов. Но к концу 1920-х годов стало понятно, что без единого стандарта не обойтись. И IBM разработала такой стандарт: 80 столбцов, 10 строк и прямоугольные отверстия — так на карточку входило больше информации.

Этот формат почти не менялся на протяжении всей последующей истории перфокарт. Разве что в 1960-е годы в Америке начали выпускать перфокарты с закруглёнными углами, а вот в Советском Союзе они так и оставались прямоугольными до самого конца.

В послевоенные годы в западном мире перфокарты были везде: на них печатали квитанции, банковские товарные чеки, любые бухгалтерские документы. Появились даже продвинутые бухгалтерские машины — табуляторы на перфокартах. Они умели сортировать карты, считывать по несколько штук в минуту, сравнивать между собой по разным признакам, производить арифметические действия и печатать результат на новых перфокартах.

Да, такие машины нельзя назвать компьютерами — их невозможно было программировать, — зато они просто космически упрощали документооборот на предприятиях. Их так полюбили, что некоторые из них продолжали использовать в работе даже в начале XXI века — в эпоху компьютеров, — хотя с производства сняли ещё в 1970-х.

Для пробивки перфокарт использовали специальные устройства — перфораторы. Первые перфораторы были ручными и больше всего напоминали обычный дырокол. Потом они усложнились и превратились во что-то вроде пишущей машинки.

Оператор набирал символ на клавиатуре, машина кодировала его и пробивала отверстия в перфокартах. IBM даже выпустила карманные перфораторы для ведения учёта в полевых условиях. По размеру и форме такие устройства напоминали современный планшет.

В 1960–1970-х во всём мире перфокарты выпускались миллионными тиражами каждый день. Абсолютным лидером производства была компания IBM. Она вообще была бы единственным игроком на рынке, но правительство США потребовало разделить бизнес так, чтобы на материнскую компанию IBM приходилось не более 50% производства.

Перфокарты и компьютеры

В первые десятилетия своего существования компьютеры тоже работали на перфокартах. На них набивали программы и хранили информацию. Каждая карта была одной строкой кода из 80 символов. Каждая колонка содержала один символ, причём цифры кодировались одной пробивкой в колонке, а буквы и другие символы — несколькими.

Чтобы не запутаться, в верхней части перфокарты обычно печатали набранный текст в человекочитаемом виде.

Текст на перфокарты можно было вводить двумя способами: с помощью нулей и единиц и буквами, когда каждый столбец обозначает один символ. Чаще всего использовали именно второй вариант.

Перфокарты в стопке можно было сортировать, менять местами, удалять и добавлять новые. Это было очень удобно — таким образом можно было регулировать последовательность команд в программе. По сути, перфокарты работали как современный текстовый редактор.

Формат перфокарт оказал огромное влияние на развитие компьютеров. Если вы зайдёте в BIOS или винда выкинет вам BSoD, синий экран смерти, посчитайте количество символов в строке — их там будет 80. А всё потому, что на одну перфокарту помещалось как раз 80 символов.

Смерть перфокарт и жёсткий диск — многоножка

Перфокарты были хороши всем, кроме вместимости. 80 символов — это очень мало. Гигабайт информации на перфокартах весил бы 22 тонны. Поэтому, когда появились магнитные ленты, а за ними и оптические диски, перфокарты ушли в небытие. Хотя продержались они невероятно долго — даже в 2011 году в США существовала компания Cardamation, занимавшаяся выпуском перфокарт.

Но и IBM не сдавалась и пыталась возродить перфокарты — уже в XXI веке. Инженеры компании хотели создать запоминающее устройство с ёмкостью жёсткого диска, но работающее со скоростью ОЗУ. Такой попыткой стал проект Millipede (англ. многоножка).

Оперативная память современных компьютеров (DRAM) основана на конденсаторах, которые могут быть заряженными или незаряженными. Каждый конденсатор содержит один бит информации, а компьютер умеет считывать и записывать данные одновременно из множества ячеек — блоков.

В жёстком диске всё иначе — там данные хранятся на магнитных пластинах. Головка жёсткого диска умеет считывать только одну ячейку за раз, то есть ей приходится ждать, пока запрошенная ячейка окажется под ней. В результате жёсткие диски работают в сотни тысяч раз медленнее, чем оперативная память. Зато физический размер ячейки на жёстком диске намного меньше, чем в оперативной памяти, то есть на квадратный сантиметр жёсткого диска помещается намного больше информации.

В начале 2000-х IBM пыталась создать носитель информации, который объединял бы преимущества обоих дисков. Это была наноперфокарта. На специальный термополимер крошечной иглой наносились микроскопические отверстия. На один квадратный миллиметр полимера могло войти 128 мегабайт информации. Устройство не только могло проделывать отверстия в пластике, но и «заделывать» их. Для считывания использовалось множество датчиков. На первых макетах они выглядели как ноги многоножки, отсюда и название.

В 2005 году эта технология выглядела очень перспективной. Millipede потребляла гораздо меньше энергии, чем обычный жёсткий диск, вмещала больше информации и работала быстрее. Но технологии развивались быстро и появились флешки, которые оказались куда лучше и работали быстрее. В итоге Millipede устарела ещё до того, как поступила в продажу.

Проект закрыли, и эпоха перфокарт, кажется, закончилась навсегда.