От ткацкого станка до компьютера: удивительная история перфокарт

Перфокарта, или перфорационная карта, получила свое название от латинского слова «perforo», что означает «пробивать». Она представляет собой картонный лист с отверстиями, которые содержат информацию в виде кода. Сетка отверстий на карте — аналог двоичного кода, который позволяет оператору получить доступ к информации, закодированной на карте.

Во второй половине 20 века перфокарты широко использовались для ввода и хранения данных в автоматизированных системах. Они были незаменимы для обработки информации. Однако с развитием технологий перфокарты постепенно уступили место современным носителям информации: полупроводниковым, оптическим и магнитным носителям.

Сегодня перфорационные карты стали символом прошлого. И хотя их прямое использование устарело, они все равно имеют свое значение в истории информационных технологий. Как же все-таки разработали эту технологию?

12 апреля 1805 года император Наполеон Бонапарт с супругой посетили Лион. Крупнейший в стране центр ткачества в 16-18 веках изрядно пострадал от Революции и пребывал в плачевном состоянии.

Большинство мануфактур разорились, производство стояло, а международный рынок все больше заполнял английский текстиль. Желая поддержать лионских мастеров, в 1804 году Наполеон разместил здесь крупный заказ на сукно, а годом позже прибыл в город лично. В ходе визита император посетил мастерскую некоего Жозефа Жаккара, изобретателя, где императору продемонстрировали удивительную машину. Установленная поверх обыкновенного ткацкого станка громада позвякивала длинной лентой из дырчатых жестяных пластин, а из станка тянулось, накручиваясь на вал, шелковое полотно с изысканнейшим узором. При этом никакого мастера не требовалось: машина работала сама по себе, а обслуживать ее, как объяснили императору, вполне мог даже подмастерье.

Наполеону машина понравилась. Несколькими днями позже он распорядился передать патент Жаккара на ткацкую машину в общественное пользование, самому же изобретателю положить ежегодную пенсию в 3000 франков и право получать небольшое, в 50 франков, отчисление с каждого станка во Франции, на котором стояла его машина. Впрочем, в итоге это отчисление сложилось в весомую сумму — к 1812 году новым приспособлением было оборудовано 18000 ткацких станков, а в 1825-го — уже 30000.

Изобретатель прожил остаток дней в достатке, умер он в 1834 году, а шесть лет спустя благодарные горожане Лиона поставили Жаккару памятник на том самом месте, где когда-то была его мастерская. Жаккарова (или, в старой транскрипции, «жаккардова») машина была важным кирпичиком в фундаменте промышленной революции, не менее важным, чем железная дорога или паровой котел. Но не все в этой истории просто и безоблачно. Например, «благодарные» лионцы, впоследствии почтившие Жаккара памятником, сломали его первый незаконченный станок и несколько раз покушались на его жизнь. Да и машину, если говорить по правде, изобрел вовсе не он.

Для понимания революционной новизны изобретения необходимо в общих чертах представлять принцип работы ткацкого станка. Если рассмотреть ткань, можно увидеть, что она состоит из плотно переплетенных продольных и поперечных нитей. В процессе изготовления продольные нити (основа) протягиваются вдоль станка; половина из них через одну крепятся к рамке-«ремизке», другая половина — к другой такой же рамке. Эти две рамки перемещаются вверх-вниз друг относительно друг друга, разводя нити основы, и в образовавшийся зев туда-сюда снует челнок, тянущий поперечную нить (уток). В результате получается простейшее полотно с нитями, переплетенными через одну. Рамок-ремизок может быть больше двух, и двигаться они могут в сложной последовательности, поднимая или опуская нити группами, отчего на поверхности ткани образуется узор. Но количество рамок все равно невелико, редко когда бывает больше 32, поэтому узор получается простым, регулярно повторяющимся.

На жаккардовом станке рамок нет вообще. Каждая нить может перемещаться отдельно от других с помощью цепляющего ее стержня с кольцом. Поэтому на полотне можно выткать узор любой степени сложности, даже картину. Последовательность движения нитей задается с помощью длинной зацикленной ленты перфокарт, каждая карта соответствует одному проходу челнока. Карта прижимается к «считывающим» проволочным щупам, часть из них уходит в отверстия и остается неподвижной, остальные утапливаются картой вниз. Щупы связаны со стержнями, управляющими движением нитей.

Сложноузорчатые холсты умели ткать и до Жаккара, но это было по силам только лучшим мастерам, и работа была адская. Внутрь станка забирался работник-дергальщик и по команде мастера вручную поднимал или опускал отдельные нити основы, количество которых иногда исчислялось сотнями. Процесс был очень медленным, требовал постоянно сосредоточенного внимания, и неизбежно случались ошибки. Кроме того, переоснащение станка с одного сложноузорчатого холста на другую работу растягивалось иногда на многие дни. Станок Жаккара делал работу быстро, без ошибок — и сам. Единственным трудным делом теперь было набивать перфокарты. На производство одного комплекта уходили недели, зато однажды изготовленные карты могли использоваться снова и снова.

Как уже говорилось, «умный станок» придумал не Жаккар — он лишь доработал изобретения своих предшественников. В 1725 году, за четверть века до рождения Жозефа Жаккара, первое подобное устройство создал лионский ткач Базиль Бушон. Станок Бушона управлялся перфорированной бумажной лентой, где каждому проходу челнока соответствовал один ряд отверстий. Однако отверстий было мало, поэтому устройство меняло положение лишь небольшого числа отдельных нитей.

Следующего изобретателя, пытавшегося усовершенствовать ткацкий станок, звали Жан-Батист Фалькон. Он заменил ленту небольшими листами картона, связанными за углы в цепь; на каждом листе отверстия располагались уже в несколько рядов и могли управлять большим числом нитей. Станок Фалькона оказался успешнее предыдущего, и хотя он не получил широкого распространения, в течение жизни мастер успел продать около 40 экземпляров.

Третьим, кто взялся доводить ткацкий станок до ума, был изобретатель Жак де Вокансон, который в 1741 году был назначен инспектором шелкоткацких мануфактур. Вокансон работал над своей машиной много лет, однако его изобретение не имело успеха: слишком сложное и дорогое в изготовлении устройство по-прежнему могло управлять относительно небольшим числом нитей, и ткань с незамысловатым узором не окупала стоимости оборудования.

Жозеф Мари Жаккар родился в 1752 году в предместье Лиона в семье потомственных канутов — ткачей, работавших с шелком. Он был обучен всем премудростям ремесла, помогал отцу в мастерской и после смерти родителя унаследовал дело, однако ткачеством занялся далеко не сразу. Жозеф успел сменить множество профессий, был судим за долги, женился, а после осады Лиона ушел солдатом с революционной армией, взяв с собой шестнадцатилетнего сына. И лишь после того как сын погиб в одном из сражений, Жаккар решил вернуться к фамильному делу.

Он возвратился в Лион и открыл ткацкую мастерскую. Однако бизнес был не слишком успешен, и Жаккар увлекся изобретательством. Он решил сделать машину, которая превзошла бы творения Бушона и Фалькона, была бы достаточно простой и дешевой и при этом могла делать шелковое полотно, не уступающее по качеству сотканному вручную. Поначалу конструкции, выходившие из-под его рук, были не слишком удачными. Первая машина Жаккара, которая заработала как надо, делала не шелк, а... рыбацкие сети. В газете он прочел, что английское Королевское общество поддержки искусств объявило конкурс на изготовление такого приспособления.

Награду от британцев он так и не получил, однако его детищем заинтересовались во Франции и даже пригласили на промышленную выставку в Париж. Это была знаковая поездка. Во-первых, на Жаккара обратили внимание, он обзавелся нужными связями и даже раздобыл денег на дальнейшие изыскания, а во-вторых, он посетил Музей искусств и ремесел, где стоял ткацкий станок Жака де Вокансона. Жаккар увидел его, и недостающие детали встали на свои места в его воображении: он понял, как должна работать его машина.

Своими разработками Жаккар привлек к себе внимание не только парижских академиков. Лионские ткачи быстро смекнули, какую угрозу таит в себе новое изобретение. В Лионе, население которого к началу XIX века едва ли насчитывало 100000, в ткацкой промышленности работало более 30000 человек — то есть каждый третий житель города был если не мастером, то работником или подмастерьем при ткацкой мастерской. Попытка упростить процесс изготовления тканей лишила бы многих работы.

В итоге одним прекрасным утром в мастерскую Жаккара пришла толпа и сломала все то, что он строил. Самому изобретателю строго наказали оставить недоброе и заняться ремеслом, по примеру покойного отца. Вопреки увещеваниям братьев по цеху Жаккар не бросил своих изысканий, однако теперь ему приходилось работать скрытно, и следующую машину он закончил только к 1804 году. Жаккар получил патент и даже медаль, однако самостоятельно торговать «умными» станками остерегся и по совету негоцианта Габриэля Детилле нижайше просил императора передать изобретение в общественную собственность города Лиона. Император удовлетворил просьбу, а изобретателя наградил. Окончание истории вам известно.

Сам принцип жаккардовой машины — возможность менять последовательность работы станка, загружая в него новые карты — был революционным. Сейчас мы называем это словом «программирование». Очередность действий для жаккардовой машины задавалась двоичной последовательностью: есть отверстие — нет отверстия.

Вскоре после того как жаккардова машина получила широкое распространение, перфорированные карты (а также перфорированные ленты и диски) стали применять в разнообразных устройствах.

Но, пожалуй, самое известное из таких изобретений и самое знаковое на пути от ткацкого станка к компьютеру — это «аналитическая машина» Чарльза Бэббиджа. В 1834 году Бэббидж, математик, вдохновленный опытом Жаккара с перфокартами, начал работу над автоматическим устройством для выполнения широкого спектра математических задач. До этого он имел неудачный опыт постройки «разностной машины», громоздкого 14-тонного чудовища, заполненного шестеренками; принцип обработки цифровых данных с помощью шестеренок использовался со времен Паскаля, и вот теперь на смену им должны были прийти перфокарты.

В аналитической машине присутствовало все, что есть в современном компьютере: процессор для выполнения математических операций («мельница»), память («склад»), где хранились значения переменных и промежуточные результаты операций, было центральное управляющее устройство, которое также выполняло функции ввода-вывода. В аналитической машине должны были использоваться перфокарты двух типов: большого формата, для хранения чисел, и поменьше — программные. Бэббидж работал над своим изобретением 17 лет, но так и не смог его закончить — не хватило денег. Действующую модель «аналитической машины» Бэббиджа построили только в 1906 году, поэтому непосредственным предшественником компьютеров стала не она, а устройства, называемые табуляторами.

Табулятор — это машина для обработки больших объемов статистической информации, текстовой и цифровой; информация вводилась в табулятор при помощи огромного количества перфокарт. Первые табуляторы были разработаны и созданы для нужд американского офиса переписи населения, но вскоре их использовали уже для решения самых разных задач. С самого начала одним из лидеров в этой сфере стала компания Германа Холлерита, человека, который изобрел и изготовил в 1890 году первую электронную табулирующую машину. В 1924 году компания Холлерита была переименована в IBM.

Когда на смену табуляторам пришли первые ЭВМ, принцип управления с помощью перфокарт сохранился и здесь. Куда удобнее было загружать в машину данные и программы с помощью карточек, нежели переключая многочисленные тумблеры. Кое-где перфокарты используются и по сей день. Таким образом, почти 200 лет главным языком, на котором человек общался с «умными» машинами, оставался язык перфокарт.

Изобретение Холлерита, похожее на пианино с циферблатами, было использовано для считывания данных с перфокарт. Когда карту вставляли в устройство, специальные проводники опускались в емкость с ртутью через дырочки в карте, создавая импульс, — затем он засчитывался машиной. Это устройство содержало 40 циферблатов с сотнями делений, что позволяло считать единицы, сотни, тысячи и так далее.

В результате машина смогла обработать данные более чем за три месяца, что гораздо меньше, чем при ручном труде. Это привело к существенной экономии времени и денег для правительства США, — вклад оценивается примерно в 5 миллионов долларов.

Основные параметры карточек (1928 год, «формат IBM»):

Уголки карты изначально были острыми, но в 1964 году их заменили на закругленные. Печатные данные размещались на 12 строках в 80 колонках.

В Советском Союзе продолжали использовать карты с острыми уголками. Большое количество оборудования использовало перфокарты в качестве носителя информации. Один гигабайт информации, закодированный на перфокарте, весил около 22 тонн — это число без учета массы, уходившей при пробивании отверстий.

В прошлом столетии выпускалось большое количество различного оборудования, использующего перфокарты. Это включало в себя машины по вводу данных, подготовке информации, расшифроночные устройства, раскладочно-подборочные машины и другое

Перфокарта использовалась в двух режимах: двоичном и текстовом. В первом режиме каждая ячейка рассматривалась как бит со значениями 0 или 1, что позволяло использовать любые сочетания пробивок. На одной строке перфокарты вмещалось два машинных слова, а всего на карте можно было разместить 24 слова.

Текстовый режим работал по-другому. Здесь каждый столбец обозначал один символ, что позволяло разместить 80 символов на карте. Цифры кодировались просто: пробивалось место на карте, где находилась цифра. Буквы и другие символы требовали несколько отверстий в одном столбце. И если пробивок не было, то это обозначало пробел.

Система IBM/360 упростила работу с текстовыми данными, позволяя сразу кодировать значения пробивок для всех 256 значений одного байта. Это позволяло вносить как текстовые, так и двоичные данные на перфокарту. Для удобства работы человека по краю карты наносились читаемые символы, чтобы было легче ориентироваться.

Интересно, что перфокарты были использованы для программирования компьютеров, управляющих космическим кораблем «Аполлон», — именно он высадил людей на Луну. NASA использовала перфокарты как носители данных для передачи и хранения информации. Важные задачи, связанные с программированием управляющего компьютера проекта, были зафиксированы на этих картонных носителях.

С начала 70-х годов прошлого века применение карт постепенно сместилось к использованию их лишь в качестве средства хранения информации. Преимуществом карт стало удобство выполнения разнообразных операций с данными: удаление, добавление, замена и другие. Эти манипуляции можно сравнить с функционалом, предоставляемым современными текстовыми редакторами. Даже в 21 веке перфокарты продолжают использоваться в некоторых компаниях. Например, в 2011 году американская фирма Cardamation активно занималась производством перфокарт и соответствующих устройств для работы с ними.

Перфокарты были первыми носителями данных, с помощью которых можно было решать сложные задачи и даже отправлять людей на Луну. Но почему их больше не используют?

Попытки заменить бумагу на металл также не увенчались успехом, так как карты становились слишком толстыми и тяжелыми. А учитывая, что на одной перфокарте помещалось всего 80 байт информации, можно представить, сколько таких носителей и какой вес имеется, например, для игры GTA 5. В результате перфокарты были заменены магнитными лентами, которые также не просуществовали долго.

Сегодня вязание с использованием перфокарт остается востребованным, так же как и жаккардовый узор. Этот метод применяется и в автоматизированных ткацких устройствах. Несмотря на то, что современные машины более продуктивные, миниатюрные и компактные, чем первая жаккардова машина, основной принцип использования перфокарт остается прежним. Мастерица выбирает карточку с интересным узором или самостоятельно создает его на чистой карте, а затем вставляет ее в машину. Затем устройство провязывает узор на ткани в соответствии с отверстиями и отсутствием отверстий на карте.

Материалы для сдачи теоретического экзамена в автошколе часто представляют собой перфокарты ПДД категории В. Это обычные экзаменационные карточки, на которых напечатаны различные задания. На каждой находится таблица с вариантами ответов, а будущий водитель должен оставить отметку — «пробить» (перфорировать) в соответствии с правильным ответом.

В школах также можно встретить перфокарты на уроках русского языка и математики. Они используются для проведения самостоятельных заданий, требующих дополнительного взаимодействия ученика. Например, ребенку можно предложить заполнить пропущенные символы на карточке, используя собственные знания.

Кроме того, перфокарты в учебных заведениях могут использоваться для творческих заданий. Вместо простого «пробивания» отверстий ученику могут предложить изобразить что-то в отверстии, начертить или обвести. Это способствует развитию творческого мышления и дает ученику возможность проявить свои навыки.