Начнём с определения. Перфорированная карта (перфокарта) — носитель информации в виде листа из плотной бумаги (или другого материала), на котором данные записаны при помощи отверстий, пробитых в определённых местах. Хотя в современных компьютерах перфокарты уже не применяются, их по-прежнему используют в вязальных машинах, где они так и называются — «вязальные перфокарты». Кто и когда их создал и какие задачи они помогали решить?
Заря перфокарт: причём тут ткацкие станки?
В 1851 году в Лондоне проходила первая Всемирная выставка, на которой демонстрировались достижения науки, промышленности и искусства. Много внимания на выставке было уделено тканям. Среди них особенно выделялись превосходные образцы шёлковой парчи со сложными многоцветными узорами.
Образцы парчи из каталога Всемирной выставки 1851 года. Источник: archive.org
Ткачество — одно из древнейших изобретений человечества. Первые археологические свидетельства о нём относятся к палеолиту — 27 тысяч лет до н. э. Создать простое полотно несложно, а вот цветные узорчатые ткани требуют гораздо больших усилий и времени, из-за того что нити разных цветов необходимо располагать в строго определённом порядке.
В 1725 году француз Базиль Боашон (или Бушон) попытался упростить процесс ткачества. Ни портрет Боашона, ни даже годы его жизни до нас не дошли. О нём известно лишь то, что он жил в Лионе и, по-видимому, разбирался как в механике, так и в ткацком деле. Для создания рисунка на ткани Боашон предложил использовать бесконечную бумажную ленту, в определённых местах которой были проколоты отверстия. В зависимости от положения отверстий нити разных цветов вплетались в основу полотна так, что получался рисунок.
Ткацкий станок Боашона с перфорированной лентой. Источник: The History and Principles of Weaving by Hand and by Power
При этом станок Боашона был полуавтоматическим: ткач выполнял все операции, кроме выбора нужных нитей. Тем не менее, это был первый станок с программным управлением.
У станка Боашона было несколько существенных недостатков, которые помешали его распространению. Во-первых, он мог работать с очень ограниченным числом нитей, а значит, с его помощью можно было создавать только простые узоры. Во-вторых, бесконечная перфорированная лента легко рвалась. В 1728 году другой француз, Жан-Батист Фалькон, решил эту проблему: он разделил ленту на отдельные карты из бумаги или дерева, связанные между собой. Теперь, если карта рвалась, её можно было легко заменить.
Ткацкий станок Фалькона с перфорированными картами. Источник: Project Gutenberg
Некоторые историки указывают, что Фалькон был подмастерьем или учеником Боашона. Как бы то ни было, Фалькон оказался более предприимчивым человеком: местные власти выплатили ему более 50 тысяч ливров за усовершенствование ткацкого станка, а сами станки использовались даже в XIX веке. Но широкого распространения они не имели — видимо, сказались сложность механизма и скрытность Фалькона, не желавшего раскрывать свою конструкцию конкурентам.
В XVIII веке были предприняты ещё несколько попыток, чтобы создать автоматический ткацкий станок. Например, знаменитый механик Вокансон в своём станке использовал большой лист бумаги с отверстиями, обёрнутый вокруг металлического цилиндра. Однако изобретателем, на долю которого выпал самый большой успех, стал Жозеф-Мари Шарль Жаккар (1752–1834).
Как Жаккар переосмыслил ткацкий станок
Жаккар (в старой транскрипции — Жаккард) родился в семье ткача. За свою жизнь он успел попробовать профессии ткача, переплётчика книг, литейщика, занимался спекуляциями с недвижимостью, разорился и наконец стал изобретателем. Жаккар создал несколько ткацких станков, которые, однако, были ещё несовершенны. В 1803 году, работая в парижской Консерватории искусств и ремёсел, Жаккар познакомился с конструкцией станка Вокансона. Используя его наработки, Жаккар смог довести до ума свой станок, который автоматически сплетал нити в многоцветную узорчатую ткань.
Портрет Жаккара, вытканный на жаккардовом станке. Это изображение является одним из первых примеров цифровой графики — для его создания полотно художника Жана-Клода Боннефона понадобилось закодировать в виде отверстий на 24 тысячах перфокарт. Источник: Science Museum Group
В 1805 году Наполеон и Жозефина побывали в Лионе, где увидели работу нового станка Жаккара. После этого император передал права на станок городу Лиону, а Жаккару назначил ежегодную пенсию в три тысячи франков и выплату за каждый проданный станок. Поначалу ткачи враждебно восприняли новинку, которая, как они считали, лишала их работы. Однако преимущества станка Жаккара были очевидны. Вскоре фабрики с жаккардовыми станками появились во многих странах.
Перфокарта для станка Жаккара 1990-х (!) годов. Источник: Museum of Obsolete Media
В 1851 году жаккардовые станки и ткани уже были хорошо известны. Поэтому неудивительно, что на Всемирную выставку попали лучшие образцы парчи. Каталог сообщает, что для её производства понадобилось не менее 30 тысяч перфокарт. Также на выставке были представлены и станки, действующие по принципу Жаккара, среди которых выделялся большой станок фирмы Taylor & Son из Галифакса.
Жаккардовый станок фирмы Taylor & Son из каталога Всемирной выставки 1851 года. Позади видны многочисленные перфокарты, соединённые между собой. Источник: archive.org
Бэббидж и его аналитическая машина
Выставку 1851 года посетили более шести миллионов человек. Среди них несомненно был английский учёный Чарльз Бэббидж (1791–1871) — ведь он посвятил выставке одну из своих книг. Бэббидж — слишком многоплановая фигура, чтобы уместиться в рамках нашей статьи, поэтому опустим его достижения в области математики, статистики, экономики, механики и других отраслях знаний. Здесь мы сосредоточимся на работе учёного с перфокартами.
О молодости Бэббиджа рассказывают следующую историю. В 1821 году Бэббидж со своим другом Джоном Гершелем (сыном астронома, открывшего Уран) проверяли правильность логарифмических таблиц. Это занятие было чрезвычайно монотонными и утомительными. Устав, Бэббидж в сердцах воскликнул: «Хотел бы я, чтобы эти расчёты можно было производить силой пара». Это мимоходом брошенное замечание определило его судьбу.
Чарльз Бэббидж. Гравюра Джона Линнелла, 1833 год. Источник: Wikimedia
Уже в 1822 году Бэббидж демонстрирует Королевскому астрономическому обществу модель вычислительной машины, которую она конструировал с 1819 года. На протяжении десяти лет он пытается построить полноценную вычислительную машину, работающую по методу разностей. Эта машина уже имела заранее заданную программу и была автоматической — однако программа была заложена в саму конструкцию и не могла меняться.
В начале 1830-х годов работа над этой разностной машиной по ряду причин прерывается, а Бэббидж уже разрабатывает новый проект — аналитическую машину. По его замыслу, она должна состоять из двух частей: «склада» — блока памяти и «фабрики» — вычислительного блока. Машина должна совершать все действия арифметики над любыми числами, то есть быть программируемой. Для ввода данных используются перфокарты трёх типов — операционных (для программирования), переменных и числовых (для ввода чисел в память).
Чертёж одной из частей аналитической машины Бэббиджа, 1857 год. Слева внизу можно разглядеть перфокарту, которая находится в считывающем устройстве. Источник: Science Museum Group
Способ ввода информации при помощи перфокарт был вдохновлён работой Жаккара. Ада Лавлейс, коллега Бэббиджа и соавтор первых в истории компьютерных программ, заметила, что «аналитическая машина ткёт алгебраические формулы точно так же, как станок Жаккара ткёт цветы и листья». Сегодня историки признают аналитическую машину первым в истории проектом компьютера. Увы, проект так и остался на бумаге, хотя Бэббидж потратил на него остаток своей жизни.
В 1840 году итальянский астроном и математик Джованни Плана пригласил Бэббиджа в Турин для участия в научном конгрессе. Бэббидж приехал, обсудил с итальянскими учёными свои идеи и уехал, оставив множество материалов, которые теперь хранятся в Туринской академии наук. Среди них — образцы перфокарт для аналитической машины.
Образцы карт Бэббиджа, хранящиеся в Турине. Операционная карта. Над отверстиями — названия арифметических операций. Источник: Flickr
Образцы карт Бэббиджа, хранящиеся в Турине. Числовая карта, содержащая запись числа π. Источник: Flickr
Во второй части истории перфокарт мы узнаем, как они повлияли на появление первых баз данных и — далее — компьютеров.
Источники
- Колесников Е. А. Перфокарты. Технико-исторические заметки. СПб.: «Реноме», 2016. URL: http://kolesnikov.net/Kolesnikov2016.pdf (дата обращения 10.08.2024).
- Шилов В. В. На пути к искусственному интеллекту. Логические машины и их создатели. М.: ЛЕНАНД, 2019.
- Heide L. Punched-Card Systems and the Early Information Explosion, 1880–1945. Johns Hopkins University Press, 2009. URL: https://muse.jhu.edu/book/3454 (дата обращения 10.08.2024).
- Truesdell L. E. The Development of Punch Card Tabulation in the Bureau of the Census, 1890–1940. Washington, 1965. URL: https://books.google.ru/books?id=MGZqAAAAMAAJ&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false (дата обращения 10.08.2024).
