A modern digitális világban, ahol gigabájtok és terabájtok repkednek másodpercek alatt, nehéz elképzelni azt az időszakot, amikor az adattárolás és adatfeldolgozás gyerekcipőben járt. Mielőtt a mágnesszalagok, merevlemezek és SSD-k megjelentek volna, két alapvető, mégis forradalmi technológia uralta a terepet: a lyukkártya és a lyukszalag. Ezek az egyszerű, mégis zseniális eszközök fektették le a modern számítástechnika és az automatizált adatkezelés alapjait.
A lyukkártya: Az automatizálás első lépései 🃏
A lyukkártya, vagy más néven perforált kártya, egy darab kemény papír, amelyen előre meghatározott pozíciókban lyukak üthetők. Ezek a lyukak digitális információt képviseltek – egy adott pozíción lévő lyuk jelenthetett egy számot, egy betűt, vagy egy speciális utasítást, míg a lyuk hiánya az ellenkezőjét. Ez a bináris (van lyuk / nincs lyuk) elv az alapja minden modern digitális rendszernek.
A lyukkártya előzményei és korai koncepciói
Bár Herman Hollerith nevét kötjük legszorosabban a lyukkártya széleskörű elterjedéséhez, az ötlet gyökerei jóval korábbra nyúlnak vissza.
- Basile Bouchon és Jean-Baptiste Falcon (1725, 1728): A 18. század elején a francia selyemszövő iparban merült fel az igény a minták automatizálására. Basile Bouchon 1725-ben egy perforált papírszalagot használt szövőgépek vezérlésére. Munkáját Jean-Baptiste Falcon fejlesztette tovább 1728-ban, aki összekapcsolt, perforált kartonlapokat alkalmazott, létrehozva ezzel a lyukkártya egy korai elődjét a szövőgépekhez.
- Joseph Marie Jacquard (1804): A legismertebb korai alkalmazás Joseph Marie Jacquard nevéhez fűződik, aki 1804-ben tökéletesítette a szövőgépet. A Jacquard-szövőszék lyukkártyák sorozatát használta a bonyolult minták automatikus létrehozásához. Minden kártya a minta egy sorát vezérelte; ahol lyuk volt a kártyán, ott a megfelelő horog felemelkedhetett, felemelve a hozzá tartozó fonalat, ahol nem volt lyuk, ott a horog és a fonal lent maradt. Ez forradalmasította a textilipart, lehetővé téve összetett minták gyors és pontos előállítását. Ez volt az első gép, amely programozható volt a lyukkártyák segítségével.
- Semyon Korsakov (1832): Kevésbé ismert, de fontos figura az orosz Semyon Korsakov, aki 1832-ben publikált egy könyvet, amelyben lyukkártyák használatát javasolta információ keresésére és összehasonlítására szolgáló gépekhez, az „intellektuális gépekhez”. Bár találmányai nem terjedtek el széles körben életében, ötletei megelőzték korukat.
- Charles Babbage és Ada Lovelace (19. század közepe): A „számítógép atyjaként” emlegetett Charles Babbage tervezett analitikus gépéhez (Analytical Engine) szintén lyukkártyákat képzelt el bemeneti eszközként, mind az adatok, mind a programutasítások bevitelére. Ada Lovelace, Babbage munkatársa, felismerte a gépben rejlő potenciált, és leírta, hogyan lehetne programokat írni rá – lényegében őt tekinthetjük az első programozónak. Az Analitikus Gép azonban Babbage életében sosem készült el teljesen.
Herman Hollerith és az amerikai népszámlálás 📊
A lyukkártya igazi áttörése Herman Hollerith nevéhez fűződik. Az Amerikai Egyesült Államok Népszámlálási Hivatala (U.S. Census Bureau) komoly problémával küzdött: az 1880-as népszámlálás adatainak feldolgozása közel nyolc évig tartott, és félő volt, hogy az 1890-es, még nagyobb adatmennyiséget hozó népszámlálás eredményei elavulnak, mire feldolgozzák őket.
Hollerith, aki a hivatal alkalmazottja volt, egy elektromechanikus adatfeldolgozó gépet fejlesztett ki, amely lyukkártyákat használt az adatok rögzítésére és összegzésére. A polgárok adatait speciális lyukasztógépekkel (pantográf lyukasztó) vitték fel a kártyákra. Minden kártya egy személy adatait tartalmazta, ahol a lyukak pozíciói kódolták a különböző demográfiai jellemzőket (pl. nem, kor, családi állapot).
A Hollerith-gép egy tűs olvasómechanizmussal rendelkezett. Amikor egy lyukkártyát behelyeztek, a tűk áthatoltak a lyukakon, és higanyba merülve zártak egy elektromos áramkört. Ez az áramkör egy számlálót léptetett, illetve képes volt adatokat szortírozni különböző rekeszekbe. Hollerith rendszere drámaian felgyorsította a folyamatot: az 1890-es népszámlálás alapadatait mindössze hat hét alatt sikerült összesíteni, a teljes feldolgozás pedig körülbelül két és fél év alatt befejeződött, milliókat spórolva az államnak.
Hollerith 1896-ban megalapította a Tabulating Machine Company-t, amely később több más vállalattal egyesülve az International Business Machines Corporation, vagyis az IBM lett. Az IBM évtizedekig a lyukkártya-technológia és az üzleti adatfeldolgozás domináns szereplője maradt.
A lyukkártyák anatómiája és működése
A legelterjedtebb lyukkártya-formátum az IBM által szabványosított 80 oszlopos kártya volt, amely 1928-ban jelent meg. Ez a kártya kb. 18,7 cm × 8,3 cm méretű volt.
- Oszlopok és sorok: A kártyán 80 oszlop volt, és minden oszlop 12 lyukpozíciót (sort) tartalmazott. A sorokat fentről lefelé általában 12, 11 (vagy X), 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 jelöléssel látták el.
- Kódolás:
- Numerikus adatok: Egy számjegy ábrázolásához egyetlen lyukat ütöttek az oszlop megfelelő sorába (0-9).
- Alfabetikus karakterek: Az angol ábécé betűit két lyuk kombinációjával kódolták egy oszlopon belül: egy zónalyuk (12, 11, vagy 0) és egy numerikus lyuk (1-9). Például az „A” betű egy 12-es zónalyuk és egy 1-es numerikus lyuk kombinációja volt.
- Speciális karakterek: Ezeket egy, kettő vagy három lyukkal kódolták.
- Adatbevitel: Az adatokat lyukasztógépeken (keypunch machine) vitték fel a kártyákra. A gépkezelő egy billentyűzeten gépelte be az adatokat, és a gép a megfelelő pozíciókba lyukakat ütött. A hibák javítására hitelesítő gépeket (verifier) használtak, ahol egy másik operátor újra begépelte az adatokat egy már kilyukasztott kártya fölött; ha eltérés volt, a gép jelzett.
- Adatfeldolgozás:
- Olvasók (Card Readers): Ezek a gépek vagy mechanikusan (fémkefékkel, melyek a lyukakon keresztül érintkeztek egy fémlemezzel) vagy később optikailag olvasták be a kártyákon lévő lyukmintázatokat, elektromos jelekké alakítva azokat a számítógép vagy más feldolgozó egység számára.
- Válogatók (Sorters): Képesek voltak a lyukkártya-kötegeket egy adott oszlopban lévő lyuk alapján szétválogatni. Ez lehetővé tette az adatok rendezését vagy specifikus rekordok kiválogatását.
- Táblázatkészítők (Tabulators): Ezek a gépek összegezték a kártyákon lévő numerikus adatokat, és nyomtatott riportokat készítettek. Korai verzióik nem tudtak szorozni vagy osztani, csak összeadni és kivonni.
- Összefésülők (Collators): Két lyukkártya-köteget tudtak összefésülni vagy összehasonlítani bizonyos kritériumok alapján.
A lyukkártyák alkalmazási területei
A lyukkártyák évtizedeken át az adatbevitel, adattárolás és adatfeldolgozás elsődleges eszközei voltak számos területen:
- Népszámlálások és statisztikai elemzések: Ez volt az eredeti, és sokáig egyik legfontosabb felhasználási terület.
- Üzleti élet: Bérszámfejtés, könyvelés, készletnyilvántartás, számlázás. Az „Ne hajtsa össze, ne gyűrje, ne lyukassza ki!” („Do not fold, spindle or mutilate”) figyelmeztetés a lyukkártyákról vált ikonikussá.
- Tudományos kutatás: Nagy mennyiségű kísérleti adat feldolgozása.
- Korai számítógépek programozása: Az első számítógépek programjait és adatait gyakran lyukkártyákon tárolták és vitték be a gépekbe. Egy-egy program több ezer kártyából is állhatott, melyeket pontos sorrendben kellett tartani. Egy leejtett kártyaköteg komoly fejfájást okozott! 💾
- Szavazás: Néhány helyen még ma is használnak lyukkártyás szavazórendszereket, bár ezek megbízhatósága és biztonsága vitatott.
Előnyök és hátrányok
Előnyök:
- Gépi olvashatóság: Forradalmasította az adatfeldolgozás sebességét és pontosságát.
- Tartósság: A kartonpapír viszonylag ellenálló volt a korabeli alternatívákhoz képest.
- Modularitás: Egyedi rekordok (kártyák) könnyen hozzáadhatók, eltávolíthatók vagy átrendezhetők voltak a kötegben.
- Biztonsági másolat: Relatíve egyszerű volt másolatot készíteni egy kártyakötegről.
Hátrányok:
- Alacsony adatsűrűség: Egy kártya csak korlátozott mennyiségű információt (általában 80 karaktert) tudott tárolni.
- Méret és súly: Nagy adatmennyiségek tárolása rengeteg kártyát igényelt, amelyek fizikailag sok helyet foglaltak és nehezek voltak.
- Lassú be- és kivitel: A mechanikus olvasás és lyukasztás lassú folyamat volt a későbbi technológiákhoz képest.
- Sérülékenység: Bár tartósak voltak, a kártyák megsérülhettek (gyűrődés, szakadás, nedvesség), ami olvasási hibákhoz vezethetett.
- Sorrendiség: A kártyák sorrendje kritikus volt, különösen programok esetén.
A lyukszalag: A folyamatos adatáramlás eszköze 🎞️
A lyukszalag, más néven perforált szalag, egy hosszú, keskeny papír- vagy később műanyagszalag (pl. Mylar), amelyen lyukakat ütöttek keresztirányban, sorokban. A lyukkártyához hasonlóan a lyukak és azok hiánya kódolt információt. A lyukkártyával ellentétben, amely diszkrét adategységeket (rekordokat) tárolt, a lyukszalag folyamatos adatáramot reprezentált.
A lyukszalag gyökerei a telegráfiában
A lyukszalag ötlete a távíró (telegráf) technológia fejlődésével párhuzamosan jelent meg a 19. század közepén.
- Alexander Bain (1846): A skót Alexander Bain nevéhez fűződik az első lyukszalagot használó távíró szabadalma. Célja a távíróvonalak kapacitásának jobb kihasználása volt. Az üzeneteket először lyukszalagra vitték fel, majd a szalagot egy gép gyorsan végigfuttatta, automatikusan továbbítva az üzenetet.
- Charles Wheatstone (1857): Továbbfejlesztette a rendszert, és a Wheatstone-rendszer széles körben elterjedt a távíróiparban. Lehetővé tette az üzenetek „offline” előkészítését és gyors „online” továbbítását, ami jelentősen növelte az átviteli sebességet.
- Baudot-kód (1870-es évek): Émile Baudot francia mérnök fejlesztette ki az 5 csatornás (5 lyukpozíciós) kódot, amely a korai távgépírók (telexgépek) szabványává vált. Minden karaktert 5 biten (lyuk vagy annak hiánya) kódoltak.
A lyukszalag anatómiája és működése
- Anyag: Kezdetben olajozott papírszalagot használtak, később erősebb papírt, majd tartósabb műanyagokat, mint például a Mylar.
- Csatornák (Tracks/Levels): A szalag szélességében több lyukpozíció volt, ezeket csatornáknak nevezték. A leggyakoribb formátumok az 5 csatornás (távgépírókhoz) és a 8 csatornás (számítógépes alkalmazásokhoz, pl. ASCII kódolással) voltak. Egy extra, kisebb lyuksor, a vezetőlyukak (sprocket holes) a szalag közepén vagy szélén helyezkedett el, és a szalag pontos továbbítását, pozicionálását segítette az olvasó- és lyukasztómechanizmusban.
- Kódolás: Minden karaktert egyetlen, a szalag szélességére merőleges lyuksor (egy byte) reprezentált. Például a 8 csatornás szalagon az ASCII karakterkészletet lehetett kódolni, ahol 7 csatorna a karaktert, a nyolcadik pedig gyakran paritásbitként szolgált a hibajelzéshez.
- Adatbevitel és -kimenet:
- Lyukasztók (Paper Tape Punches): Kézi vagy billentyűzetes lyukasztókkal, illetve számítógép által vezérelt lyukasztókkal lehetett a szalagra adatokat vinni.
- Olvasók (Paper Tape Readers): Mechanikus (érintkezőkkel) vagy optikai (fényérzékelőkkel) módszerrel olvasták a lyukmintázatot. Az optikai olvasók gyorsabbak és megbízhatóbbak voltak.
A lyukszalag alkalmazási területei
A lyukszalag sokoldalú adathordozónak bizonyult, bár bizonyos területeken a lyukkártya népszerűbb maradt.
- Telekommunikáció: Távgépírók (telex) üzeneteinek rögzítése és továbbítása. Ez volt az egyik legkorábbi és leghosszabb ideig fennmaradó alkalmazása. 📠
- Korai számítógépek: Programok és adatok bevitele, különösen a kisebb, olcsóbb miniszámítógépeknél az 1960-as és 70-es években (pl. PDP sorozat). A kimeneti adatok rögzítésére is használták.
- Numerikus vezérlésű szerszámgépek (NC, később CNC): A gépiparban a lyukszalagokat szerszámgépek (esztergák, marógépek) programozására használták. A szalag tartalmazta a megmunkálási lépésekhez szükséges koordinátákat és utasításokat. Ez az alkalmazás meglepően sokáig fennmaradt, még a mágneses adathordozók korában is. ⚙️
- Nyomdaipar: Betűszedő gépek vezérlésére.
- Titkosítás: A kriptográfiában is szerepet kapott, például a Lorenz-rejtjelező vagy a Vernam-féle egyszer használatos kulcsrendszer (one-time pad) alkalmazásakor.
Előnyök és hátrányok
Előnyök:
- Folyamatos adatáram: Ideális volt olyan alkalmazásokhoz, ahol az adatokat sorosan, megszakítás nélkül kellett feldolgozni.
- Viszonylagos olcsóság: A papírszalag maga olcsóbb volt, mint a lyukkártyák tömege.
- Kompaktabb tárolás (bizonyos szempontból): Egy tekercs lyukszalag sok karaktert tárolhatott viszonylag kis helyen, összehasonlítva a kártyák által elfoglalt térfogattal azonos adatmennyiség esetén.
Hátrányok:
- Szekvenciális hozzáférés: Az adatok csak sorrendben voltak olvashatók. Egy hiba javítása vagy egy adat módosítása a szalag közepén nehézkes volt (vágás, ragasztás, újralyukasztás).
- Sérülékenység: A papírszalag könnyen szakadt, gyűrődött, elázhatott. A vezetőlyukak sérülése olvasási problémákat okozhatott.
- Lassúság: Bár az optikai olvasók gyorsabbak voltak, a lyukszalag általános I/O sebessége alacsony maradt a későbbi technológiákhoz képest.
- Kopás: Ismételt átfuttatás során a lyukak kitágulhattak, a szalag megnyúlhatott.
A két technológia összehasonlítása és öröksége
Bár mindkét technológia lyukakon alapult az információ kódolására, eltérő jellemzőik miatt különböző területeken és különböző módon használták őket.
Mind a lyukkártya, mind a lyukszalag kulcsfontosságú lépcsőfok volt az automatizált adatfeldolgozás és a modern számítástechnika felé vezető úton. Megtanították a világnak, hogyan lehet az információt gépek által olvasható és feldolgozható formában rögzíteni. Olyan alapvető koncepciókat vezettek be vagy népszerűsítettek, mint a kódolás, az adatbevitel, a programozás, a kötegelt feldolgozás (batch processing) és a szekvenciális hozzáférés.
Az 1960-as évektől kezdve a mágnesszalagok, majd az 1970-es és 80-as évektől a mágneslemezek (hajlékonylemezek, merevlemezek) fokozatosan kiszorították ezeket a korai adathordozókat, mivel lényegesen nagyobb tárolókapacitást, gyorsabb elérési időt és nagyobb megbízhatóságot kínáltak. Ennek ellenére a lyukkártyák és lyukszalagok hatása máig érezhető a számítástechnika terminológiájában és alapelveiben. Emlékeztetnek minket arra a hihetetlen fejlődésre, amely az adattárolás területén végbement alig néhány évtized alatt. ⏳
