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IBM穿孔卡片：现代计算技术的奠基之作

news 2025/9/5 8:02:39

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1 打孔卡概述

穿孔卡片（Punch Card）又称打孔卡、霍列瑞斯式卡（Hollerith Card）或IBM卡，是一种在特定位置打孔来表示数字与字符信息的纸板卡片。这种看似简单的存储介质在计算机发展史上占据了近半个世纪的主导地位，存储了"全世界几乎所有的已知信息"。标准IBM穿孔卡片尺寸为7-3/8×3-1/4英寸（约187.325×82.55毫米），包含80列12行的阵列，每列可表示一个字符。

穿孔卡片最初并非为计算机而生，它的历史可追溯到18世纪末法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔（Joseph Marie Jacquard）发明的织布机，该系统使用穿孔卡片控制织物图案。直到1880年代，美国人口调查局职员赫尔曼·何乐礼（Herman Hollerith）才将其创新性地应用于人口普查数据处理。他发明的电动制表机大大提高了数据处理效率，使得1890年美国人口普查仅用6周就完成统计，而此前1880年普查全靠手工处理，耗时长达7年。

表：穿孔卡片发展历程中的重要事件

年份	事件	技术特点	重要意义
1801	雅卡尔织布机	穿孔控制织布图案	奠定了程序控制的概念
1880s	何乐礼制表机	圆孔穿孔卡片	1890年美国人口普查效率提升
1928	IBM 80列卡片	长方形孔，80列12行	成为行业事实标准
1935	IBM 601计算器	每秒处理一张卡片	推动了科学和商业计算
1950s	磁存储出现	磁带取代卡片	逐渐退出主流存储市场

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2 历史背景

2.1 从织布机到数据处理

穿孔卡片技术的演进是一段跨学科创新的历程。雅卡尔织布机使用穿孔卡片控制经纬线，实现了复杂图案的自动化编织，这种"可编程"的思想在当时极为超前。19世纪末，何乐礼博士受到铁路售票员打孔记录乘客特征的启发，将类似概念应用于人口数据管理。他开发出的完整系统包括穿孔机、制表机和分类机，奠定了现代信息处理系统的雏形。

何乐礼于1896年创立了制表机器公司（Tabulating Machine Company），这家公司后来在1911年与其他三家公司合并成为计算-制表-记录公司（Computing-Tabulating-Recording Company）。1924年，在托马斯·沃森（Thomas Watson Sr.）的领导下，公司更名为国际商业机器公司（International Business Machines Corporation），即IBM。这次转型标志着穿孔卡片技术从专门的统计工具向通用商业处理系统的重要转变。

2.2 技术标准化与创新

IBM对穿孔卡片技术的贡献不仅在于商业化推广，更在于技术标准化和创新。1928年，IBM推出了具有革命性的80列长方形孔卡片，取代了此前流行的45列圆孔设计。这一改进源于公司内部两个研发团队的竞争：克莱尔·莱克（Clair D. Lake）提出长方形孔设计，而罗伊登·皮尔斯（J. Royden Peirce）则主张改进圆孔系统。

长方形孔设计最终被采纳，因为它具有多项优势：更容易被金属刷识别、提高了识别精度、减少了卡片撕裂的风险，并且可以通过版权保护成为专有标准。这一设计迅速获得市场认可，到20世纪30年代中期，IBM仅在恩迪科特的工厂每天就能生产500万至1000万张卡片。

20世纪30年代，IBM基于穿孔卡片技术开发了多种创新设备，如405型字母记账机和600系列打孔卡机器。1935年，IBM推出IBM 601穿孔卡片计算器，它能够从卡片上读取两个八位十进制数，在一秒钟内进行计算并将结果输出到同一张卡片上，这种速度在当时被认为是"惊人且不可想象的"。IBM 601共售出1500多台，无论在自然科学还是商业应用上都为电子计算机的发展奠定了理论基础。

3 工作原理

3.1 编码系统

IBM穿孔卡片采用精巧的编码系统表示数字、字母和特殊字符。卡片上每列有12个孔位（行号0-9，加上第11和12行），通过不同位置的穿孔组合表示不同字符：

数字：通过在0-9行直接打一个孔表示相应数字
字母：用两个孔表示——一个区域孔（第11、12或0行）加一个数字孔（第1-9行）
特殊字符：使用多个孔组合（通常2-3个孔）表示
空格：无任何穿孔

这种编码结构后来发展成为二进制编码的十进制交换码（Binary Coded Decimal Interchange Code，BCDIC），是早期计算机字符编码的基础。1964年，IBM在BCDIC基础上增加2个比特，形成了8比特的扩展的二进制编码的十进制交换码（EBCDIC），首次用于IBM System/360计算机。

表：IBM穿孔卡片字符编码示例

字符类型	穿孔组合	示例	编码方式
数字	单孔	数字"5"	第5行穿孔
字母	双孔	字母"A"	第12行+第1行
特殊字符	多孔	“+”	第12、11、8、3行
空格	无孔	空格	无任何穿孔

3.2 数据处理流程

基于穿孔卡片的数据处理系统包括多个专用设备，形成了完整的工作流程：

穿孔：操作员使用键控穿孔机将数据转换为卡片上的孔洞，每分钟可处理约10张卡片
验证：由另一操作员重新输入相同数据，机器自动比较结果，确保准确性
排序：使用分类机根据特定列对卡片进行排序，每分钟可处理数百张卡片
制表：通过制表机读取卡片数据并进行计算或汇总，生成统计报表
存储：穿孔卡片本身即是存储介质，可通过专用柜子长期保存

有趣的是，穿孔卡片的处理过程与现代计算机编程有直接渊源：程序员们创造了"不要折叠、卷曲或损坏"（Do not fold, spindle, or mutilate）这一流行短语，源自卡片使用说明。这句话甚至进入了流行文化，成为1971年一部电影的灵感来源。

4 影响与遗产

4.1 技术影响与文化符号

穿孔卡片的影响远超出了技术领域，成为一种文化符号。在20世纪中期，全世界几乎所有已知信息都存储在穿孔卡片上。这种主导地位使得穿孔卡片成为早期计算技术的象征，影响了从商业处理到高等教育的各个领域。

大学和教学机构采用穿孔卡片记录课程登记和笔记，许多学校甚至定制了带有校徽的设计。穿孔卡片也进入了流行文化：在《辛普森一家》中，Apu的博士论文存储在穿孔卡上；在《Futurama》中，有机器人烧毁穿孔卡表示抗议的场景。

穿孔卡片还激发了建筑设计的灵感：1963年，Eliot Noyes为IBM航空研究中心设计大楼时，正面的开窗就基于IBM卡片的形状。艺术家Maya Lin在俄亥俄大学设计的"打孔卡公园"（Bicentennial Park），由21个高低不平的长方块组成，灵感也来自穿孔卡的概念。

4.2 对现代计算的影响

穿孔卡片技术为现代计算奠定了多方面基础：

数据存储概念：穿孔卡片是第一种大规模使用的机械式数据存储介质，容量约为960比特。虽然以现代标准来看微不足道，但它确立了"存储程序"的概念，为后续存储技术发展铺平了道路。
输入输出标准化：IBM80列卡片成为事实标准，使得输入输出设备（如键盘、显示器）也逐渐标准化。直到20世纪80年代，许多计算机终端仍保持80字符的宽度，这是对穿孔卡片时代的致敬。
字符编码体系：穿孔卡片的编码系统直接演变为BCDIC和EBCDIC编码。EBCDIC由于脱胎于穿孔卡，其字母表以9个为一组，彼此不连续编码，这给程序员带来了不便，但也反映了技术发展的历史路径依赖。
程序设计理念：穿孔卡片的使用方式影响了早期编程实践。程序员需要仔细规划程序结构，因为修改一张卡片意味着重新制作整个程序段——这种约束培养了严谨的编程风格。

5 参考信息

虽然穿孔卡片技术早已被现代存储技术取代，但其历史文献和专利记录仍然保存在多家博物馆和档案馆中。以下是相关重要专利和原始文献信息：

何乐礼专利：赫尔曼·何乐礼于1889年获得的"用于统计目的之制表机"专利（美国专利号US395782）是该领域的基础专利。该专利详细描述了使用穿孔卡片存储数据并通过电路自动制表的系统。
IBM首项专利：IBM公司的第一项专利是打孔卡相关发明（美国专利号＃998631），于1911年7月25日发表。这项专利描述了打孔卡制表技术的改进，奠定了IBM在数据处理领域的技术基础。
Carroll旋转印刷机专利：Fred Carroll发明的Carroll旋转印刷机（Carroll Rotary Press）专门用于生产空白打孔卡，速度可达每分钟850张。这项创新使IBM能够大规模生产穿孔卡片，满足了快速增长的市场需求。