IBM穿孔卡片：現代計算技術的奠基之作

本文由「大千AI助手」原創發布，專注用真話講AI，回歸技術本質。拒絕神話或妖魔化。搜索「大千AI助手」關注我，一起撕掉過度包裝，學習真實的AI技術！

1 打孔卡概述

穿孔卡片（Punch Card）又稱打孔卡、霍列瑞斯式卡（Hollerith Card）或IBM卡，是一種在特定位置打孔來表示數字與字符信息的紙板卡片。這種看似簡單的存儲介質在計算機發展史上占據了近半個世紀的主導地位，存儲了"全世界幾乎所有的已知信息"。標準IBM穿孔卡片尺寸為7-3/8×3-1/4英寸（約187.325×82.55毫米），包含80列12行的陣列，每列可表示一個字符。

穿孔卡片最初并非為計算機而生，它的歷史可追溯到18世紀末法國人約瑟夫·瑪麗·雅卡爾（Joseph Marie Jacquard）發明的織布機，該系統使用穿孔卡片控制織物圖案。直到1880年代，美國人口調查局職員赫爾曼·何樂禮（Herman Hollerith）才將其創新性地應用于人口普查數據處理。他發明的電動制表機大大提高了數據處理效率，使得1890年美國人口普查僅用6周就完成統計，而此前1880年普查全靠手工處理，耗時長達7年。

表：穿孔卡片發展歷程中的重要事件

年份	事件	技術特點	重要意義
1801	雅卡爾織布機	穿孔控制織布圖案	奠定了程序控制的概念
1880s	何樂禮制表機	圓孔穿孔卡片	1890年美國人口普查效率提升
1928	IBM 80列卡片	長方形孔，80列12行	成為行業事實標準
1935	IBM 601計算器	每秒處理一張卡片	推動了科學和商業計算
1950s	磁存儲出現	磁帶取代卡片	逐漸退出主流存儲市場

本文由「大千AI助手」原創發布，專注用真話講AI，回歸技術本質。拒絕神話或妖魔化。搜索「大千AI助手」關注我，一起撕掉過度包裝，學習真實的AI技術！

往期文章推薦:

20.EDVAC：現代計算機體系的奠基之作
19.機電裝置：從基礎原理到前沿應用的全方位解析
18.梯度消失問題：深度學習中的「記憶衰退」困境與解決方案
17.WMT2014：機器翻譯領域的“奧林匹克盛會“
16.二維元胞自動機：從生命游戲到自復制系統的計算宇宙
15.Agentless：革命性的無代理軟件工程方案
14.生物學自然主義：心靈哲學中的生物性探索
13.COLA：大型語言模型高效微調的革命性框架
12.生成對抗網絡（GAN）：深度學習領域的革命性突破
11.GRPO（組相對策略優化）：大模型強化學習的高效進化
10.接吻數問題：從球體堆疊到高維空間的數學奧秘
9.LDA（隱狄利克雷分配）：主題模型的經典之作
8.InstructGPT：使用人類反饋訓練語言模型以遵循指令
7.DQN（深度Q網絡）：深度強化學習的里程碑式突破
6.遺傳算法：模擬自然選擇的優化智慧
5.帕累托優化：多目標決策的智慧與藝術
4.dapo：開源大規模llm強化學習系統的突破與實現
3.馮·諾依曼：數字時代的天才建筑師
2.eniac：世界上第一臺通用電子計算機的傳奇
1.馮·諾依曼架構：現代計算機的基石與瓶頸

2 歷史背景

2.1 從織布機到數據處理

穿孔卡片技術的演進是一段跨學科創新的歷程。雅卡爾織布機使用穿孔卡片控制經緯線，實現了復雜圖案的自動化編織，這種"可編程"的思想在當時極為超前。19世紀末，何樂禮博士受到鐵路售票員打孔記錄乘客特征的啟發，將類似概念應用于人口數據管理。他開發出的完整系統包括穿孔機、制表機和分類機，奠定了現代信息處理系統的雛形。

何樂禮于1896年創立了制表機器公司（Tabulating Machine Company），這家公司后來在1911年與其他三家公司合并成為計算-制表-記錄公司（Computing-Tabulating-Recording Company）。1924年，在托馬斯·沃森（Thomas Watson Sr.）的領導下，公司更名為國際商業機器公司（International Business Machines Corporation），即IBM。這次轉型標志著穿孔卡片技術從專門的統計工具向通用商業處理系統的重要轉變。

2.2 技術標準化與創新

IBM對穿孔卡片技術的貢獻不僅在于商業化推廣，更在于技術標準化和創新。1928年，IBM推出了具有革命性的80列長方形孔卡片，取代了此前流行的45列圓孔設計。這一改進源于公司內部兩個研發團隊的競爭：克萊爾·萊克（Clair D. Lake）提出長方形孔設計，而羅伊登·皮爾斯（J. Royden Peirce）則主張改進圓孔系統。

長方形孔設計最終被采納，因為它具有多項優勢：更容易被金屬刷識別、提高了識別精度、減少了卡片撕裂的風險，并且可以通過版權保護成為專有標準。這一設計迅速獲得市場認可，到20世紀30年代中期，IBM僅在恩迪科特的工廠每天就能生產500萬至1000萬張卡片。

20世紀30年代，IBM基于穿孔卡片技術開發了多種創新設備，如405型字母記賬機和600系列打孔卡機器。1935年，IBM推出IBM 601穿孔卡片計算器，它能夠從卡片上讀取兩個八位十進制數，在一秒鐘內進行計算并將結果輸出到同一張卡片上，這種速度在當時被認為是"驚人且不可想象的"。IBM 601共售出1500多臺，無論在自然科學還是商業應用上都為電子計算機的發展奠定了理論基礎。

3 工作原理

3.1 編碼系統

IBM穿孔卡片采用精巧的編碼系統表示數字、字母和特殊字符。卡片上每列有12個孔位（行號0-9，加上第11和12行），通過不同位置的穿孔組合表示不同字符：

數字：通過在0-9行直接打一個孔表示相應數字
字母：用兩個孔表示——一個區域孔（第11、12或0行）加一個數字孔（第1-9行）
特殊字符：使用多個孔組合（通常2-3個孔）表示
空格：無任何穿孔

這種編碼結構后來發展成為二進制編碼的十進制交換碼（Binary Coded Decimal Interchange Code，BCDIC），是早期計算機字符編碼的基礎。1964年，IBM在BCDIC基礎上增加2個比特，形成了8比特的擴展的二進制編碼的十進制交換碼（EBCDIC），首次用于IBM System/360計算機。

表：IBM穿孔卡片字符編碼示例

字符類型	穿孔組合	示例	編碼方式
數字	單孔	數字"5"	第5行穿孔
字母	雙孔	字母"A"	第12行+第1行
特殊字符	多孔	“+”	第12、11、8、3行
空格	無孔	空格	無任何穿孔

3.2 數據處理流程

基于穿孔卡片的數據處理系統包括多個專用設備，形成了完整的工作流程：

穿孔：操作員使用鍵控穿孔機將數據轉換為卡片上的孔洞，每分鐘可處理約10張卡片
驗證：由另一操作員重新輸入相同數據，機器自動比較結果，確保準確性
排序：使用分類機根據特定列對卡片進行排序，每分鐘可處理數百張卡片
制表：通過制表機讀取卡片數據并進行計算或匯總，生成統計報表
存儲：穿孔卡片本身即是存儲介質，可通過專用柜子長期保存

有趣的是，穿孔卡片的處理過程與現代計算機編程有直接淵源：程序員們創造了"不要折疊、卷曲或損壞"（Do not fold, spindle, or mutilate）這一流行短語，源自卡片使用說明。這句話甚至進入了流行文化，成為1971年一部電影的靈感來源。

4 影響與遺產

4.1 技術影響與文化符號

穿孔卡片的影響遠超出了技術領域，成為一種文化符號。在20世紀中期，全世界幾乎所有已知信息都存儲在穿孔卡片上。這種主導地位使得穿孔卡片成為早期計算技術的象征，影響了從商業處理到高等教育的各個領域。

大學和教學機構采用穿孔卡片記錄課程登記和筆記，許多學校甚至定制了帶有校徽的設計。穿孔卡片也進入了流行文化：在《辛普森一家》中，Apu的博士論文存儲在穿孔卡上；在《Futurama》中，有機器人燒毀穿孔卡表示抗議的場景。

穿孔卡片還激發了建筑設計的靈感：1963年，Eliot Noyes為IBM航空研究中心設計大樓時，正面的開窗就基于IBM卡片的形狀。藝術家Maya Lin在俄亥俄大學設計的"打孔卡公園"（Bicentennial Park），由21個高低不平的長方塊組成，靈感也來自穿孔卡的概念。

4.2 對現代計算的影響

穿孔卡片技術為現代計算奠定了多方面基礎：

數據存儲概念：穿孔卡片是第一種大規模使用的機械式數據存儲介質，容量約為960比特。雖然以現代標準來看微不足道，但它確立了"存儲程序"的概念，為后續存儲技術發展鋪平了道路。
輸入輸出標準化：IBM80列卡片成為事實標準，使得輸入輸出設備（如鍵盤、顯示器）也逐漸標準化。直到20世紀80年代，許多計算機終端仍保持80字符的寬度，這是對穿孔卡片時代的致敬。
字符編碼體系：穿孔卡片的編碼系統直接演變為BCDIC和EBCDIC編碼。EBCDIC由于脫胎于穿孔卡，其字母表以9個為一組，彼此不連續編碼，這給程序員帶來了不便，但也反映了技術發展的歷史路徑依賴。
程序設計理念：穿孔卡片的使用方式影響了早期編程實踐。程序員需要仔細規劃程序結構，因為修改一張卡片意味著重新制作整個程序段——這種約束培養了嚴謹的編程風格。

5 參考信息

雖然穿孔卡片技術早已被現代存儲技術取代，但其歷史文獻和專利記錄仍然保存在多家博物館和檔案館中。以下是相關重要專利和原始文獻信息：

何樂禮專利：赫爾曼·何樂禮于1889年獲得的"用于統計目的之制表機"專利（美國專利號US395782）是該領域的基礎專利。該專利詳細描述了使用穿孔卡片存儲數據并通過電路自動制表的系統。
IBM首項專利：IBM公司的第一項專利是打孔卡相關發明（美國專利號＃998631），于1911年7月25日發表。這項專利描述了打孔卡制表技術的改進，奠定了IBM在數據處理領域的技術基礎。
Carroll旋轉印刷機專利：Fred Carroll發明的Carroll旋轉印刷機（Carroll Rotary Press）專門用于生產空白打孔卡，速度可達每分鐘850張。這項創新使IBM能夠大規模生產穿孔卡片，滿足了快速增長的市場需求。