Geschichte der Programmierung 300 Jahre Lochkarte

Die Lochkarte war der erste Datenträger für Computer, ist jedoch weit älter als die ersten digitalen Rechner: 1725 entstand in Frankreich der erste Webstuhl, der mittels gelochter Streifen halb automatisiert betrieben werden konnte. Das Zeitalter der programmierbaren Maschinen hatte begonnen.

Ein rechteckiger Papierstreifen mit mehreren Spalten und Zeilen, bei denen an gezielt ausgewählten Stellen Löcher gestanzt wurden: Die Lochkarte gilt als der erste digitale Datenträger der Welt. Jahrzehntelang diente sie als vorrangige, ja sogar die einzige direkte Möglichkeit zur Programmierung moderner Computeranlagen. Auch in der Maschinensteuerung wurden gestanzte Lochkarten, -streifen oder -platten zur automatischen Ausführung von Programmen genutzt. Sie gelten als Sinnbild für die ersten programmierbaren Maschinen. Dabei existiert das Grundprinzip bereits seit 300 Jahren – weit, bevor digitale Rechner auch nur theoretisch Gestalt annahmen.

Programmierbarer Webstuhl

Der erste Erfinder, der auf die Idee kam, gelochte Streifen für automatisierte Prozesse zu nutzen, war der französische Erfinder Basile Bouchon (in manchen Quellen auch Boachon genannt). Der Sohn eines Orgelbauers war im Jahr 1725 als Textilarbeiter in Lyon angestellt, was in diesen Tagen eine der Weberhochburgen Frankreichs war. Das Weben von Tüchern und Stoffen, insbesondere mit Mustern, war in jenen Tagen sehr aufwendig und erfolgte vollständig in Handarbeit. Dutzende von Fäden mussten manuell durch Nadelöhre gefädelt, koordiniert übereinandergelegt und verwoben werden. Speziell das Anheben der waagrecht verlaufenden Kettfäden, die die Spinnung und Musterung eines Gewebes bestimmten, war eine sehr mühselige und zeitaufwendige Angelegenheit. Entsprechend hoch waren die Preise für Tücher und Stoffe.

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Bouchon wollte einen Prozess entwickeln, der einem Arbeiter diese aufwendige Arbeit beim Einrichten eines Webstuhls zumindest teilweise ersparen sollte. Er konstruierte einen Webstuhl, bei dem die Kettfäden durch die Ösen von horizontalen Nadeln geführt, die so angeordnet waren, dass sie in einem Kasten gleiten konnten. Mit Hilfe eines langen, gelochten Papierstreifens konnte bei dem Webstuhl gesteuert werden, welche Nadelösen im aktuellen Schritt des Webvorgangs angehoben wurden und welche nicht. Auf die Idee, gelochte Papierstreifen zu verwenden, war Bouchon offenbar gekommen, weil in jener Zeit die Muster für die Tücher auf kariertem Papier vorgezeichnet wurden – Bouchon setzte entsprechend Löcher an Stellen, die auf dem Papier gefüllt waren.

Bouchons Assistent Jean-Baptiste Falcon sollte einige Jahre später seinen Ansatz noch weiter verfeinern. Doch die Erfindung sollte sich zunächst nicht auf breiter Ebene durchsetzen. Auch wenn ein essentieller Schritt in der Webtechnik erleichtert worden war, wurden letztlich nur die Nadelösen angehoben. Ein Weber musste dennoch erst noch manuell die Fäden durch die Nadelösen führen und anschließend das Webschiffchen manuell betätigen. Auch wenn ein wichtiger Schritt zur „Programmierbarkeit" der Webstühle geleistet worden war, da diese mit dieser Methodik anhand einer Papierstreifenvorlage im Vorfeld konfiguriert werden konnten, war Bouchons Erfindung und Falcons Verbesserung bestenfalls als halbautomatisch anzusehen.

Doch stellte sich Bouchons Grundidee als wegweisend heraus. Nachdem der Brite Edmund Cartwright 1785 einen ersten motorisch betriebenen mechanischen Webstuhl erfunden hatte, der Wasserkraft zur Beschleunigung des Webprozesses nutzte, patentierte der französische Seidenweber Joseph Marie Jacquard die erste programmierbare, automatische und motorisch angetriebene Maschine: den nach ihm benannten Jacquardwebstuhl. Der französische Erfinder griff dabei auf das von Bouchon und Falcon 80 Jahre zuvor etablierte Grundprinzip zurück, wobei er statt eines durchgängigen gelochten Streifens, Lochkarten verwendete. Für jeden Schuss, den das Schiffchen quer durchs Gewebe schickte, wurde eine eigene Karte mit einer speziellen Musterlochung verwendet. Es war kein manueller Weber mehr nötig, um Fäden anzuheben oder durch Nadelöhre zu fädeln. Der Webstuhl konnte, durch Karten vorprogrammiert, sein Muster quasi selbsttätig abarbeiten.

Auch wenn das manuelle Betreiben eines Webstuhls dadurch unnötig geworden war, kristallisierte sich mit zunehmender Verbreitung von Jacquardwebstühlen aber auch ein neues Berufsbild heraus: Den Kartenschläger oder die Kartenschlägerin. Die Aufgabe dieses meist von Frauen ausgeübten Berufs war es, im Vorfeld Muster zu erarbeiten und Lochkarten so zu stanzen, dass diese später von den Webstühlen abgearbeitet werden konnten, als auch bereits gelochte Karten auszulesen und zu interpretieren. Die Vorläufer der ersten Programmierer waren geschaffen.

Die Lochkarte im Dienste der Mathematik

Der Jacquardwebstuhl sollte als Mittel zur Massenproduktion die Webtechnik revolutionieren. Mit der Verbreitung der von Lochkarten betriebenen Maschinen wurden auch Mathematiker auf das Prinzip aufmerksam. Denn im Grunde genommen ist eine Lochkarte nichts anderes als ein binärer Datenträger: gelochte Felder entsprechen einer binären 1; befindet sich an der Stelle kein Loch, ist es eine 0.

Der erste Mathematiker, der auf die Idee kam, Lochkarten zur Informations- und Datenverarbeitung zu verwenden, war der Russe Semjon Korsakow. Er war Statistiker im Polizeiministerium in St. Petersburg und veröffentlichte 1832 in der Schrift „Apercu d’un procédé nouveau d’investigation au moyen de machines a comparer les idées“ (Beschreibung einer neuen Art der Forschung, bei der Maschinen zum Vergleich von Ideen eingesetzt werden) eine Methodik zum Sortieren und schnellen Abgleichen von Datensätzen: Auf Lochkarten könnten mehrere Kriterien von Datensätzen mit systematisch platzierten Löchern abgelegt werden. Eine Maschine könnte darauf genutzt werden, anhand der Löcher Gemeinsamkeiten in großen Datensätzen zu ermitteln und schnell herauszufiltern. Sogar Aspekte wie eine relative Gewichtung einzelner Kriterien Wert wurden dabei berücksichtigt. Korsakow stellte seine Idee der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in St. Petersburg vor, die für seinen Ansatz allerdings keine sinnvolle Verwendung sah.

Auch der Mathematiker Charles Babbage wurde von den Lochkarten der Jacquardwebstühle inspiriert, als er das Konzept seiner Analytical Engine erarbeitete. 1837 veröffentlichte er das Prinzip eines mechanisch betriebenen, digitalen Allzweck-Rechners in seinem Text „On the Mathematical Powers of the Calculating Engine“. Seine auf 50.000 mechanischen Teilen aufbauende „analytische Maschine" war bereits logisch in mehrere Bereiche unterteilt, die einem modernen digitalen Rechner nahe kommen. Ein als „Store“ bezeichneter Speicher war die zentrale Einheit; eine „Mühle“ als sinnbildlicher Prozessor, in der die eingegebenen Daten verarbeitet werden. Dazu gab es eine Einheit für Lochkarten, über welche die entsprechenden Daten ein- und ausgegeben werden sollten.

Die Analytical Engine war als Maschine konzipiert, die in der Lage war, die vier arithmetischen Operationen durchzuführen und eine Reihe von Anweisungen auszuführen, die an Bedingungen geknüpft sein konnten. Hierzu war ein Kontrollfluss vorgesehen, der bedingte Verzweigungen und Loops durchführen konnte. Babbages Entwurf konnte nach moderner Sicht bereits als erster, Turing-vollständiger Rechner angesehen werden. Doch Schwierigkeiten bei der Umsetzung seines Entwurfs und mangelnde finanzielle Unterstützung sorgten dafür, dass das Konzept zu Lebzeiten des Mathematikers nie umgesetzt wurde. 1991 konnte aber anhand eines Nachbaus seiner vorhergehenden Differential Engine, die um einige für die Analytical Engine konzipierten Erweiterungen ergänzt wurde, in der Praxis nachgewiesen werden, dass Babbages Idee funktioniert hätte – hätte er sie denn finanzieren können.

Um flexibel zu sein, wollte Babbage Lochkarten für die Eingabe von Programmen und Daten verwenden und auch Ergebnisse auf Lochkarten ausgeben. Diese Karten sollten wie bei Jacquardwebstühlen aneinandergereiht werden. Zwischenergebnisse könnten im Speicher abgelegt werden. Der Einsatz spezieller „kombinatorischer“ Karten bzw. Variablenkarten erlaubte es, unterschiedliche Operationen aneinanderzuketten, was auch komplexere Berechnungen ermöglicht hätte.

Babbage diskutierte seine Ideen ausführlich mit Ada Lovelace Byron (1815-1852), die im Jahr 1843 eine umfangreiche Abhandlung zur Analytical Engine verfasste, die heutzutage als eine Art Bedienungsanleitung für den Rechner aufgefasst werden kann. Ihren Ausführungen legte sie als Beispiel für das Lochkartensystem ein Diagramm bei, wie die Karten für eine Berechnung von Bernoulli-Zahlen in der Maschine aufgebaut sein müssten – aus heutiger Sicht das effektiv erste Computerprogramm.

Die Hollerith-Lochkarte: Der erste digitale Datenträger

Ihren Durchbruch als Datenträger verdankt die Lochkarte dem Deutsch-Amerikaner Herman Hollerith. Hollerith arbeitete von 1879 bis 1882 in Washington als Statistiker im United States Census Bureau. Dort sah er sich mit einer gewaltigen Herausforderung konfrontiert: Der systematischen Auswertung der Volkszählung von 1880, bei der Datensätze von mehr als 50 Millionen US-Bürgern analysiert werden mussten, bei denen Angaben wie Name, Geschlecht, Wohnort, Beruf, Herkunft und weitere Details erfasst worden waren. Obwohl das Zensusbüro Hunderte von Menschen beschäftigte, nahm die manuelle Auswertung der Datensätze acht Jahre in Anspruch, und ein koordiniertes Vorgehen war mühselig.

Der Erzählung nach war Hollerith 1883 mit der Eisenbahn unterwegs, als ihm bei einer Fahrkartenkontrolle auffiel, wie die Eisenbahngesellschaft ihre ausgefertigten, nicht übertragbaren Fahrkarten aufgebaut hatte. Dort waren Kästchen am Rand vorgedruckt, in die Löcher mit fahrgastspezifischen Informationen gestanzt wurden, wie etwa Geschlecht, Größe, Haarfarbe oder Alter. Es handelte sich um eine Art „gelochtes Foto“, das dem Schaffner ermöglichte, betrügerische Verwendung zu erkennen.

Dies soll Hollerith dazu inspiriert haben, solche „gestanzten Fotos“ auf separaten personengebundenen Karten für die Volkszählung zu erstellen. Diese waren viel einfacher zu korrigieren, zu sortieren und zu klassifizieren. Ab 1884 arbeitete Hollerith an einem elektromechanischen System, das es ermöglichte, Karten zu sortieren, die manuell von Bedienern („Operators“) vorbereitet wurden. Seine Erfindung wurde erstmals 1886 in den Gesundheitsämtern von Baltimore für die Statistik der Sterblichkeitsrate eingesetzt.

Die Lochkarte wurde zum zentralen Bestandteil eines Systems zur Datenextraktion und -klassifizierung, für das er am 8. Juni 1887 ein Patent anmeldete und dieses am 8. Januar 1889 auch erhielt. Hollerith wollte auch das Konzept der Lochkarte selbst patentieren lassen. Dies scheiterte jedoch, da Babbages Maschine bereits öffentlich bekannt war.

Der Erfinder stellte seine Hollerith-Maschinen 1889 auf Ausstellungen in Paris und Berlin auch im Ausland vor. Für die Volkszählung in den USA im Jahr 1890 erhielt Hollerith den Zuschlag, die von ihm vermieteten Maschinen zur Auswertung der mittlerweile auf über 60 Millionen Datensätze angewachsenen Zensusdaten zu verwenden. Zu den für 1880 abgefragten Daten waren auch noch weitere Angaben hinzugekommen. Dennoch konnte die Auswertung der Volkszählung unter Zuhilfenahme der Hollerith-Maschinen auf sechs Jahre und einen deutlich geringeren personellen Aufwand verkürzt werden; die Bekanntgabe der Bevölkerungszahl (62.947.714) erfolgte sogar bereits nach sechs Wochen.

Holleriths Lochkartensystem wurde anfänglich nur zur schnellen Sortierung und Auszählung vorgegebener Datensätze verwendet. Schon bald aber verfeinerte er das System dahingehend, dass sich mit seinen Karten und Maschinen auch tabulatorische Auswertungen schnell durchführen ließen. 1896 gründete er die Tabulating Machine Company, die 1911 mit einem anderen Unternehmen zur Computing-Tabulating-Recording Company fusionierte. Aus diesem Unternehmen sollte 1924 die International Business Machines Corporation (IBM) hervorgehen. Auch im Ausland fingen Unternehmen an, sich auf das Fertigen und Auswerten von Lochkarten zu verlegen, wie etwa die am 30. November 1910 in Berlin gegründete Deutsche Hollerith-Maschinen Gesellschaft mbH (Dehomag).

Als schließlich in den 1940er-Jahren die ersten funktionsfähigen digitalen Rechner auftauchten, boten sich die bereits im Markt etablierten Lochkarten als ein vergleichsweise übersichtliches und leicht zu erlernendes Werkzeug für die Datenein- und Ausgabe an.Die von Konrad Zuse 1941 entwickelte Rechenmaschine Z3, die heute als erster moderner Computer betrachtet wird, setzte bereits auf Lochkarten zur Programmierung. Damit war die deutsche Entwicklung dem ersten US-amerikanischen Großrechner ENIAC I von 1946 bereits einen Schritt voraus, denn dieser konnte nur über manuelle Steckverbindungen programmiert werden. Andere Großrechner, die in den nächsten Jahren folgten, sollten aber ebenfalls auf Lochkarten setzen.

Überholt und doch nicht totzukriegen

Lochkarten hatten sich zwar früh als Datenträger etabliert: Mit dem von IBM schnell als Standard etablierten, und für diesen konkreten Zweck auch patentierten, 80-Zeilen-Format ließen sich effektiv 80 Byte an Daten speichern. Mehrere Lochkarten konnten an Mainframes zu umfangreicheren Programmen kombiniert werden. Dennoch hatte das System diverse Nachteile. Zum einen ist die manuelle Eingabe von Daten über mehrere Lochkarten hinweg eine vergleichsweise mühselige, zeitaufwändige Angelegenheit. Zum anderen sind Papierkarten oder -Streifen als Datenträger sehr fehleranfällig: Eine beschädigte oder gar fehlende Karte, oder auch nur das versehentliche Vertauschen zweier Karten innerhalb eines längeren Kartensatzes, konnte das gesamte Programm unbrauchbar machen. Und längere Programme, die mehr als ein Megabyte an Daten umfassten, benötigten Zigtausende solcher Lochkarten.

Ab den 1950er-Jahren kamen daher neue Speichermedien auf, die zumindest für das Sichern von Daten deutlich zuverlässiger waren: Der Großrechner IBM 701 war im Jahr 1953 der erste Computer seiner Art, der bereits Magnetbänder zur Datensicherung einsetzte. Dennoch wurden auch hier noch Lochkarten zur Dateneingabe verwendet. Der IBM 701 konnte mehr als 16.000 Additions- oder Subtraktionsoperationen pro Sekunde ausführen, 12.500 Ziffern pro Sekunde vom Band lesen sowie 180 Buchstaben oder Ziffern pro Sekunde drucken und 400 Ziffern pro Sekunde von Lochkarten ausgeben.

Fallende Preise bei Magnetbändern und das Auftreten der ersten Disketten in den 1960er-Jahren sollten die Bedeutung von Lochkarten als Ein- und Ausgabemittel der ersten Wahl schmälern. Dennoch war die Lochkarte, vor allem als Werkzeug zur Dateneingabe, bei Mainframes bis in die 1970er Jahre hinein fest etabliert und nicht wegzudenken. 1970 entwickelten Ken Thompson und Dennis Ritchie an den Bell Labs das Betriebssystem UNIX auf einem DEC PDP-7 Minicomputer, den sie mittels Lochkarten programmieren mussten. Auch in anderer Sicht sollten Lochkarten die Computerlandschaft auf lange Sicht prägen: Die Terminal-Rechner der 1970er Jahre, die per Fernzugriff auf Mainframes arbeiteten, hatten einen Bildschirmmodus von 80 Zeichen pro Zeile – in Anlehnung an die typische 80 Zeichen lange Lochkarte, die bei IBM für die Dateneingabe in ihre Großrechner Standard waren. Auch die ersten Heimcomputer wie der Altair 8800 setzen noch gelochte Papierstreifen als kostengünstige Methode ein, um vorgefertigte Programme einzulesen.

Aus der Computerlandschaft selbst sind die Lochkarten mittlerweile verschwunden. Doch in spezialisierten Bereichen, in denen überwiegend mechanisch betriebene Maschinen mit einem überschaubaren Umfang an Programmierung oder Konfigurationen zum Einsatz kommen, wurden auch im 21. Jahrhundert noch Lochkarten eingesetzt. So kommen Lochkarten etwa in automatischen Stickmaschinen zum Einsatz, um Muster vorzugeben. Aber auch als Datensätze fanden Lochkarten zumindest im vergangenen Jahrzehnt noch Anwendung. Das amerikanische Magazin PC World stellte 2012 noch ein texanisches Unternehmen aus der chemischen Industrie vor, dass weiterhin auf eine alte IBM 402 Tabelliermaschine setzte, deren Programme mittels Lochkarten gesteuert wurden. In manchen Regionen der USA oder Brasilien wurde die Technologie noch in den 2010er Jahren bei automatischen Wahlkabinen eingesetzt: Zwei Counties in Idaho setzten bei den US-amerikanischem Midterm Elections von 2014 noch Lochkarten ein, um Wahlergebnisse zu speichern und später auszuwerten. Auf lokaler Ebene waren in den USA auch 2017 noch lochkartenbasierte Wahlkabinen anzutreffen.

In einem Experiment von IBM im Jahr 2002 wurde ein Rasterkraftmikroskop mit einer 3 mm x 3 mm großen Anordnung von 1 024 (32 x 32) winzigen Spitzen verwendet, von denen jede einzeln betrieben werden konnte. Auf diese Weise wurde ein Trägermaterial gezielt auf Nanoebene punziert, was eine Art gelochten Datenträger ergab, der beschrieben und ausgelesen werden konnte. So wurde eine Flächendichte von 200 Gigabits (Milliarden Bits) pro Quadratzoll erreicht, was einer potenziellen Kapazität von etwa 0,5 Gigabytes (Milliarden Bytes, GB) auf einer Fläche von 3 mm² entspricht. Folgeexperimente haben gezeigt (Gottsman 2010), dass die Pits selbst bei hohen Temperaturen (85 °C) stabil waren und über einen sehr langen Zeitraum hinweg nicht verschwanden. Gut möglich, dass das 300 Jahre alte Lochkartenprinzip auch bei Datenträgern der Zukunft noch eine Rolle spielen kann. 

Dieser Beitrag ist zuerst erschienen auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis.

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