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パンチテープ、または穴あき紙テープは、小さな穴が開けられた長い紙片で構成されるデータ保存方式です。パンチカードから発展し、その後パンチカードと併用されるようになりましたが、違いはテープが連続している点です。
パンチカード、およびパンチカードのチェーンは、 18世紀に織機の制御に使用されました。電信システムでの使用は1842年に始まりました。パンチテープは、19世紀を通じて、そして20世紀の大部分において、プログラム可能な織機、テレプリンター通信、1950年代および1960年代のコンピュータへの入力、そして後にはミニコンピュータやCNC工作機械の記憶媒体として使用されました。第二次世界大戦中、光学読み出し方式を用いた高速パンチテープシステムは、暗号解読システムに使用されました。パンチテープは、読み出し専用メモリチップの製造のためのデータ送信にも使用されました。
穴あき紙テープは、 1725年にバジル・ブションによって織機の制御に初めて使用されました。しかし、紙テープは製造コストが高く、壊れやすく、修理も困難でした。1801年までに、ジョセフ・マリー・ジャカールは、パンチカードを順番に結んでジャカード織機用の紙テープを作る機械を開発しました。こうして作られた紙テープは「カードチェーン」とも呼ばれ、より丈夫で、製造も修理も容易になりました。これにより、データを個々のカードのストリームとしてではなく、1枚の「連続したカード」（またはテープ）として伝達するという概念が生まれました。パンチカードから作られた紙テープは、19世紀を通じて織機の制御に広く使用されました。パンチカードと紙テープは1990年代に段階的に廃止されましたが、多くのプロの刺繍業者は、デザインや機械パターンを作成する人を今でも「パンチャー」と呼んでいます。
1842年、クロード・セイトルによるフランスの特許には、穴の開いた紙ロールからデータを読み取るピアノ演奏装置が記載されていた。1900年までには、自動演奏ピアノ用の幅広の穴が開いた楽譜ロールが、ポピュラー音楽を大衆市場に普及させるために利用されるようになった。
1846年、アレクサンダー・ベインはパンチテープを使って電報を送った。この技術は1857年にチャールズ・ホイートストンによって、電信におけるデータの自動準備、保存、送信に使用されるホイートストンシステムに採用された。 [ 1 ] [ 2 ]
1880年代、トルバート・ランストンは、キーボードと組版鋳造機からなるモノタイプ活字組版システムを発明しました。キーボードで穴を開けたテープは、鋳造機によって読み取られ、最大31箇所の穴の組み合わせに応じて鉛活字が作られました。テープリーダーは圧縮空気を使用し、圧縮空気は穴を通って鋳造機の特定の機構に送られました。このシステムは1897年に商用化され、1970年代まで生産が続けられ、その間にいくつかの改良が加えられました。
21世紀において、パンチテープは趣味家やコンピュータ数値制御（CNC）加工用途を除いては時代遅れとなっている。紙テープはデジタルメモリに取って代わられたものの、一部の最新システムでは、保存されたCNCプログラムのサイズをフィートまたはメートルで測定している。これは、データが実際に紙テープにパンチされた場合の相当な長さに相当する。[ 3 ]
データは、特定の場所に穴があるかないかで表されました。テープは当初、テープの幅全体にデータ用の穴が 5 列ありました。後のテープは、より多くの列がありました。1944 年の電気機械式プログラム可能計算機、Automatic Sequence Controlled Calculator またはHarvard Mark Iは、24 列の紙テープを使用しました。[ 4 ] IBM Selective Sequence Electronic Calculator (SSEC)は、74 列の紙テープを使用しました。[ 5 ]オーストラリアの 1951 年の電子計算機、CSIRAC は、12 列の3 インチ (76 mm)幅の紙テープを使用しました。 [ 6 ]
テープの動きを同期させるために、常に小さなスプロケット穴が一列に開けられていました。当初は、スプロケットホイールと呼ばれる放射状の歯を持つホイールを使用して行われていました。後に、光学式読み取り装置では、タイミングパルスを生成するためにスプロケット穴が使用されるようになりました。スプロケット穴はテープの端にわずかに近く、テープを不均等な幅に分割することで、読み取り装置内でテープをどちらの方向に向けるべきかが明確になりました。テープの狭い幅のビットは、コードがデジタルシステムで数値として表現される場合、一般的に最下位ビットでした。 [ 7 ]
初期の多くの機械では、読み取り機構とパンチ機構の潤滑のために、軽い機械油が予め含浸された油紙テープが使用されていました。油が含浸されているため、紙はやや半透明で滑りやすく、余分な油が衣服や接触面に付着する可能性がありました。後の光学式テープリーダーでは、油分を含まない不透明な紙テープが指定されることが多くなりました。これは、光学センサーに油性の汚れが付着して読み取りエラーを引き起こす可能性が低くなったためです。もう一つの革新は、ロール状の紙テープに比べてコンパクトに収納しやすく、絡まりにくいファンフォールド紙テープでした。
高負荷または反復使用には、ポリエステル製のマイラーテープがよく使用されました。この丈夫で耐久性のあるプラスチックフィルムは、通常、紙テープよりも薄いものの、元々紙媒体用に設計された多くの機器で使用できました。プラスチックテープは透明なものもありましたが、高速光学式読み取り装置での使用に適した不透明度にするため、通常はアルミ蒸着処理が施されていました。
パンチング用テープの厚さは通常0.00394 インチ (0.100 mm)でした。最も一般的な幅は、5 ビット コード用の11 ⁄ 16インチ (17 mm)と、 6 ビット以上のテープ用の1 インチ (25 mm)でした。穴の間隔は両方向とも0.1 インチ (2.5 mm)でした。データ穴の直径は0.072 インチ (1.8 mm) 、スプロケット送り穴の直径は0.046 インチ (1.2 mm)でした。[ 8 ]
ほとんどのテープパンチ装置は、テープに穴を開けるために円形のパンチを使用していた。この工程で「チャド」と呼ばれる小さな円形の紙片が生じた。チャドの処理は、小さな紙片が容器から飛び出してテレプリンター装置の他の電気機械部品に干渉する傾向があったため、厄介で複雑な問題だった。特に油性紙テープから発生するチャドは、収集容器にスムーズに流れ込むのではなく、塊になって蓄積する傾向があったため、問題が深刻だった。
テープパンチの変形として、チャドレス印刷再穿孔機と呼ばれる装置がありました。この装置は、受信したテレプリンタ信号をテープにパンチし、同時にメッセージを印刷します。印刷機構は、通常のページプリンタと同様の仕組みです。テープパンチは、通常の丸い穴を開けるのではなく、紙に小さなU字型の切り込みを入れるため、チャッド（紙くず）は発生しません。「穴」には小さな紙製の受け口が残されます。穴を完全に開けないことで、紙の印刷はそのままの状態で読み取ることができます。これにより、オペレーターは穴を解読することなくテープを読み取ることができ、ネットワーク内の別のステーションへのメッセージの中継が容易になります。また、チャッドボックスを定期的に空にする必要もありません。
この技術の欠点は、穴を開けた後、チャドレステープは紙の突き出た部分が次のテープに引っかかってしまい、きれいに巻き取れないため、保管時にうまく巻き取れないことでした。また、後に明らかになったもう一つの欠点は、光学式センシングを採用した高速リーダーでは、チャドレステープを確実に読み取る方法がなかったことです。しかし、ほとんどの標準速度機器で使用されている機械式テープリーダーは、鈍いバネ式の機械式センシングピンで穴を検知し、紙の突き出た部分を容易に押し出すことができたため、チャドレステープでも問題なく動作しました。
テキストはいくつかの方法でエンコードされました。最も初期の標準文字エンコーディングは、19 世紀に遡る 5 つの穴を持つBaudotでした。Baudot コードは、 Murray コード(キャリッジ リターンとライン フィードを追加) などの修正された 5 穴コードに取って代わられ、これはWestern Union コードに発展し、さらにInternational Telegraph Alphabet No. 2 (ITA 2)に発展し、 American Teletypewriter コード(USTTY)と呼ばれるバリアントになりました。 [ 9 ] Teletypesetter (TTS)、FIELDATA、Flexowriterなどの他の標準は6 つの穴を持っていました。1960 年代初頭、米国規格協会はデータ処理用のユニバーサル コードを開発するプロジェクトを主導し、これはAmerican Standard Code for Information Interchange (ASCII) になりました。この 7 レベルのコードは、 AT&T ( Teletype )を含む一部のテレプリンター ユーザーによって採用されました。Telex などの他のユーザーは、以前のコードを使い続けました。
テレタイプライターでは、メッセージの記録方法としてパンチテープが用いられていました。オペレーターはメッセージを紙テープに打ち込み、テープから最大回線速度でメッセージを送信しました。これにより、オペレーターは自分の最適なタイピング速度でメッセージを「オフライン」で準備することができ、送信前に誤りを修正することも可能でした。熟練したオペレーターであれば、短時間であれば1分間に135語（WPM）以上の速度でメッセージを作成することができました。
この回線は通常75WPMの速度で動作した が、連続稼働が可能だった。テープを「オフライン」で準備し、テープリーダーでメッセージを送信することで、1人のオペレーターによる連続的な「オンライン」入力に頼ることなく、回線を連続稼働させることができた。通常、1本の75WPM 回線で、3人以上のテレタイプオペレーターがオフラインで作業することができた。受信側でパンチされたテープは、メッセージを別のステーションに中継するために使用できた。これらの技術を用いて、大規模なストアアンドフォワードネットワークが開発された。
紙テープは、毎秒最大 1,000 文字の速度でコンピュータに読み込まれることができた。[ 10 ] 1963 年、デンマークの会社Regnecentralen は 、毎秒 2,000 文字を読み取ることができるRC 2000 と呼ばれる紙テープリーダーを発表し、後に速度をさらに向上させて毎秒 2,500 文字まで上げた。第二次世界大戦 の時点で、連合軍の暗号解読者が使用していたHeath Robinson テープリーダーは毎秒2,000 文字の速度で動作し、Colossus はArnold Lynch が設計した光学テープリーダーを使用して毎秒5,000 文字で動作できた。
最初のミニコンピュータが発売された当時、ほとんどのメーカーは、キーボード入力とプリンタ出力のための低コストなソリューションとして、既存の大量生産されたASCIIテレプリンタ（主にTeletype Model 33、毎秒10文字のASCII文字を処理可能）を採用しました。一般的に指定されていたModel 33 ASRには、紙テープのパンチ/リーダーが搭載されていました。ASRは「自動送受信」を意味し、パンチもリーダーも搭載していないKSR（キーボード送受信）やRO（受信専用）モデルとは対照的です。その結果、パンチテープは低コストのミニコンピュータのデータおよびプログラム保存媒体として普及し、ほとんどのミニコンピュータ設備で、有用なプログラムが収録された複数のテープが見られるようになりました。より高速な光学式リーダーも普及しました。
これらのミニコンピュータとの間でバイナリデータを転送する際には、パンチやリーダーの比較的高いエラー率を補うため、二重符号化方式がよく用いられた。低レベルの符号化は通常ASCIIで行われ、さらにIntel Hexなどの様々な方式で符号化およびフレーム化された。Intel Hexでは、バイナリ値「01011010」がASCII文字「Z」を表す。フレーム化、アドレス指定、およびチェックサム（主にASCII 16進数）の情報は、エラー検出に役立った。このような符号化方式の効率は35～40%程度である（例えば、1フレームあたり16バイトのバイナリデータを表すのに44個の8ビットASCII文字が必要な場合、効率は36%）。
1970年代、コンピュータ支援製造装置では紙テープがよく使用されていた。紙テープリーダーは、ホレリスカードや磁気テープリーダーよりも小型で安価であり、製造環境において比較的信頼性の高い媒体であった。例えば、紙テープはコンピュータ制御のワイヤラッピング機にとって重要な記憶媒体であった。
使用頻度の高い生産用テープの寿命を延ばすため、高品質の黒色ワックス加工・潤滑処理を施した長繊維紙とマイラーフィルムテープが開発されました。
1970年代から1980年代初頭にかけて、紙テープは、マスクプログラマブル読み出し専用メモリ（ROM）チップまたはその消去可能な対応物であるEPROMに組み込むバイナリデータを転送するために一般的に使用されていました。コンピュータおよびROM/EPROMデータ転送で使用するために、非常に多様なエンコード形式が開発されました。[ 11 ]一般的に使用されたエンコード形式は、主にEPROMプログラミングデバイスがサポートする形式によって決定され、さまざまなASCII 16進数バリアントと多数の独自形式が含まれていました。
BNPF (Begin-Negative-Positive-Finish) [ 12 ] [ 13 ]はBPNF (Begin-Positive-Negative-Finish) [ 14 ] とも表記される、より原始的でより長い高レベル符号化方式も使用されていました。BNPF符号化では、1バイト(8 ビット) は、単一の大文字 ASCII "B" で始まる冗長性の高い文字フレーミング シーケンスで表されます。このシーケンスでは、"0" は "N" で、"1" は "P" で表され、最後に ASCII "F" が続きます。[ 12 ] [ 14 ] [ 13 ]これらの 10 文字の ASCII シーケンスは、1 つ以上の空白文字で区切られており、格納される各バイトに対して少なくとも 11 文字の ASCII 文字が使用されています (効率 9%)。ASCII の "N" と "P" は 4 ビットの位置で異なっており、シングル パンチ エラーに対する優れた保護を提供します。 BHLF（Begin-High-Low-Finish）およびB10F（Begin-One-Zero-Finish）と呼ばれる代替方式も利用可能で、データビットを表すために「L」と「H」または「0」と「1」も利用可能であった[ 15 ]が、これらのエンコーディング方式の両方とも、2つのデータ保持ASCII文字は1ビット位置のみが異なるため、シングルパンチエラー検出が非常に劣悪である。
オハイオ州デイトンのNCR社は、1970年頃に紙テープに穴を開けるレジスターを製造した。スウェダ社もほぼ同時期に同様のレジスターを製造していた。このテープはコンピュータに取り込むことができ、売上情報の集計だけでなく、クレジットカード取引の請求処理も可能だった。また、在庫管理や、販売商品の部門番号や分類番号の記録にもテープが利用された。
パンチ紙テープは、1970年代半ば以降まで新聞業界で使用されていました。新聞は通常、ライノタイプ機などの装置で熱鉛活字に組版されていました。通信社から送られてくる原稿をパンチ紙テープに打ち込む装置を使えば、ライノタイプ機のオペレーターがすべての記事をタイプし直す必要がなくなり、ライノタイプ機の紙テープリーダーに紙テープをセットするだけで、オペレーターが記事をタイプし直すことなく鉛活字を作成することができました。これにより、新聞社はFriden Flexowriterなどの装置を使って、テープを介してタイプされた文字を鉛活字に変換することも可能になりました。ライノタイプと熱鉛活字組版が廃れた後も、初期のフォトタイプセッターの多くは紙テープリーダーを利用していました。
6段階のテープ上のいずれかの位置にエラーが見つかった場合、その文字をヌル文字に変換してスキップすることができた。そのためには、「チキンプラッカー」と呼ばれる道具を使って、まだ穴が開けられていない残りの位置をパンチアウトする必要があった。この道具はイチゴのヘタ取り器のような形をしており、親指と人差し指で押すことで、残りの位置を1つずつ穴を開けることができた。
ヴァーナム暗号は、紙テープに保存された鍵を使用してテレプリンタ通信を暗号化するために 1917 年に発明されました。20 世紀の最後の 3 分の 1 から 21 世紀に入ってからも、国家安全保障局(NSA) はパンチ紙テープを使用して暗号鍵を配布していました。8 レベルの紙テープは、厳格な会計管理の下で配布され、新しい鍵が必要な各セキュリティ デバイスに一時的に接続されたハンドヘルドKOI-18などの充填装置によって読み取られました。紙テープの容器は、内容物の不正な変更を防止する機能を備えた改ざん防止容器でした。NSA は、新しい、より安全な電子鍵管理システム ( EKMS ) [ 16 ]を実装するための数十年の努力の後、2019 年 10 月 2 日に紙テープベースの暗号鍵の製造を最終的に終了しました。
無酸性紙やマイラーテープは、製造後何十年も読み取ることができますが、磁気テープは時間の経過とともに劣化して読み取れなくなることがあります。パンチテープの穴のパターンは、必要に応じて目視で解読でき、手動で切断して接合することでテープを編集することも可能です。磁気テープとは異なり、電気モーターなどによって発生する磁場によってパンチデータが変更されることはありません。[ 17 ]暗号化アプリケーションでは、鍵を配布するために使用されるパンチテープは、燃焼によって迅速かつ完全に破壊できるため、鍵が敵の手に渡るのを防ぐことができます。
紙テープのパンチング作業の信頼性は懸念事項であったため、重要な用途では、パンチング後に新しいパンチング済みテープを読み取って内容が正しいことを確認できるようにした。テープを巻き戻すには、テープの破れや絡まりを防ぐために巻き取りリールなどの対策が必要であった。用途によっては、「ファンフォールド」テープを使用することで、テープが折り畳まれて「巻き取りタンク」に収納され、すぐに読み取れるため、取り扱いが容易になった。パンチング済みテープの情報密度は磁気テープに比べて低く、大規模なデータセットをパンチング済みテープの形で扱うのは扱いにくかった。
