Paperitietokone – tulosta ja askartele 1950-luvun yksibittinen tietokone

Muistatko ajan, jolloin tietokoneita tehtiin paperista? Vuonna 1959 se oli aivan totta. Yhdysvaltalainen tietojenkäsittelyalan lehti julkaisi ohjeet PAPAC-00-nimiseen paperitietokoneeseen, jonka kuka tahansa saattoi tulostaa, leikata saksilla ja koota nuppineuloilla alle tunnissa. Kyseessä on yksibittinen, kahden rekisterin binäärikone – yksinkertainen mutta aidosti toimiva pienoismalli siitä, miten tietokone tallentaa ja käsittelee tietoa. Tässä artikkelissa käydään läpi, mikä PAPAC-00 on, miten se toimii, mistä tulostettavat mallit löytyvät nykyään ja millaisia muita opetuksellisia paperitietokoneita historia tuntee.

Mikä PAPAC-00 on?

PAPAC-00 on paperinen digitaalinen tietokone, jonka rakennusohjeet julkaistiin arvostetussa Communications of the ACM -lehdessä (osa 2, numero 9) syyskuussa 1959. Mallin suunnitteli Rollin P. Mayer, joka työskenteli MIT:n Lincoln Laboratory -tutkimuslaitoksessa. Nimi tulee sanoista ”paper computer” eli paperitietokone, ja pääte 00 viittaa malliin, aivan kuten oikeiden tietokoneiden mallinumerot.

Tekniseltä kuvaukseltaan PAPAC-00 on kaksirekisterinen, yksibittinen ja kiinteän käskykannan binäärinen digitaalinen tietokone. Vaikka se on tehty pelkästä paperista ja nuppineuloista, se on aidosti toimiva laite: sillä voi seurata, miten tietokoneen sisällä liikkuu ja muuttuu tietoa. Se ei kuitenkaan käytä sähköä, vaan sen ”prosessorina” toimii ihminen, joka siirtää paperiosia käsin.

Alla avataan tekniset termit selkokielellä, jotta kokonaisuus aukeaa myös ilman aiempaa tietoteknistä taustaa.

Näin yksibittinen paperitietokone toimii

PAPAC-00:n toiminta perustuu muutamaan tietokoneen peruskäsitteeseen. Käydään ne läpi yksi kerrallaan.

• Bitti on pienin tiedon yksikkö. Se voi saada vain kaksi arvoa: 0 tai 1. Kun laitetta sanotaan yksibittiseksi, se käsittelee kerrallaan juuri yhtä tällaista arvoa.
• Rekisteri on pieni muistipaikka, johon tietokone tallentaa arvon työskentelyn ajaksi. PAPAC-00:ssa on kaksi rekisteriä, joten se pystyy pitämään muistissa kaksi bittiä samanaikaisesti.
• Binäärinen tarkoittaa, että kaikki tieto esitetään kaksijärjestelmässä eli pelkillä ykkösillä ja nollilla – ei tuttuja numeroita 0–9.
• Kiinteä käskykanta tarkoittaa, että laite suorittaa aina saman ennalta määrätyn toiminnon. Sitä ei ohjelmoida uudelleen kuten myöhempiä tietokoneita, vaan se havainnollistaa yhtä logiikkaoperaatiota kerrallaan.

Käytännössä laite kootaan siten, että paperiosat liikkuvat toistensa suhteen nuppineulojen varassa. Kun käyttäjä asettaa rekisterien arvot ja siirtää osia ohjeen mukaan, paperikone ”laskee” tuloksen näkyviin. Ihminen toimii siis kellona ja käyttövoimana, ja paperimekanismi näyttää, miten bitit muuttuvat.

Bitti ja binäärijärjestelmä lyhyesti

Binäärijärjestelmä on tietokoneiden äidinkieli: jokainen kirjain, kuva ja laskutoimitus pelkistyy lopulta ykkösten ja nollien jonoiksi. Sama periaate näkyy monissa arkisissa vempaimissa – esimerkiksi binäärikello näyttää ajan pelkillä valopisteillä, joista jokainen vastaa yhtä bittiä. Sama idea toistuu ranteessa kannettavassa binäärirannekellossa. PAPAC-00 on tavallaan saman aakkoston oppikirja: se opettaa lukemaan ja liikuttelemaan yksittäisiä bittejä käsin.

Mitä tarvitset ja miten kone kootaan

Alkuperäisen ohjeen mukaan yksinkertaistetun tietokoneen sai koottua alle tunnissa hyvin vaatimattomilla välineillä. Tarvikelista on lyhyt:

• tulostetut tai kopioidut mallisivut (alkuperäiset kuviot 1 ja 2)
• sakset osien leikkaamiseen
• noin kolme tusinaa eli 36 tavallista nuppineulaa, jotka toimivat niveleninä ja liikkuvina osina
• tukeva alusta, esimerkiksi pahvi, johon neulat saa kiinnitettyä

Kokoaminen etenee leikkaamalla osat irti, kohdistamalla ne päällekkäin ja kiinnittämällä ne neuloilla niin, että liikkuvat palat pääsevät liukumaan. Tarkkuutta vaativin vaihe on neulojen asettelu: jos ne ovat väärässä kohdassa tai liian tiukalla, mekanismi ei liiku oikein. PAPAC-00 jatkaa samaa pitkää perinnettä kuin muutkin paperille tulostettavat askartelumallit, joissa arkisista materiaaleista syntyy toimiva pienoismalli.

Miksi paperitietokone rakennettiin?

Mayerilla oli ohjeen taustalla selkeä opetuksellinen tavoite. Hän esitti artikkelissaan kolme ajatusta, jotka olivat vuonna 1959 varsin edistyksellisiä:

• tietojenkäsittelyala tarvitsee lisää ihmisiä, jotka ymmärtävät digitaalisten tietokoneiden perusrajoitukset ja mahdollisuudet
• tietokoneteollisuuden kannattaisi tarjota perustason tietokoneopetusta mahdollisimman laajalle joukolle
• tavallisella 12-vuotiaalla on jo kiinnostus, taidot ja perustiedot rakentaa ja ymmärtää yksinkertaisia toimivia pienoismalleja lähes mistä tahansa

Ajatus oli aikanaan poikkeuksellinen: 1950-luvun lopulla tietokoneet olivat huoneen kokoisia, kalliita ja harvojen ulottuvilla. Aikakautta kuvaa hyvin se, että vielä pitkään myöhemminkin kotitietokoneita mainostettiin 16 kilotavun muistilla suurena saavutuksena. Paperinen malli antoi tavalliselle ihmiselle ja koululaiselle mahdollisuuden ymmärtää tietokoneen toimintaperiaate ilman kallista laitteistoa.

Muut opetukselliset paperitietokoneet

PAPAC-00 ei jäänyt ainoaksi laatuaan. Halvasta materiaalista rakennettavien opetustietokoneiden perinne jatkui vuosikymmeniä, ja monet niistä ovat edelleen tunnettuja tietotekniikan historian ystävien parissa. Alla oleva vertailu kokoaa tunnetuimmat.

Tunnetuin näistä on todennäköisesti CARDIAC, Bell Labsin pahvinen opetustietokone vuodelta 1968. Se on jo selvästi kehittyneempi kuin PAPAC-00: siinä on 100 muistipaikkaa ja kymmenen käskyn ohjelmoitava käskykanta, ja käyttäjä liikuttaa liukukortteja seuraten ohjelmaa vaihe vaiheelta. Saksassa taas WDR-paperitietokone eli Know-how-Computer levisi 1980-luvulla yli 400 000 kappaleen painoksena; siinä rekisterien arvoja kuvataan laatikoihin asetelluilla tulitikuilla. Muovinen Digi-Comp I puolestaan toi saman idean lelukauppaan jo 1963, ja vuoden 1967 kirja How to Build a Working Digital Computer opasti kokoamaan toimivan koneen jopa paperiliittimistä.

Mistä tulostettavat mallit löytyvät nykyään

Alkuperäinen vuoden 1959 artikkeli kuvineen ja mallineineen on säilynyt, ja se on arkistoitu verkkoon tietotekniikan historiaa dokumentoiville sivustoille. Ajantasaiset ja toimivat osoitteet on koottu tämän jutun lähdeluetteloon. Kannattaa huomata, että vanhat nettilinkit vanhenevat nopeasti: moni aiemmin käytetty osoite ohjautuu nykyään pysäköidyille verkkotunnuksille, joten mallit kannattaa hakea vain luotettavista arkistoista.

Yleisimmät virheet askartelussa

• Liian ohut paperi. Tavallinen tulostuspaperi voi olla liian veltto liikkuville osille. Hieman paksumpi paperi tai pahville liimaaminen pitää mekanismin ryhdikkäänä.
• Neulojen väärä asettelu. Jos nuppineulat ovat väärissä kohdissa tai liian tiukalla, osat eivät liu’u. Alkuperäisohjeessakin korostettiin neulojen huolellista sijoittelua.
• Epätarkka leikkaaminen. Osien reunat kannattaa leikata siististi, jotta kohdistus onnistuu ja arvot näkyvät oikein.
• Kiire. Vaikka kokoaminen vie alle tunnin, huolellisuus ratkaisee toimivuuden enemmän kuin nopeus.

Usein kysytyt kysymykset (UKK)

Onko PAPAC-00 oikea tietokone?

Kyllä ja ei. Se on aidosti toimiva digitaalinen laite, joka käsittelee bittejä ja havainnollistaa tietokoneen toimintaperiaatetta. Se ei kuitenkaan käytä sähköä eikä ole ohjelmoitava yleiskone, vaan opetuksellinen pienoismalli, jonka käyttövoimana toimii ihminen.

Kuka PAPAC-00:n suunnitteli?

Mallin suunnitteli Rollin P. Mayer MIT:n Lincoln Laboratory -tutkimuslaitoksesta, ja ohjeet julkaistiin Communications of the ACM -lehdessä syyskuussa 1959.

Mitä tarvitsen paperitietokoneen rakentamiseen?

Tulostetut mallisivut, sakset, noin 36 tavallista nuppineulaa ja tukevan alustan. Alkuperäisohjeen mukaan koneen sai koottua alle tunnissa.

Mitä tarkoittaa yksibittinen?

Se tarkoittaa, että laite käsittelee kerrallaan yhtä bittiä eli tiedon pienintä yksikköä, joka voi saada vain arvon 0 tai 1. Kahden rekisterinsä ansiosta PAPAC-00 voi pitää muistissa kaksi bittiä yhtä aikaa.

Mistä löydän tulostettavat mallit nykyään?

Alkuperäinen artikkeli mallineineen on arkistoitu tietotekniikan historiaa dokumentoiville sivustoille. Toimivat osoitteet löytyvät tämän artikkelin lähdeluettelosta.