Disque dur

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Schéma d'un disque dur Le disque dur ou Hard Disk Drive est une mémoire de masse magnétique. Il a remplacé efficacement les tambours (aujourd'hui obsolètes) et les bandes, qui sont utilisées de nos jours uniquement pour l'archivage et la sauvegarde. Les disques durs ont été développés à l'origine pour les ordinateurs. Tout d'abord en attachement local, ils peuvent être aujourd'hui organisés en réseaux (NAS et SAN) de capacité et de fiabilité croissantes.
Disque dur

Schéma d'un disque dur Le disque dur ou Hard Disk Drive est une mémoire de masse magnétique. Il a remplacé efficacement les tambours (aujourd'hui obsolètes) et les bandes, qui sont utilisées de nos jours uniquement pour l'archivage et la sauvegarde. Les disques durs ont été développés à l'origine pour les ordinateurs. Tout d'abord en attachement local, ils peuvent être aujourd'hui organisés en réseaux (NAS et SAN) de capacité et de fiabilité croissantes. Les disques durs font l'objet de multiples usages au-delà des ordinateurs, on peut les retrouver notamment dans des caméscopes, des lecteurs/enregistreurs de DVD de salon, des consoles de jeux vidéo, des assistants numériques personnels et des téléphones mobiles.

Résumé de l'histoire du disque dur

Inventé en 1956 par IBM, la capacité du disque dur a depuis fortement augmenté tandis que son encombrement a été tout aussi fortement réduit. L’abréviation HDD signifie Hard Disk Drive : lecteur de disque dur. Le premier disque dur, l'IBM 350 (qui faisait partie de l'ordinateur RAMAC 305), avait une capacité de cinq mégaoctets ; il était composé de 50 plateaux de 24 pouces de diamètre (61 centimètres). En 1998, année où l'on commémorait le centenaire de l'enregistrement magnétique (inventé par le Danois Valdemar Poulsen), IBM commercialisa le premier disque dur de 25 gigaoctets (Deskstar 25 GP), capacité présentée à l'époque par la presse comme disproportionnée par rapport aux besoins réels des particuliers. Cinq ans plus tard, on considérait 80 Go comme une taille à peine suffisante. En 50 ans, la capacité des disques durs a été multipliée par un facteur puisqu'un disque actuel (2007) peut atteindre 1 To (sous un volume incomparablement moindre). Plus de 3, 5 millions de téra-octets sont stockés chaque année sur des périphériques de stockage de masse du type disques durs magnétiques. La surface occupée par un bit d’information sur le disque s’est vue réduite d'un facteur 100 000 en trente ans de recherches et d'innovations, améliorant fondamentalement les capacités de stockage, les temps d'accès, l'encombrement et le coût de stockage.

Principe de fonctionnement

L'intérieur d'un disque dur dont le plateau a été retiré. Sur la gauche se trouve le bras de lecture/écriture. Au milieu on peut voir les électro-aimants du moteur du plateau Dans un disque dur, on trouve des plateaux rigides en rotation. Chaque plateau est constitué d'un disque réalisé généralement en aluminium, qui a les avantages d'être léger, facilement usinable et non magnétique. Des technologies plus récentes utilisent le verre ou la céramique, qui permettent des états de surface encore meilleurs que ceux de l'aluminium. Les faces de ces plateaux sont recouvertes d'une couche magnétique, sur laquelle sont stockées les données. Ces données sont écrites en code binaire sur le disque grâce à une tête de lecture/écriture, petite antenne très proche du matériau magnétique. Suivant le flux électrique qui traverse cette tête, elle modifie le champ magnétique local pour écrire soit un 1, soit un 0, à la surface du disque. Pour lire, c'est le même principe qui est utilisé, mais dans l'autre sens : le champ magnétique local engendre un flux électrique au sein de la tête qui dépend de la valeur précédemment écrite, on peut ainsi lire un 1 ou un 0. Un disque dur typique contient un axe central autour duquel les plateaux tournent à une vitesse de rotation constante. Les têtes de lecture/écriture sont reliées à une même armature qui se déplace à la surface des plateaux, avec une tête par plateau. L'armature déplace les têtes radialement à travers les plateaux pendant qu'ils tournent, permettant ainsi d'accéder à la totalité de leur surface. L'électronique associée contrôle le mouvement de l'armature ainsi que la rotation des plateaux, et réalise les lectures et les écritures suivant les requêtes émises par le contrôleur du disque. Les firmwares des disques durs récents sont capables d'organiser les requêtes de manière à minimiser le temps d'accès aux données, et donc à maximiser les performances du disque.

Mécanique

Plateaux

Les plateaux sont solidaires d'un axe sur roulements à billes ou à huile. Cet axe est maintenu en mouvement par un moteur électrique. La vitesse de rotation est actuellement (2007) comprise entre et tours/minute (l'échelle typique des vitesses est , , , , et tours/minute). La vitesse de rotation est conservée constante. Les plateaux sont composés d'un substrat, autrefois en aluminium (ou en zinc), de plus en plus souvent en verre, traités par diverses couches dont une ferromagnétique recouverte d'une couche de protection. L'état de surface doit être le meilleur possible.

Tête de lecture/écriture

Le bras supportant les deux têtes de lecture/écriture. Les rayures visibles sur la surface du plateau indiquent que le disque dur était en panne, victime d'un «atterrissage». Le moteur du bras, les deux parties blanches de part et d'autre de la bobine sont des aimants. Le couvercle contenant deux autres aimants a été retiré pour faire apparaître le pivot et la bobine. Tête de disque dur de 1970 Fixées au bout d'un bras, elles sont solidaires d'un second axe qui permet de les faire pivoter en arc de cercle sur la surface des plateaux. Toutes les têtes pivotent donc en même temps. Il y a une tête par surface. Leur géométrie leur permet de voler au-dessus de la surface du plateau sans le toucher : elles reposent sur un coussin d'air créé par la rotation des plateaux. En 1997, les têtes volaient à 25 nanomètres de la surface des plateaux, aujourd'hui (2006) cette valeur est d'environ 10 nanomètres. Le moteur qui les entraîne doit être capable de fournir des accélérations et décélérations très importantes. Un des algorithmes de contrôle des mouvements du bras porte-tête est d'accélérer au maximum puis de freiner au maximum pour que la tête se positionne sur le bon cylindre. Il faudra ensuite attendre un court instant pour que les vibrations engendrées par le freinage s'estompent. À l'arrêt, les têtes doivent être parquées, soit sur une zone spéciale (la plus proche du centre, il n'y a alors pas de données à cet endroit), soit en dehors des plateaux. Si une ou plusieurs têtes entrent en contact avec la surface des plateaux, cela s'appelle un atterrissage et provoque le plus souvent la destruction des informations situées à cet endroit. Une imperfection sur la surface telle qu'une poussière aura le même effet. La mécanique des disques durs est donc assemblée en salle blanche et toutes les précautions (joints, etc.) sont prises pour qu'aucune impureté ne puisse pénétrer à l'intérieur du boîtier (appelé « HDA » pour « Head Disk Assembly » en anglais). Les technologies pour la conception des têtes sont (en 2006) :
- Tête inductive
- Tête MR - MagnétoRésistive
- Tête GMR - Giant MagnétoRésistive

Électronique

Elle est composée d'une partie dédiée à l'asservissement des moteurs et d'une autre à l'exploitation des informations électriques issues de l'interaction électromagnétique entre les têtes de lecture et les surfaces des plateaux. Une partie plus informatique va faire l'interface avec l'extérieur et la traduction de l'adresse absolue d'un bloc en coordonnées à 3 dimensions (tête, cylindre, bloc). L'électronique permet aussi de corriger les erreurs.

Types d'interface des disques durs

Un disque dur à interface SCSI Les interfaces des disques durs ont largement évolué avec le temps dans un souci de simplicité et d'augmentation des performances. Voici quelques interfaces possibles :
- Storage Module Device (SMD), très utilisée dans les années 1980, elle était principalement réservée pour les disques de grande capacité installés sur des serveurs.
- ST506, très utilisée au début de la micro-informatique dans les années 1980.
- ESDI (Enhanced Small Device Interface), a succédé au ST506, qu'elle améliore.
- L'interface IDE (ou PATA par opposition au SATA, voir plus loin), la plus courante dans les machines personnelles jusqu'à récemment (2005), appelée aussi ATA (AT ATACHMENT), à ne pas confondre avec S-ATA, cette dernière l'ayant remplacée.
- SCSI (Small Computer System Interface), plus chère, mais offrant des performances supérieures. Toujours utilisée et améliorée (passage de 8 à 16 bits notamment, et augmentation de la vitesse de transfert, normes SCSI-1, SCSI-2, SCSI-3).
- SAS (Serial Attached SCSI), combine les avantages du SCSI avec ceux du Serial ATA (elle est compatible avec cette dernière).
- Serial ATA (ou S-ATA), est une interface série, peu coûteuse et plus rapide qu'ATA (normes SATA et SATA II), c'est la plus courante désormais (2005).
- Fibre-Channel (FC-AL), est un successeur du SCSI. La liaison est série et peut utiliser une connectique fibre optique ou cuivre. Principalement utilisée sur les serveurs.

Alimentation électrique

-Elle s'effectue en général par un connecteur Molex. Il est à noter que beaucoup de disques durs Serial ATA n'utilisent pas de connecteur molex pour être alimentés mais une prise longue et plate caractéristique de cette norme de transfert.

Géométrie

Chaque plateau (2 surfaces) est composé de pistes concentriques. Les pistes situées à un même rayon forment un cylindre. Ici 3 plateaux ; 6 têtes de lectures car 6 surfaces à lire. Géométrie d'un disque dur La piste est délimitées en secteurs (aussi appelés blocs) contenant les données. Géométrie d'une surface. Les pistes sont concentriques, les secteurs contigus. Il faut donc trois coordonnées pour accéder à un bloc (ou secteur) :
- le numéro de la tête de lecture (choix de la surface)
- le numéro de la piste (détermine le déplacement de la tête)
- le numéro du bloc (ou secteur) sur cette piste (détermine à partir de quand il faut commencer à lire les données). Cette conversion est faite par le contrôleur du disque à partir de l'adresse absolue du bloc (un nombre compris entre 0 et le nombre total de blocs (moins 1) contenu sur le disque). On notera que les secteurs extérieurs et intérieurs n'ont pas la même taille physique. Sur les premiers disques, une surface était formatée en usine et contenait les informations permettant au système de se synchroniser (de savoir quelle était la position des têtes à tout moment). Cette surface était dénommée « servo ». Par la suite, ces zones de synchronisation ont été mixées entre les blocs de données, mais elles sont toujours formatées en usine. Typiquement donc, on trouvera sur une piste une succession de :
- un petit « blanc » ou « espace » (« gap » en anglais),
- une zone servo,
- un entête avec contenant le numéro du bloc qui va suivre,
- les données,
- une somme de contrôle permettant de corriger des erreurs. Format d'un secteur. Il ne contient pas seulement les données stockées, mais aussi un préambule permettant de synchroniser le système d'asservissement du disque, un entête avec l'identifiant du bloc et enfin une somme de contrôle (Σ) permettant de détecter d'éventuelles erreurs.

Mesurer la capacité

La capacité d'un disque dur peut être calculée ainsi : nombre de cylindres
- nombre de têtes
- nombre de secteurs
- nombre d'octets/secteur (généralement 512)
Cependant, les valeurs de cylindre, tête, & de secteur ne sont pas exactes pour les disques utilisant le "zone bit recording" (enregistrement de morceau zonal Laughing), ou la translation d'adresses. Sur les disques ATA de taille supérieure à 8 Go, les valeurs sont fixées à cylindres, 16 têtes, 63 secteurs pour la compatibilité avec les systèmes d'exploitation plus anciens. Exemple avec un disque dur S-ATA Hitachi de fin 2005 : 63 secteurs
- 255 têtes
- cylindres
- 512 octets/secteur = octets soit 76, 688 Gio (ou 82, 343 Go).

Performances

Pour lire le secteur (en vert) situé sur une piste interne à l'opposée de la tête de lecture (en rouge), il faut déplacer la tête vers l'intérieur (TSeek), attendre que le bloc arrive sous la tête (TLatence) puis lire la totalité du bloc (TTransmission). Il est possible d'optimiser le temps d'accès en prenant en compte la vitesse de rotation pendant que la tête se déplace. Le temps d'accès et le débit d'un disque dur permettent d'en mesurer les performances. Les facteurs principaux à prendre en compte sont :
- le temps de latence, facteur de la vitesse de rotation des plateaux. Le temps de latence (en seconde) est égal à 60 divisé par la vitesse de rotation en tour par minute. Le temps de latence moyen est égal au temps de latence divisé par 2 (car on estime que statistiquement les données sont à un demi-tour près des têtes). Dans les premiers disques durs, jusqu'en 1970, le temps de latence était d'un tour : on devait en effet attendre que se présente la home address, rayon origine (1/2 tour) devant les têtes, puis on cherchait le ou les secteurs concernés à partir de cette home address (1/2 tour). IBM munit des disques 3033 d'une piste fixe entière destinée à l'adressage, et qui éliminait le besoin de home address.
- le temps de recherche, ou seek time en anglais, est le temps que met la tête pour se déplacer jusqu'au cylindre choisi. C'est une moyenne entre le temps piste à piste, et le plus long possible (full-stroke).
- le temps de transfert est le temps que vont mettre les données à être transférées entre le disque dur et l'ordinateur par le biais de son interface. Pour estimer le temps de transfert total, on additionne ces trois temps. On pourra rajouter le temps de réponse du contrôleur, etc. Il faut souvent faire attention aux spécifications des constructeurs, ceux-ci auront tendance à communiquer les valeurs de pointe au lieu des valeurs soutenues (par exemple pour les débits). Voici deux disques comparés. Le premier, le DEC RP07 équipait les ordinateurs DEC des années 1970-80, tandis que le Maxtor est un disque de 3, 5 pouces récent (2004). Ils peuvent tous les deux être considérés comme des disques haut de gamme au moment de leur mise sur le marché. L'ajout de mémoire vive sur le contrôleur du disque permet d'augmenter les performances. Cette mémoire sera remplie par les blocs suivants le bloc demandé, en espérant que l'accès aux données sera séquentiel. En écriture, le disque peut informer l'hôte qui a initié le transfert que celui-ci est terminé alors que les données ne sont pas encore écrites sur le média lui-même. Comme tout système de cache, cela pose un problème de cohérence des données.

Capacité de stockage

Les capacités actuelles (2007) s'échelonnent entre 74 Mo et 8 To (téra-octets) atteints grâce à l'utilisation de plusieurs disques durs à la fois. Le disque dur solo à la capacité la plus importante est le Hitachi Deskstar T7K1000, qui dispose d'1 To (téra-octets) (2007). La capacité des disques durs a augmenté beaucoup plus vite que leur rapidité, limitée par la mécanique.

Formats

Les dimensions des disques durs sont normalisées :
- 19 pouces pour les anciens disques (à interface SMD).
- 8 pouces : génération suivante, permettant de mettre deux disques sur une largeur de baie.
- 5 pouces 1/4 : format apparu dans les années 1980, on le trouve aussi en demi-hauteur.
- 3 pouces ½ est la taille standard à ce jour.
- 2 pouces ½ pour les ordinateurs portables à l'origine et installé sur les serveurs depuis 2006.
- 1 pouce 1/8 pour les baladeurs numériques, les ordinateurs ultraportables, certains disques durs externes. Les plus petits disques entrent dans la catégorie des microdrives, avec une taille de 1 pouce.

Microdrives

Les microdrives ont été créés par IBM. Le début de leur développement date de plus de 10 ans mais ils n'ont été commercialisés que très récemment, pour répondre aux besoins des baladeurs numériques et surtout de la photographie numérique. Les disques microdrive sont au format des cartes mémoires CompactFlash (CF type 2) et sont utilisés de la même manière. Leur capacité varie de 384 Mo à 8 Go. Ils sont néanmoins plus chers (mécanique de précision avec systèmes antichocs), plus fragiles cependant, et consomment davantage à cause de leur micromoteur. Ils sont principalement utilisés dans les appareils photos professionnels et dans certains lecteurs MP3 en raison de leurs capacités importantes. Ce succès a rendu leurs prix plus abordables.

Fabricants

Le nombre de fabricants de disques durs est assez limité de nos jours, en raison de divers rachats ou fusions d'entreprises, voire l'abandon par certaines entreprises de cette activité.
- Cornice
- Hitachi GST
- ExcelStor
- Fujitsu
- GS-Magic
- Seagate
- Western Digital
- Samsung
- Toshiba Constructeurs historiques :
- Bull périphériques
- CDC (Imprimis)
- Conner Peripherals
- Hewlett-Packard
- IBM
- Maxtor
- Micropolis
- NEC
- Quantum
- Storage Technology
- Tandem
- Univac

Émulation

Parfois il est nécessaire d'avoir un périphérique en tout point similaire à un disque dur, mais avec des temps d'accès beaucoup plus rapides, au détriment de la capacité. Il y a deux façons d'atteindre ce but : soit par l'utilisation d'un disque SSD, soit par la création d'un disque virtuel, comme décrit ci-dessous.

Les disques virtuels

Parfois aussi appelés RAM Disques. C'est un artifice qui permet d'émuler un disque dur à partir d'un espace alloué en mémoire centrale. Sa création, son effacement et son accès se font par le biais d'appels systèmes (le noyau peut contenir des pilotes adéquats). Les temps d'accès sont extrêmement rapides ; en revanche, par construction, leur capacité ne peut excéder la taille de la mémoire centrale. Les données étant perdues si la mémoire n'est plus alimentée électriquement, on les utilise en général pour des fichiers en lecture seule, copies de données sur disque, ou pour des fichiers intermédiaires dont la perte importe peu.
- rangement de données très souvent consultées (par exemples fichiers .h en langage C)
- rangement de fichiers intermédiaires de compilation (sous Linux, fichiers .o)

Le concurrent du HDD : le Solid State Drive

Un disque SSD (pour Solid State Drive, appelé couramment, à tort Disk, alors qu'aucune partie n'est mobile) a extérieurement l'apparence d'un disque dur classique, y compris l'interface, mais techniquement, il ne contient aucun élément mécanique, les données étant stockées dans de la mémoire flash. De ce fait, les temps d'accès sont très rapides et les débits très importants, mais lors de leur introduction, leur capacité était encore limitée à 512 Mo. En 2007, on trouve des modèles de plus haute capacité (1 à 8 Go à des prix plus ou moins abordables suivant la capacité désirée), voire bien plus (60 Go)http://www.vnunet.fr/fr/vnunet/news/2007/05/04/m-moire-flash-dominera-march. et plus encore, mais à des prix prohibitifs à l'heure actuelle. Cette technologie est utilisée principalement dans des environnements ou des conditions d'utilisation non adaptés aux disques durs classiques (mouvements brusques, accélérations importantes, températures extrêmes, chocs et vibrations importantes, etc.). Du fait de leur prix encore rédhibitoire, ces supports de stockage sont pour l'instant encore réservés à de rares domaines d'applications du monde professionnel. La société développe par exemple de tels produits à destination des forces armées.

Disques durs hybrides

A mi-chemin entre le disque dur et le SSD (Solid State Drive - entièrement composé de mémoire Flash), les disques durs hybrides sont des disques magnétiques classiques accompagnés d'un petit module de mémoire Flash. Développé en priorité pour les portables, l'avantage de ces disques est de réduire la consommation d'énergie, d'augmenter la vitesse de démarrage et d'augmenter la vie du disque dur. Lorsqu’un ordinateur portable équipé d’un disque hybride a besoin de stocker des données, en fait, il les range temporairement dans la mémoire flash ce qui évite aux pièces mécaniques de se mettre en route. L'utilisation de la mémoire Flash devrait permettre d'améliorer de 20% les chargements et le temps de démarrage des PC. Les PC portables devraient eux profiter d'une augmentation d'autonomie de 5 à 15%, ce qui pourrait se traduire par un gain de 30 minutes sur les dernières générations de PC portables.

Historique

Les ingénieurs d'IBM n'étaient pas satisfaits des systèmes de stockage sur tambours magnétiques : l'efficacité volumétrique était très faible, les tambours occupaient beaucoup d'espace pour peu de capacité. En 1953, un ingénieur récemment embauché eut l'idée de superposer des plateaux le long d'un axe et d'y adjoindre une tête de lecture/écriture mobile, située sur un axe parallèle à celui des plateaux. Cette tête venait s'insérer entre les plateaux pour lire les informations, mais devait se retirer complètement pour passer d'un plateau à un autre. Un prototype fut construit avec une vitesse de rotation d'environ tours/minute. À cette vitesse il était compliqué de maintenir les têtes au-dessus de la surface des plateaux. L'idée fut alors d'injecter de l'air sous-pression au travers de la tête de lecture, ce qui la maintenait au-dessus du plateau. La distance tête-plateau était de 20 μm. En 1955, le premier système de ce type a été dévoilé au public par IBM, il fut baptisé RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), modèle 305, et la production commerciale commença en juin 1957. Jusqu'à 1961 plus d'un millier d'unités furent vendues. Son prix : dollars (de l'époque) par mégaoctet. Le RAMAC 305 était constitué de 50 disques de 24 pouces de diamètre, deux têtes de lecture/écriture qui pouvaient se déplacer d'un plateau à un autre en moins d'une seconde. La capacité totale était de cinq millions de caractères. À noter que le RAMAC avait déjà un concurrent : le Univac File Computer, composé de 10 tambours magnétiques chacun d'une capacité de 180 000 caractères. Bien que ce dernier ait eu une vitesse supérieure, c'est le RAMAC, qui pouvait stocker trois fois plus d'informations, qui avait le rapport coût/performance le plus intéressant pour le plus grand nombre d'applications. En juin 1954 J. J. Hagopian, ingénieur IBM, a l'idée de faire « voler » les têtes de lecture/écriture au dessus de la surface des plateaux, sur un coussin d'air. Il propose le design de la forme de ces têtes. En septembre 1954 il dessine l'équivalent des disques durs actuels : des plateaux superposés et un axe sur lequel sont fixées les têtes de lecture/écriture. Cela deviendra un produit commercial en 1961 sous la dénomination « IBM 1301 Disk Storage ». Fin 1969, trois ingénieurs réfléchissent à ce qui pourrait être pour eux le système disque idéal. Ils tombent d'accord sur un modèle composé de deux disques de 30 Mo chacun, l'un amovible, l'autre fixe. « 30 - 30 » donc, qui est aussi un modèle de carabine Winchester. Le nom est resté, et encore aujourd'hui un disque Winchester désigne un disque dur non amovible (soit quasiment tous les disques produits aujourd'hui).

Références

Voir aussi

- Clusters - NAS - RAID - SAN - SSD

Sujets connexes
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