Disque dur

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Le disque dur est un périphérique de stockage magnétique. Il a remplacé efficacement les tambours (aujourd'hui obsolètes) et les bandes, seulement utilisées de nos jours pour l'archivage et la sauvegarde. Inventés dans les années 1950 par IBM, leur capacité augmente très rapidement tandis que leur encombrement se réduit.

Historique

Les ingénieurs d'IBM n'étaient pas satisfait 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 1000 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 à 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 : 10 000 dollars (de l'époque) par megaoctet.

Le RAMAC 305 était constitué de 50 disques de 24 pouces de diamètre, 2 têtes de lecture/écriture qui pouvaient se déplacer d'un plateau à un autre en moins d'une seconde. La capacité totale était de 5 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. Malgré 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 superposées et un axe sur lequel sont fixés 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).

Géométrie

Chaque plateau (2 surfaces) est composé de pistes concentriques. Les pistes situées à un même diamètre forment un cylindre.

Sur une piste les données sont délimitées en secteurs, aussi appelés blocs.

Il faut donc trois coordonnées pour accéder à un bloc :

1. le numéro de la tête (choix de la surface)
2. le numéro de la piste (détermine le déplacement de la tête)
3. le numéro du bloc 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.

Sur les premiers disques, une surface était formatée en usine et contenait les informations permettant au système de se synchroniser (de savoir quel 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 :

1. un petit « blanc » ou « espace » (« gap » en anglais),
2. une zone servo,
3. un entête avec contenant le numéro du bloc qui va suivre,
4. les données,
5. une somme de contrôle permettant de corriger des erreurs.

Performances

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 :

1. le temps de latence, facteur de la vitesse de rotation des plateaux. Le temps de latence moyen (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).
2. 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).
3. 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 valeur soutenu (par exemple pour les débit).

Voici deux disques comparés. Le premier, le DEC RP07 équipait les ordinateurs DEC des années 70-80, tandis que le Maxtor est un disque de 3,5 pouces récent (2004). Ils peuvent tous les deux être considéré comme des disques haute 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 écrite sur le média lui-même. Comme tout système de cache, cela pose un problème de cohérence des données.

Capacité de stockage

Les capacités actuelles (2005) s'échelonnent entre 20 Go et 400 Go. La capacité des disques durs a augmenté beaucoup plus vite que leur rapidité, limitée par la mécanique.

Mécanique

Plateaux

Les plateaux sont solidaires d'un axe sur roulements à billes. Cet axe est maintenu en mouvement par un moteur électrique. La vitesse de rotation est actuellement (2005) comprise entre 3 600 et 15 000 tours/minute (l'échelle typique des vitesses est 3 600, 4 200, 5 400, 7 200, 10 000 et 15 000 tours/minute). La vitesse de rotation est conservée constante.

Les plateaux sont composés d'un substrat, autrefois en aluminium, de plus en plus souvent en verre, traitées 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

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 plateaux 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 (2005) 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, soit en dehors des plateaux.

Si une ou plusieurs tête rentre en contact avec la surface des plateaux, cela s'appelle un atterrissage et provoque la destruction des informations situées à cet endroit. La mécanique des disques durs est donc assemblées en salle blanche et toutes les précautions (joints etc.) sont prises pour qu'aucune impureté ne puisse pénétrer à l'intérieur du boîtier (appellé « HDA » pour « Head Disk Assembly » en anglais).

Les technologies pour la conception des têtes sont (en 2005) :

• 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 la 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 est aussi responsable de corriger les erreurs.

Types d'interfaces des disques durs

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 :

• SMD (Storage Module Device), très utilisé dans les années 1980, elle était principalement réservée pour les disques de large capacité installés sur des serveurs.
• ST506, très utilisé au début de la micro informatique dans les années 1980.
• ESDI (Enhanced Small Device Interface), a succédé au ST506, qu'il améliore.
• L'interface IDE (ou PATA par opposition au SATA, voir plus loin), les plus courants dans les machine personnelles, appelé aussi ATA (AT ATACHMENT), à ne pas confondre avec S-ATA
• 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).
• Serial ATA (ou S-ATA), est une interface série, peu coûteuse et plus rapide (le serial-ATA est en cours de remplacement par le serial-ATA II).
• Fibre-Channel (FC-AL), est un successeur du SCSI. La liaison est série et peut utiliser une connectique fibre optique ou cuivre. Principalement utilisé sur les serveurs.
• Les disques durs nomades : format PCMCIA, ROM USB, SmartMedia, CompactFlash, etc. Utilisés pour la photo numérique par exemple.

Formats

Les dimensions des disques durs sont normalisées :

• 19 pouces pour les anciens disques (à interfaces 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, exista aussi en demie-hauteur.
• 3 pouces ½ est la taille standard à ce jour (2005).
• 2 pouces ½ pour les ordinateurs portables.
• 1 pouces 8 pour les baladeurs mp3, certains disques durs externes.

Les plus petits disques rentrent dans la catégorie des microdrives, avec une taille de 1 pouce.

Fabricants

Le nombre de fabricants de disques durs est assez limité de nos jours (2005), en raison de divers rachats ou fusions d'entreprises, voire l'abandon par certaines entreprises de cette activité.

• IBM / Hitachi / ExcelStor
• Maxtor
• Seagate
• Western Digital
• Samsung
• Toshiba

Constructeurs historiques :

• CDC (Imprimis)
• Conner
• Fujitsu
• Micropolis
• NEC
• Quantum
• Tandem

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 rapide, 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.

La technologie SSD

SSD signifie Solid State Disque : extérieurement un disque SSD aura la même apparence qu'un disque dur classique, y compris pour son interface. Seulement, il ne contient aucun élément mécanique, les données sont stockés sur de la mémoire flash. Les temps d'accès sont très rapide, mais la capacité ne dépasse pas 16 Go à ce jour (2005). Cette technologie est utilisée principalement dans les environnements où les disques durs ne peuvent fonctionner (vide, accérations importantes etc.).

Les disques virtuels

Parfois aussi appellés RAM-disk. C'est un artifice qui permet d'émuler un disque dur à partir d'un espace allouée en mémoire centrale. Sa création, effacement et accès se font par le biais d'appels systèmes (le noyau peut contenir des pilotes adéquats). Les temps d'accès sont excessivement rapides, par contre la capacité ne peux excéder une fraction de la taille de la mémoire centrale. Les données sont perdues si la mémoire n'est plus alimentée électriquement.

Voir aussi

Lien internes

• Clusters
• RAID

Lien externe

• Comment ça Marche le disque dur ?
• http://www.magneticdiskheritagecenter.org (en anglais), le film (de l'époque) montrant le RAMAC en action est impressionnant.

See also: Disque dur, 1953, 1969, 1980, 2004, 2005