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 500 000 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 de type disques durs magnétiques[1]. 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
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 [0,1] 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 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 (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
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.
Contrôleur de disque
Un contrôleur de disque est l'ensemble électronique qui est connecté directement à la mécanique d'un disque dur. La mission de cet ensemble est de piloter les moteurs de rotation et de déplacement des têtes de lecture/enregistrement, ainsi que d'interpréter les signaux électriques reçus de ces têtes afin de les convertir en bits ou réaliser l'opération inverse afin d'enregistrer des données à un emplacement particulier de la surface des disques composant le disque dur.
Sur les premiers disques durs, comme par exemple le ST-506, ces fonctions étaient réalisées par une carte électronique indépendante de l'ensemble mécanique. Le volumineux câblage d'interconnexion a rapidement favorisé la recherche d'une solution plus compacte : le contrôleur de disque se trouva alors accolé au disque donnant naissance aux standards SCSI et IDE.
L'appellation « Contrôleur de disque » est souvent employée par erreur en remplacement de « Contrôleur ATA » ou « Contrôleur SCSI ». En effet un contrôleur de disque pilote juste la partie mécanique d'un disque dur, pendant que les autres pilotent des périphériques variés : disque dur bien sûr mais aussi lecteur de CD, dérouleur de bande magnétique, scanner, etc.
Types d'interface 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 :
- Storage Module Device (SMD), très utilisée dans les années 1980, elle était principalement réservée pour les disques de grande capacité installés sur des serveurs.
- ST-506, très utilisée au début de la micro-informatique dans les années 1980.
- ESDI (Enhanced Small Device Interface), a succédé au ST-506, 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.
La piste est délimitées en secteurs (aussi appelés blocs) contenant les données.
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).
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 en-tête contenant le numéro du bloc qui va suivre,
- les données,
- une somme de contrôle permettant de corriger des 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 16 383 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 * 10 011 cylindres * 512 octets/secteur = 82 343 278 080 octets soit 76,688 Gio (ou 82,343 Go).
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 :
- 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.
| DEC RP07 | Maxtor Atlas 15k | ||
|---|---|---|---|
| Hauteur (cm) | 118 | 2,6 | |
| Largeur (cm) | 67,3 | 10,1 | |
| Profondeur (cm) | 83,8 | 14,7 | |
| Poids (Kg) | 181 | 0,81 | |
| Capacité (Mo) | 516 | 150 528 (150,5 Go) | |
| Vitesse de rotation (t/m) | 3 633 | 15 000 | |
| Temps de latence moyen (ms) | 8,3 | 2 | |
| Seek time piste à piste (ms) | 5 | 0,3/0,5 | |
| Seek time maximum (ms) | - | 9 | |
| Seek time moyen | 23 | 3,4/3,8 | |
| Taux de transfert maximum (Mo/s) | 2,1 | 100 | |
| Taux de transfert soutenu (Mo/s) | - | 98 | |
| Nombre de surfaces | 16 + 1 servo | 8 | |
| Nombre de plateaux | 9 | 4 | |
| Secteur/piste | - | 50 | |
| Octets/secteur | 512 | 512 | |
| Interface | MASSBUS | SCSI Ultra 320 |
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.
Depuis peu cependant, ce type de disque dur rentre en concurrence frontale avec les mémoires Flash, qui sont moins sensibles car faites d'électronique pur, et dont le cout devient de plus en plus abordable.
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