L'informatique (suite)

Le disque dur

Un disque dur IBM ouvert, les plateaux sont très réfléchissants

Caractéristiques:

Date d'invention: 13 septembre 1956

Inventé par: Reynold Johnson

Se connecte via: 

.Interface PATA (IDE)

.Interface SATA

.Interface SCSI

.Interface SAS  

Segmentation du marché:

.Ordinateur de bureau

.Mobile

.Entreprise

.Consommateur

.Autre/divers

Fabricants courants:

.Hitachi

.Samsung

.Seagate

.Toshiba

.Western Digital

Un disque dur est une mémoire de masse magnétique utilisée principalement dans les ordinateurs, mais également dans les baladeurs numériques, des caméscopes, des lecteurs/enregistreurs de DVD de salon, des consoles de jeux vidéo.

Schéma d'un disque dur IDE

Historique

Ancien disque dur IBM

Disque dur IBM3380 d'une capacité d'1GO

Disque amovible

 

En 1956, le premier système de ce type, le RAMAC305 (Ramac pour Random Access Method of Accounting and Control), a été dévoilé au public par IBM. La production commerciale commença en juin 1957. Jusqu'en 1961, plus d'un millier d'unités furent vendues. Son prix: 10 000 dollars (de l'époque) par mégaoctet. Le RAMAC305 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.

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 30MO chacun, l'un amovible, l'autre fixe. On le nomme "30-30", nom qui est aussi celui d'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 produits dans les années 2000).

Dans les années 1970, HP sort ses premiers disques à têtes mobiles, d'abord le HP-7900A, suivi des HP-7905, HP-7920 et 7925.

Il a existé dans les années 1970, des disques durs à têtes fixes: un certain nombre de têtes permettaient un accès piste à piste très rapide avec, certes, une capacité inférieure aux disques à tête mobile. Moins fragiles mécaniquement, ils ont été utilisés pour les applications embarquées, notamment en sismique réflexion. A cette époque, le disque dur a remplacé efficacement les tambours et les bandes, reléguant peu à peu ces dernières à de simples supports d'archivage et de sauvegarde dans les années 1990.

Dans les années 1980, HP sort de nouveaux disques, plus puissant, les HP-7933 et HP-7935. A cette époque sont apparus des disques reliés directement sur les réseaux NAS et SAN, ou le stockage d'information de caméscopes, de lecteurs/enregistreurs de DVD de salon, de consoles de jeux vidéo.

En 1998, année de la commémoration du centenaire de l'enregistrement magnétique (inventé par le Danois Valdemar Poulsen), IBM commercialise le premier disque dur de 25 gigaoctets (Deskstar 25GP), capacité présentée à l'époque par la presse comme disproportionnée par rapport aux besoins réels des particuliers.

Dans les années 2000, il se met à concurrencer ces dernières en raison de la baisse de son coût au gigaoctet et de sa plus grande commodité d'accès; vers la fin de cette même décennie, il commence à être remplacé lui-même comme mémoire de masse, pour les petites capacités (4 à 32GO), par des stockages à mémoire flash qui, bien que plus onéreux, n'imposent pas le délai de latence dû à la rotation des plateaux.

En 2011, le besoin du marché en disques durs était évalué à 700 millions d'unités par an.

Au quatrième trimestre de 2011, des inondations en Thaïlande ont provoqué une pénurie de disques durs, en inondant plusieurs usines de production de disques durs, ce qui a provoqué une augmentation importante des prix. Certains modèles ont vu leur prix doubler, voire tripler.

Evolution en terme de prix ou de capacité

Entre 1980, date de sortie du ST-506, d'une capacité de 5MO, et 2008, la surface occupée par un bit d'information sur le disque s'est vue réduite d'un facteur de plus de 100 000.

Dans le même temps, le prix du mégaoctet a été divisé par plus d'un million, sans tenir compte de l'inflation, car le ST-506 coûtait en 1980 1 500 dollars, soit 300 dollars par mégaoctet. En 2008, le mégaoctet d'un disque dur ne coûte plus qu'environ 0,00022 dollar.

Capacité de stockage

Les disques durs ayant les capacités les plus importantes sur le marché dépassent les 2TO (téra-octets) (2010) et 3TO en 2011. La capacité des disques durs a augmenté beaucoup plus vite que leur rapidité, limitée par la mécanique. Le temps d'accès en lecture est lié à la vitesse de rotation du disque et au temps de seek du bras. En revanche le débit d'information ensuite est d'autant meilleur que la densité du disque est elevée.

Le standard 2009 est de 1TO pour les PC de bureau (à partir de 0,1€ par GO en août 2008) et de 500GO pour les PC portables. Le standard 1997 était de 2.0GO pour les disques dur de 3,5 pouces. En 2010, 1,5TO à 2TO sont devenus courants. Pour les "faibles capacités" ils sont remplacés, de plus en plus, par des mémoires électroniques de type carte SD ou "disques" SSD.

Historique des capacités des disques durs toute taille confondue

	Date	Fabricant	Modèle	Taille
4TO	2011	Hitachi	7K4000	3,5’’
3TO	2010	Seagate		3 ,5’’
2TO	2009	Western Digital	Caviar Green WD20EADS	3,5’’
1TO	2007	Hitachi	Deskstar 7K1000	3,5’’
500GO	2005	Hitachi		3,5’’
25GO	1998	IBM	Deskstar	7,0’’
1,02GO	1982	Hitachi	H8598	14’’
28MO	1962	IBM	Modèle 1301
5MO	1956	IBM	305RAMAC	24’’

 

En 2,5'':

.Premier disque 200GO 2,5'' sur un seul plateau en avril 2007 (Toshiba),

.Premier disque 1TO 2,5'' en août 2009 (Western Digital Scorpio Blue WD10TEVT).

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 électroaimants 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 paramagnétique. Des techniques plus récentes utilisent le verre ou la céramique, qui permettent des états de surface encore plus lisses que ceux de l'aluminium. Les faces de ces plateaux sont recouvertes d'une seule 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 courant électrique qui la traverse, cette tête modifie le champ magnétique local pour écrire soit un 1, soit un 0, à la surface du disque. Pour lire, le même matériel est utilisé, mais dans l'autre sens: le mouvement du champ magnétique local engendre aux bornes de la tête un potentiel électrique 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. Toutes les têtes de lecture/écriture sont reliées à une armature qui se déplace à la surface des plateaux, avec une à deux têtes par plateau (une tête par face utilisée). 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 reçues. 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

               

Plateaux de disque dur

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 (2009) comprise entre 3 600 et 15 000 tours par minute (l'échelle typique des vitesses est 3 600, 4 200, 5 400, 7 200, 10 000 et 15 000 tours par minute). La vitesse de rotation est maintenue constante sur la plupart des modèles. Depuis les problèmes liés à l'environnement, les constructeurs ont sorti des disques visant l'économie d'énergie souvent dénommés "Green". Ces disques ont des vitesses de rotation variables, souvent de 5 400tr/min (tours par minute) à 7 200tr/min (comprenez qu'au repos, les disques tournent plus lentement réduisant leur consommation électrique, et augmentent cette vitesse quand ils sont sollicités).

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.

Note: contrairement aux CD/DVD, c'est d'abord l'espace périphérique le plus éloigné du disque (du centre du plateau donc) qui est écrit en premier (et reconnu comme "début du disque"), car c'est à cet endroit que les performances sont à leurs maximums (en effet, la vitesse linéaire d'un point du disque est plus élevée à l'extérieur du disque (vitesse de rotation constante) donc la tête de lecture/écriture couvre une plus longue série de données en un tour qu'au milieu du disque).

Tête de lecture/écriture

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  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 ».
  
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  Le moteur du bras, les deux parties blanches de part et d’autre de la bobine en cuivre sont des aimants. Le couvercle contenant deux autres aimants a été retiré pour faire apparaître le pivot et la bobine.
  
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  Tête de disque dur de 1970.
  
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  Tête de disque dur de 2011.
  
  
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  Extrémité du stylet
  
  

  
  

  

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, en 2006, cette valeur est d'environ 10 nanomètres.

Le moteur qui les entraîne doit être capable de fournir des accélérations et décélérations très fortes. 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 ce freinage s'estompent.

A 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 techniques pour la conception des têtes sont (en 2006):

.Tête inductive,

.Tête MR-MagnétoRésistive,

.Tête GMR-Giant MagnéroRésistive

Détail des têtes de lecture écriture d'un disque dur

                              

 

Electronique

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, cylindres, bloc).

L'électronique permet également de corriger les erreurs logicielles (erreur d'écriture)

Contrôleur de disque

Disque dur avec sa carte contrôleur d'interface IDE

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 le déplacement des têtes de lecture/enregistrement, et d'interpréter les signaux électriques reçus de ces têtes pour 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, 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, IDE et maintenant SATA.

L'appellation "Contrôleur de disque" est souvent employée par approximation en remplacement de "Contrôleur ATA" ou "Contrôleur SCSI. "Contrôleur de disque" est en fait une appellation générique qui convient également à d'autres types de périphériques ou matériels de stockage: disque dur donc, aussi lecteur CD, dérouleur de bande magnétique, scanner,etc...

Alimentation électrique

Dans un ordinateur personnel, l'alimentation électrique d'un disque dur à interface IDE est reçue à travers un connecteur Molex. Certains disques durs à interface Serial ATA utilisaient dans un premier temps ce même connecteur Molex pour être compatible avec les alimentations existantes, mais ils ont progressivement tous migré vers une prise spécifique longue et plate (alimentation SATA).

Géométrie

Chaque plateau (possédant le plus souvent 2 surfaces utilisables) est composé de pistes concentriques séparées les unes des autres par une zone appelée "espace inter-piste". Les pistes situées à une même distance de l'axe de rotation forment un cylindre.

La piste est divisée en secteurs (aussi appelés blocs) contenant les données.

En adressage CHS, il faut donc trois coordonnées pour accéder à un bloc (ou secteur) de disque:

1.le numéro de la piste (détermine la position du bras portant l'ensemble des têtes),

2.le numéro de la tête de lecture (choix de la surface),

3.le numéro du bloc (ou secteur) sur cette piste (détermine à partir de quel endroit il faut commencer à lire les données).

Cette conversion est faite le plus souvent par le contrôleur du disque à partir d'une adresse absolue de bloc appelée LBA (un numéro compris entre 0 et le nombre total de blocs du disque diminué de 1).

Géométrie d'un disque dur. Ici 3 plateaux avec 6 têtes de lectures pour 6 surfaces.

Géométrie d'une surface. Les pistes sont concentriques, les secteurs contigus.

Puisque les pistes sont circulaires(leur circonférence est fonction du rayon-c=2XpiXr), les pistes extérieures ont une plus grande longueur que les pistes intérieures (leur circonférence est plus grande). Le fait que la vitesse de rotation des disques soit constante quelle que soit la piste lue/écrite par la tête est donc problématique. Sur les premiers disques durs (ST-506 par exemple) le nombre de secteurs par rotation était indépendant du numéro de piste (donc les informations étaient stockées avec une densité spatiale variable selon la piste). Depuis les années 1990 et la généralisation du zone bit recording (en), la densité d'enregistrement est devenue constante, avec une variation du nombre de secteurs selon la piste.

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 insérées entre les blocs de données, mais elles sont toujours formatées en usine (dans la norme SCSI il existe une commande FORMAT qui réenregistre intégralement toutes les informations de toutes les surfaces, elle n'est pas nécessairement mise en oeuvre sur tous les disques). Typiquement donc, on trouvera sur chaque piste une succession de:

1.un petit espace "blanc" en anglais: gap: il laisse  à la logique du contrôleur de disque une zone inutilisée de cette piste pendant le temps nécessaire au basculement du mode lecture au mode écriture et inversement (cela permet également de compenser de légères dérives de la vitesse de rotation des surfaces de disque),

2.une zone servo: elle contient des "tops" permettant de synchroniser la logique du contrôleur de disque avec les données qui vont défiler sous la tête de lecture juste après,

3.un en-tête contenant le numéro du bloc qui va suivre: il permet au contrôleur du disque de déterminer le numéro de secteur que la tête de lecture va lire juste après (et par là de déterminer également si le bras portant les têtes est positionnée sur la bonne piste),

4.les données: ce qui est véritablement stocké par l'utilisateur du disque,

5.une somme de contrôle permettant de détecter/corriger des erreurs: cela fournit également un moyen de mesurer le vieillissement du disque dur (il perd petit à petit de sa fiabilité).

  

Format d'un secteur. Il ne contient pas que 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.