Le stockage : comment ça marche ?

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Comment fonctionne le disque dur ?

Le disque dur a beau sembler archaïque aux côtés du SSD, il bénéficie pourtant d'autant d'innovations technologiques si bien qu'il reste LA solution de stockage de masse. Le coût au giga est largement meilleur, même si les SSD ont baissé.

Quand un SSD de 500 Go est au mieux à 80 €, soit 16 centimes le Go, les disques durs de 8 To sont vers 260 €, c'est seulement 3,2 centimes le Go ! Revenons, si vous le voulez bien, sur le fonctionnement de base d'un disque dur.

DES PLATEAUX ET DES TÊTES

Dans un disque dur, on trouve avant tout un ou plusieurs plateaux empilés et entraînés par un puissant moteur. Ces derniers tournent très vite, de 5400 tpm pour les plus lents à 15000 tpm pour certains monstres en voie de disparition. La plupart sont à 5400 ou 7200 tpm. La vitesse a toujours été un difficile équilibre à trouver entre les performances d'un côté, la réduction de bruit et de consommation de l'autre . Sur le côté, un actuateur entraîne des têtes de lecture et d'écriture; deux par bras, une pour la lecture et une pour l'écriture, sachant qu'il y a deux bras par plateau, un pour chaque face. Elles se déplacent toutes en même temps d'un seul groupe, pour aller de l'extérieur à l'intérieur des plateaux. Comment fonctionne le stockage des données? Contrairement à la mémoire NAND qui, selon la tension qu'on envoie durant le cycle d'écriture stocke un 0 ou un 1, le disque dur est un stockage de type magnétique comme les antiques disquettes et autres cassettes. Les plateaux sont des surfaces métalliques magnétisées et segmentées en de nombreux segments microscopiques. En écriture, quand la tête d'écriture passe au-dessus du segment voulu, un électro-aimant induit un courant entre ses deux pôles et, selon le sens du courant, c'est un 0 ou un 1 qui est stocké. Ensuite, quand la tête de lecture passe au-dessus de cette même zone, la variation du champ magnétique produit un courant qui lui permet d'interpréter si le contenu est un 0 ou un 1.

REMPLIS À L'HÉLIUM

A l'image des progrès réalisés sur la mémoire flash des SSD, les procédés de stockage au sein des disques durs ont fortement progressé au fil du temps. Au milieu des années 2000, l'apparition du PMR (Perpendicular Magnetic Recording) a permis une grosse progression de la densité de stockage en plaçant les têtes à 90° par rapport aux disques traditionnels, c'est-à-dire que l'axe nord-sud de l'électroaimant d'écriture n'est plus dans le plan du plateau, mais à la perpendiculaire. Ces dernières années, nous avons également vu apparaître la technologie SMR (Shingled Magnetic Recording) qui a repoussé les limites du stockage en superposant légèrement les pistes afin d'en loger davantage. Si l'écriture prend un coup dans l'aile, car il faut avant d'écrire prendre le temps d'effacer ce qu'il y avait au préalable, ça a permis de proposer des disques durs de stockage très volumineux et peu chers comme I'Archive HDD de Seagate, qui n'est plus produit. Le SMR est également utilisé, avec moins d'impact négatif, sur des disques 2,5". Depuis quelques années aussi, on constate que les disques durs, hermétiquement scellés, sont remplis à l'hélium qui est un gaz sept fois moins dense que l'air. Ça permet de réduire les frottements et donc la consommation, mais aussi la fiabilité, car les têtes connaissent moins de vibrations et ont moins de risque de venir cogner sur un plateau, qui n'est distant que de quelques nanomètres (les têtes se soulèvent seulement avec le déplacement d'air dû à la rotation !). L'hélium contribue aussi à réduire la température (3 à 5° selon Hitachi) et, surtout, accroître la capacité, car on peut désormais loger jusqu'à huit plateaux au lieu de cinq dans un disque de 3,5" d'épaisseur standard. L'avenir est soit au MAMR (Microwave-assisted Magnetic Recording) de Western Digital soit au HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) de Seagate qui promettent tous deux des disques de 20 To dès cette année et jusqu'à 40 To d'ici 2025. Dans le premier cas, un oscillateur produit un champ d'hyperfréquences plus faible afin de resserrer les données et permettre une densité jusqu'à 4 Tbits par pouces. Alors que le HAMR exploite un laser qui chauffe la surface de stockage entre 400 et 700°C afin de la rendre plus facilement magnétisable et d'y inscrire plus de données, bien que des doutes subsistent quant à sa fiabilité dans le temps. Seagate a également présenté un prototype de disque dur avec deux actuateurs, c'est-à-dire deux groupes de têtes pour décupler les performances ! 

LBA

Afin d'être utilisé par un système d'exploitation, un disque dur a besoin d'être formaté. Là, il faut distinguer le système de fichier, comme FAT32 ou NTFS pour Windows, qui est la partie logicielle du stockage. Quand le contrôleur du disque dur reçoit des commandes, il communique avec les éléments du disque dur en utilisant un formatage dit de bas niveau qui correspond à une découpe matérielle de chaque secteur, ce qui correspond à la plus petite unité transférable. Les disques durs les plus anciens utilisaient un adressage CHS pour Cylindre/Tête/ Secteur, c'est-à-dire qu'on indiquait l'emplacement à écrire sur le disque en renseignant le cylindre (grosso modo la position des têtes sur le plateau, plus ou moins vers l'intérieur ou l'extérieur), la tête pour savoir quel plateau et même quelle face est concernée par la commande et enfin le secteur, c'est-à-dire la petite portion du cylindre qu'on souhaite lire ou écrire. Depuis, le système d'adressage LBA a remplacé CHS. Logical Block Addressing qui définit un numéro d'identification différent pour chaque secteur d'un disque dur (depuis, LBA est aussi utilisé pour les autres modes de stockage, y compris les SSD). li semble inutile de vous expliquer les formules utilisées pour calculer le nom de chaque secteur, retenez seulement qu'ils ont tous un identifiant unique. En 2002, l'adressage LBA a évolué pour passer de 28 à 48 bits de large, ce qui permet d'adresser jusqu'à 128 Po (pétaoctet) par unité au lieu de 128 Go seulement !

ADVANCED 4K

Pendant 30 ans, les disques durs ont toujours utilisé des secteurs de 512 octets et les OS aussi. Depuis les années 2010, les constructeurs ont décidé de passer progressivement à des secteurs de 4ko (norme Advanced 4K), ce qui permet notamment d'augmenter la capacité de stockage, car il n'y a plus autant de place perdue dans les bits de contrôle et de correction d'erreur qui accompagnent les données pour chaque secteur. Les secteurs sont devenus si petits sur les disques modernes que leur agrandissement est aussi un gage de sécurité, la taille du bloc ECC passant d'ailleurs de 50 à 100 octets. Si tous les disques durs modernes sont formatés en interne avec ces secteurs de 4k, ils utilisent pour la plupart un mode d'émulation de 512 octets pour assurer une compatibilité avec les vieux OS (Windows XP notamment). On parle alors de 4KN (pour 4K natif) ou 512e (émulation 512 octets) pour ces disques et, par opposition, de 512n pour les disques classiques. Seagate est le seul constructeur à offrir un outil pour passer son disque de 512e à 4KN, ce qui permet un léger gain de performances, mais sachant qu'aujourd'hui l'OS est confié au SSD, il n'y a pas lieu de s'embêter à changer.