La précision d’une tête de lecture est comparable à celle d’un Boeing 747 volant à 272 km/seconde, à moins d’un centimètre du sol, tout en étant capable de compter chaque brin d’herbe.
Stockage de données par excellence, le disque dur « mécanique » est pourtant peu connu du grand public malgré le fait que l’ensemble des données informatiques mondiales soient stockées sur ces supports.
Un peu d’histoire
Le premier disque dur, l’IBM 350, fut commercialisé en 1956 et vendu à plus d’un millier d’exemplaires en moins de 5 ans, pour un prix de 50 ‘000 $. En prenant en compte l’augmentation du cout de la vie, ce disque dur se vendrait actuellement à plus de 450’000 $. Ce monstre pesait tout de même plus d’une tonne et contenait plus de 50 plateaux de 60 cm de diamètre pour une seule tête de lecture/écriture. Cette tête se déplaçait de plateau en plateau. La capacité de stockage était de 5 Mo, soit la taille d’une simple photo JPEG d’aujourd’hui.
Cette technique de stockage existe donc depuis plus de 60 ans ! Le principe de base a peu évolué, mais la miniaturisation a bien sûr réduit sa taille physique et augmenté la capacité de stockage de plus de 800 000 fois. Dans cet article, j’expliquerais sommairement le fonctionnement d’un disque dur mécanique.
Les plateaux
L’information numérique est stockée sous forme de 0 ou de 1. Afin de mémoriser cet état, les disques durs utilisent le magnétisme comme élément de stockage. Un disque dur possède des plateaux. Chaque plateau possède deux faces magnétisées (une au-dessus et l’autre au-dessous). C’est sur ces faces magnétiques que seront stockées les données de l’utilisateur, sous forme de 0 ou de 1 en fonction de la polarité magnétique. Les données utilisateurs ne sont pas les seules informations qui sont mémorisées sur ces faces comme nous le verrons plus tard. Il va de soi, que plus la densité de « bits magnétiques » sur un plateau est importante, plus grande sera donc la capacité de stockage. C’est une des grandes évolutions avec le premier disque dur d’IBM.
Les têtes de lecture / écriture
Afin de pouvoir lire ou écrire l’orientation de ces bits magnétiques, donc savoir si c’est 0 ou 1, les têtes de lecture/écriture (une sur chaque face) sont montées sur une sorte de bras qui se déplace au-dessus de la surface des plateaux. Toutes les têtes se déplacent donc en même temps ce qui permet au disque dur de lire les données présente sur tous les plateaux en même temps.
La rotation des plateaux
Les plateaux sont mis en rotation à une vitesse comprise entre 5’000 et 15’000 tours par minute selon les disques durs. Cette rotation des plateaux est très importante. Comme nous l’avons vu, cela permet aux têtes de lecture d’accéder à l’ensemble du contenu des plateaux puisque ces têtes ne se déplacent que sur un axe. Plus la vitesse de rotation est élevée, plus les têtes parcourent une quantité importante de bits magnétique pour une même durée. De plus, la friction des plateaux avec l’air contenu dans le disque dur, air qui est exempt de poussière, permet de créer un « vent » sur la surface du plateau. Grâce à ce vent, les têtes de lecture qui possèdent un «slider» d’environ 1,5 mm, ou si vous préférez un aéroglisseur, survolent véritablement les plateaux.
Les têtes ne doivent jamais toucher les plateaux sous peine d’être détruites et d’abimer irrémédiablement la surface magnétique. La distance de survol des têtes par rapport à la surface des plateaux d’un disque dur récent est d’environ 7 nanomètres, soit approximativement 12 000 fois plus petits qu’un cheveu humain. La taille d’une tête de lecture/écriture n’est guère plus grande puisque l’on parle de plus ou moins 10 nanomètres. C’est le fruit de la miniaturisation.
La carte électronique
Le disque dur possède une carte électronique qui permet par exemple de coordonner le déplacement des têtes de lecture, de gérer la rotation des plateaux ou encore de pouvoir connecter le disque dur à l’ordinateur. Sur cette carte électronique, on retrouvera principalement un « contrôleur moteur » pour la rotation des plateaux, un « contrôleur de têtes » et un « contrôleur SATA » pour la connexion avec l’ordinateur. Tout ce petit monde est cadencé avec une horloge à quartz.
Comme vous l’avez peut-être deviné, chaque contrôleur gère d’une manière autonome un élément précis (moteur, têtes, etc.). Ces contrôleurs possèdent leur propre micrologiciel appelé firmware en anglais. Le disque dur a lui aussi son propre micrologiciel qui lui permet de savoir, par exemple, comment et où sont stockées les données sur les surfaces des plateaux.
Structuration des données
Comme nous l’avons vu, les plateaux possèdent des bits magnétiques enregistrant vos données, mais pas seulement. En effet, comment le micrologiciel peut-il être certain que les données provenant des têtes de lecture sont celles qu’il a demandé ? Et bien grâce à l’aide d’autres bits magnétiques « entourant » des blocs de bits d’informations. Grosso modo, cela permet au micrologiciel de savoir si les têtes sont à la bonne adresse. De plus, d’autres bits permettent de savoir si l’information a été lue sans erreur. Les données sont alors principalement structurées en pistes et secteurs sur les plateaux qui forment l’adresse de la donnée. Mécaniquement parlant, le positionnement exact des têtes au-dessus des données à lire ou à écrire prend beaucoup de temps. D’où une vitesse moindre par rapport à un SSD dont l’accès est électrique. Plus la fragmentation des fichiers est importante, plus les têtes de lecture doivent accéder à des emplacements différents et donc prendre du temps à se positionner. C’est la raison pour laquelle une défragmentation des données permet de gagner en rapidité en réduisant le nombre de repositionnements.
Le micrologiciel
Seulement 1 % du micrologiciel du disque dur se trouve dans la carte électronique. L’infime pourcentage mémorisé sur cette dernière permet aux têtes de lire les 99 % restants qui se trouvent sur les plateaux dans une zone réservée et non accessible à l’utilisateur. La raison de ce choix ? Les micrologiciels actuels ont une taille moyenne de 100 Mo. Si le stockage du micrologiciel se faisait sur la carte électronique, le prix de cette dernière exploserait. De plus il y aurait de gros problèmes de fiabilité dus aux nombreux accès en écriture pour la table SMART par exemple.
Dysfonctionnement
Pourquoi un disque dur ne fonctionne-t-il plus ? Les problèmes peuvent être multiples. Par exemple, si une tête de lecture ne fonctionne plus, l’accès au micrologiciel ne peut plus se faire et donc le disque dur ne peut s’initialiser. Un disque qui n’est pas initialisé est un disque dur qui n’est pas «visible» par votre ordinateur. Idem si le micrologiciel est corrompu ou si la surface qui le contient est abimée.
Un bruit de « clac-clac-clac » provenant du disque dur, n’est donc pas forcément toujours un problème de têtes. Ce bruit provient en réalité du bras qui supporte les têtes, revenant à sa position de repos, ceci dans le but de pouvoir repartir «mieux calibré» pour une nouvelle tentative de lecture du micrologiciel.
L’avenir des disques durs
Les disques durs mécaniques ont encore de beaux jours à vivre. Jusqu’en 2006, les bits d’informations étaient posés à «plat» sur les plateaux. Ils prenaient donc de la place. Depuis 2006, les bits sont mis verticalement et prennent donc moins de place.
Si les constructeurs veulent augmenter le nombre de bits par cm2 sur les surfaces magnétiques, ils devront encore plus les miniaturiser. Néanmoins, un problème apparait lors de l’écriture. En effet, il y a un risque important pour que la tête de lecture « retourne la polarité » d’un bit magnétique voisin trop proche ce qui est très problématique. Afin de résoudre ce problème, les fabricants travaillent actuellement sur l’élaboration d’un laser qui chaufferait brièvement les bits à écrire. En effet, un bit chauffé a besoin d’un champ magnétique moins puissant pour inverser sa polarité, donc moins de risque de voir son voisin changer d’état aussi.
L’avenir du disque dur va donc passer par le laser….
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