Disque dur

Interieur d'un disque dur ouvert d' IBM .

Caracteristiques

Date d'invention	13 septembre 1956
Invente par	Reynold Johnson
Se connecte via	Interface SCSI ( 1979 ) (Small Computer System Interface) interface ESDI ( 1980 ) (Enhanced Small Disk Interface) Interface IDE ( 1991 ) (Integrated Drive Electronics) Interface EIDE ( 1997 ) (Enhanced Integrated Drive Electronics) Interface SATA ( 2003 ) (Serial Advanced Technology Attachment) Interface SAS ( 2009 ) (Serial Attached SCSI)
Segmentation du marche	Ordinateur de bureau Mobile Entreprise Consommateur Autre/divers
Fabricants courants	Seagate Toshiba Western Digital

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Un disque dur (parfois abrege DD  ; en anglais, hard disk drive , HD ^{[ a ]} ou HDD ^{[ b ]} ) est une memoire de masse a disque tournant magnetique utilisee principalement dans les ordinateurs , mais egalement dans des baladeurs numeriques , des camescopes , des lecteurs/enregistreurs de DVD de salon, des consoles de jeux video ,  etc.

Invente en 1956 , le disque dur a fait l'objet d'evolutions de capacite et de performances considerables, tout en voyant son cout diminuer, ce qui a contribue a la generalisation de son utilisation, particulierement dans l' informatique . Avec l'arrivee des disques SSD , la part de marche des disques durs est en baisse.

Historique [ modifier | modifier le code ]

En 1956 , le premier systeme de disque dur s'appelle l'IBM 350. Il est utilise dans le RAMAC 305 (RAMAC pour ≪  Random Access Method of Accounting and Control  ≫) ^{[ 1 ]} . Il est devoile au public par IBM . La production commerciale commence en juin 1957 et, jusqu'en 1961 , plus d'un millier d'unites sont vendues. Son prix est alors de 10 000  dollars par megaoctet . Le RAMAC 305 est constitue de 50 disques de 24  pouces de diametre et de deux tetes de lecture/ecriture qui peuvent se deplacer d'un plateau a un autre en moins d'une seconde. La capacite totale est de cinq millions de caracteres.

Le RAMAC a deja un concurrent : le Univac File Computer , compose de 10 tambours magnetiques chacun d'une capacite de 180 000 caracteres. Bien que ce dernier ait une vitesse superieure, c'est le RAMAC, qui peut stocker trois fois plus d'informations, qui a le rapport cout/performance le plus interessant pour le plus grand nombre d'applications.

En juin 1954 , J. J. Hagopian, ingenieur IBM, a l'idee de faire ≪ voler ≫ les tetes de lecture/ecriture au-dessus de la surface des plateaux, sur un coussin d'air . Il propose le design de la forme de ces tetes. En septembre 1954, il dessine l'equivalent des disques durs actuels : des plateaux superposes et un axe sur lequel sont fixees les tetes de lecture/ecriture. Cela devient un produit commercial en 1961 sous la denomination ≪  IBM 1301 Disk Storage  ≫.

En 1962 , IBM sort son peripherique de stockage a disque dur amovible modele 1311 ; il fait la taille d'une machine a laver et peut enregistrer jusqu'a deux millions de caracteres sur une pile de disques . Les utilisateurs peuvent acheter des paquets de disques supplementaires et les echanger au besoin, un peu comme des bobines de bande magnetique . Les modeles ulterieurs d'unite d'entrainement pour piles de disques amovibles, d'IBM et d'autres, sont devenus la norme dans la plupart des installations informatiques de l'epoque. Ils ont atteint des capacites de 300  Mo dans le debut des annees 1980. Les unites de disques durs non amovibles ont ete appelees ≪ lecteur-enregistreurs de disques durs fixes ≫.

Fin 1969 , trois ingenieurs reflechissent a ce qui pourrait etre pour eux le systeme disque ideal. Ils tombent d'accord sur un modele compose de deux disques de 30  Mo chacun, l'un amovible, l'autre fixe. On le nomme ≪  30 - 30  ≫, comme un modele de carabine Winchester . Le nom est reste, et encore aujourd'hui un disque ≪  Winchester  ≫ ^{[ 2 ] , [ 3 ]} designe un disque dur non amovible (soit quasiment tous les disques internes depuis les annees 1990).

Dans les annees 1970 , HP sort ses premiers disques a tetes mobiles ; d'abord le HP-7900A, suivi des HP-7905 ^{[ 4 ]} , 7920 et 7925 ^{[ 5 ]}  ; tous ces disques possedent des cartouches amovibles.

A la meme epoque, il existe des disques durs a tetes fixes : un certain nombre de tetes permettent un acces piste-a-piste tres rapide avec, certes, une capacite inferieure aux disques a tetes mobiles mais moins fragiles mecaniquement ; ils sont utilises pour les applications embarquees, notamment en sismique par reflexion .

A cette epoque, le disque dur a remplace efficacement les tambours et les bandes , releguant peu a peu ces dernieres a des applications d' archivage et de sauvegarde dans les annees 1990.

Dans les annees 1980 , HP sort de nouveaux disques, plus performants : les HP-7933 et HP-7935 a pack ^{[ c ]} amovible ^{[ 6 ]} .

A cette epoque apparaissent des disques relies directement sur les reseaux NAS et SAN , suivis par d'autres applications dans lesquelles le disque dur trouve son utilite : stockage d'information de camescopes , de lecteurs/enregistreurs de DVD de salon, de consoles de jeux video ,  etc.

Au cours des annees 1990 , la taille des disques durs est considerablement reduite grace aux travaux d' Albert Fert et de Peter Grunberg sur la magnetoresistance geante ^{[ 7 ] , [ 8 ]} . Leur prix se democratise et tous les ordinateurs personnels deviennent equipes d'un disque dur, et non plus seulement de lecteurs de disquettes .

En 1998 , annee du centenaire de l'enregistrement magnetique (invente par le Danois Valdemar Poulsen ), IBM commercialise le premier disque dur de 25 gigaoctets ( Deskstar 25 GP ) ^{[ 9 ]} , capacite presentee a l'epoque par la presse comme disproportionnee par rapport aux besoins reels des particuliers. En effet, ils n'avaient pas encore acces en masse a Internet ni au telechargement, en particulier le telechargement illegal .

Dans les annees 2000 , le disque dur se met a concurrencer les disquettes en raison de la baisse de son cout au giga octet et de sa plus grande commodite d'acces ; vers la fin de cette meme decennie, il commence a etre remplace lui-meme comme memoire de masse, pour les petites capacites (4 a 32  Go ), par des stockages a memoire flash qui, bien que plus onereux, n'imposent pas le delai de latence du a la rotation des plateaux.

En 2011 , le besoin du marche en disques durs est evalue a 700 millions d'unites par an ^{[ 10 ]} .

Au quatrieme trimestre de 2011, des inondations en Thailande provoquent une penurie de disques durs, en rendant inoperantes plusieurs usines, ce qui provoque une augmentation importante des prix ^{[ 11 ] , [ 12 ]} . Certains modeles voient leur prix doubler, voire tripler.

Evolutions en termes de prix ou de capacite [ modifier | modifier le code ]

Entre 1980, date de sortie du ST-506 d'une capacite de 5  Mo , et 2008, la surface moyenne occupee par un bit d'information sur le disque s'est vue reduite d'un facteur de plus de 100 000 (5  Mo pour un plateau en 1980 et 500  Go en 2008, soit une densite 100 000 fois superieure).

Dans le meme temps, le prix du megaoctet a ete divise par plus d'un million, sans tenir compte de l'inflation, car :

• en 1980, le ST-506 coutait 1 500  $ , soit 300  $/Mo  ;
• en 2008, le megaoctet d'un disque dur ne coute plus qu'environ 0,000 22  $ ^{[ 13 ]} .

Capacite de stockage [ modifier | modifier le code ]

Les disques durs ayant les capacites les plus importantes sur le marche depassent les 14  To (teraoctets) (2017) et 20  To en 2022. Le constructeur Seagate a annonce en mars 2021 ^{[ 14 ]} que des disques de capacites de 30  To , 50  To et 100  To seront disponibles respectivement en 2023, 2026 et 2030. La capacite des disques durs a augmente beaucoup plus vite que leur rapidite, limitee par la mecanique ^{[ d ]} . Le temps d'acces en lecture est lie a la vitesse de rotation du disque et au temps de positionnement des tetes de lecture ^{[ d ]} . Le debit d'information ensuite est d'autant meilleur que la densite du disque et la vitesse de rotation sont elevees ^{[ d ]} .

• En 1997, le standard pour les PC de bureau est de 2  Go pour les disques durs de 3,5 pouces.
• Vers 2002, les disques durs de 40  Go sont courants pour des PC de bureau.
• En 2009, le standard pour les PC de bureau est de 1  To (a partir de 0,1  €/Go en aout 2008) et de 500  Go pour les PC portables .
• En 2022, 2 a 8  To sont devenus courants. Pour les ≪ faibles capacites ≫ de moins de 500  Go environ, ils sont remplaces, de plus en plus, par des memoires electroniques de type carte SD ou ≪ disques ≫ SSD , notamment dans les appareils necessitant un support de stockage leger et peu encombrant.

En 2,5 pouces (2,5") :

• premier disque 200  Go 2,5" sur un seul plateau en avril 2007 ( Toshiba ) ^{[ 26 ]}  ;
• premier disque 1  To 2,5" en aout 2009 ( Western Digital Scorpio Blue WD10TEVT) ^{[ 27 ]} .

Principe de fonctionnement [ modifier | modifier le code ]

Des 1956, dans un disque dur, on trouve des plateaux rigides en rotation. Chaque plateau est constitue d'un disque realise generalement en aluminium, qui a les avantages d'etre leger, facilement usinable et paramagnetique . A partir de 1990, de nouvelles techniques utilisent le verre ou la ceramique, qui permettent des etats de surface encore plus lisses que ceux de l'aluminium. Les faces de ces plateaux sont recouvertes d'une couche magnetique, sur laquelle sont stockees les donnees. Ces donnees sont ecrites en code binaire {0/1} sur le disque grace a une tete de lecture/ecriture, petite antenne tres proche du materiau magnetique. Suivant le courant electrique qui la traverse, cette tete modifie le champ magnetique local pour ecrire soit un 1, soit un 0, a la surface du disque. Pour lire, le meme materiel est utilise, mais dans l'autre sens : le mouvement du champ magnetique local engendre aux bornes de la tete un potentiel electrique qui depend de la valeur precedemment ecrite, on peut ainsi lire un 1 ou un 0 .

Un disque dur typique contient un axe central autour duquel les plateaux tournent a une vitesse de rotation constante. Toutes les tetes de lecture/ecriture sont reliees a une armature qui se deplace a la surface des plateaux, avec une ou deux tetes par plateau (une tete par face utilisee). L'armature deplace les tetes radialement a travers les plateaux pendant qu'ils tournent, permettant ainsi d'acceder a la totalite de leur surface.

Le disque peut-etre positionne horizontalement ou verticalement selon le boitier.

L' electronique associee controle le mouvement de l'armature ainsi que la rotation des plateaux, et elle realise les lectures et les ecritures suivant les requetes recues. Les firmwares des disques durs recents sont capables d'organiser les requetes de maniere a minimiser le temps d'acces aux donnees, et donc a maximiser les performances du disque.

Mecanique [ modifier | modifier le code ]

Les disques durs a plateaux sont des organes mecaniques, donc fragiles. Il est important de ne pas soumettre les disques, internes ou externes, a des chocs qui pourraient endommager les roulements, ni a des temperatures de stockage basses qui rendraient le lubrifiant trop visqueux et empecherait le demarrage.

Plateaux [ modifier | modifier le code ]

• Plateaux de disque dur
• 
  Plateaux de disque dur endommage.
• 
  Structure d'un disque dur a plusieurs plateaux.

Les plateaux sont solidaires d'un axe sur roulements a billes ou a huile. Cet axe est maintenu en mouvement par un moteur electrique. La vitesse de rotation est actuellement (2013) comprise entre 3 600  et 15 000   tr/min (les valeurs typiques des vitesses vont de 3 600  a 10 000   tr/min voire 15 000   tr/min ). La vitesse de rotation est maintenue constante sur tous les modeles, en depit parfois de specifications floues suggerant le contraire ^[pas clair] . En effet, suivant l'augmentation des preoccupations environnementales, les constructeurs ont produit des disques visant l'economie d'energie, souvent denommes ≪  Green  ≫ ; ceux-ci sont annonces comme ayant une vitesse de rotation variable (la vitesse de rotation n'est pas variable, mais l'electronique du disque arrete completement la rotation quand le disque n'est pas utilise pendant une longue periode ; d'autres disques recents non denommes ≪  green  ≫ font de meme avec, semble-t-il, un delai de mise en veille moins court) ^{[ ref.  souhaitee]} , laissant donc supposer qu'au repos ils tourneraient plus lentement en reduisant leur consommation electrique, et augmenteraient cette vitesse en cas de sollicitations. Il a cependant ete confirme (notamment par des tests acoustiques) que cette information etait erronee ^{[ 28 ]}  : ces disques fonctionnent bien a vitesse constante, plus faible que la vitesse standard de 7 200   tr/min (soit 5 400   tr/min pour Western Digital et 5 900   tr/min pour Seagate).

Les disques sont composes d'un substrat, autrefois en aluminium (ou en zinc), de plus en plus souvent en verre, traite par diverses couches dont une ferromagnetique recouverte d'une couche de protection.

L'etat de surface doit etre le meilleur possible.

Contrairement aux CD / DVD , ce sont d'abord les pistes peripheriques (c'est-a-dire les plus eloignees du centre du plateau) qui sont ecrites en premier (et reconnues comme ≪ debut du disque ≫), car c'est a cet endroit que les performances sont maximales : en effet, la vitesse lineaire d'un point du disque est plus elevee a l'exterieur du disque (a vitesse de rotation constante) donc la tete de lecture/ecriture couvre une plus longue serie de donnees en un tour qu'au milieu du disque.

• Composant de la tete de lecture/ecriture
• 
  Le bras supportant les deux tetes de lecture/ecriture. Les rayures visibles sur la surface du plateau indiquent que le disque dur a ete victime d'un ≪ atterrissage ≫.
• 
  Tete de disque dur de 1970.
• 
  Tete de disque dur de 2011.

• Evolution des tetes de lectures
• 
  WD Caviar WD205AA, 1999.
• 
  Seagate, 2003.
• 
  WD800JD Caviar SE, 2003.
• 
  ST3146707LC-146GB, 2005.

Fixees au bout d'un bras, les tetes de lecture/ecriture sont solidaires d'un second axe qui permet de les faire pivoter en arc de cercle sur la surface des plateaux. Toutes les tetes pivotent donc en meme temps. Il y a une tete par surface. Leur geometrie leur permet de voler au-dessus de la surface du plateau sans le toucher : elles reposent sur un coussin d'air cree par la rotation des plateaux. En 1997, les tetes volaient a 25 nanometres de la surface des plateaux ; en 2006, cette valeur est d'environ 10 nanometres.

Le moteur qui les entraine doit etre capable de fournir des accelerations et decelerations tres fortes. Un des algorithmes de controle des mouvements du bras porte-tete est d'accelerer au maximum puis de freiner au maximum pour que la tete se positionne sur le bon cylindre. Il faudra ensuite attendre un court instant pour que les vibrations engendrees par ce freinage s'estompent.

A l'arret, les tetes doivent etre parquees, soit sur une zone speciale (la plus proche du centre, il n'y a alors pas de donnees a cet endroit), soit en dehors des plateaux.

Si une ou plusieurs tetes entrent en contact avec la surface des plateaux, cela s'appelle un ≪ atterrissage ≫ et provoque le plus souvent la destruction des informations situees a cet endroit. Une imperfection sur la surface telle qu'une poussiere aura le meme effet. La mecanique des disques durs est donc assemblee en salle blanche et toutes les precautions (joints…) sont prises pour qu'aucune impurete ne puisse penetrer a l'interieur du boitier (appele ≪ HDA ≫ pour ≪  Head Disk Assembly  ≫ en anglais).

Les techniques pour la conception des tetes sont (en 2006) :

• tete inductive  ;
• tete MR ? MagnetoResistive ;
• tete GMR ? Giant MagnetoResistive ;
• tete HAMR ? enregistrement magnetique assiste par la chaleur ;
• tete MAMR ? enregistrement magnetique assiste par micro-ondes.

• Detail des tetes de lecture/ecriture d'un disque dur
• 
  Deux tetes.
• 
  Tetes et leur cablage.
• 
  Tetes d'un disque dur.
• 
  Tetes d'un disque dur.

Electronique [ modifier | modifier le code ]

L'electronique est composee d'une partie dediee a l'asservissement des moteurs et d'une autre a l'exploitation des informations electriques issues de l'interaction electromagnetique entre les tetes de lecture et les surfaces des plateaux. Une partie plus informatique fait l'interface avec l'exterieur et la traduction de l'adresse absolue d'un bloc en coordonnees a 3 dimensions (tete, cylindre, bloc).

L'electronique permet egalement de corriger les erreurs logicielles (erreur d'ecriture).

Controleur [ modifier | modifier le code ]

Un controleur de disque est l' ensemble electronique qui controle la mecanique d'un disque dur. Le role de cet ensemble est de piloter les moteurs de rotation, de positionner les tetes de lecture/enregistrement et d'interpreter les signaux electriques recus de ces tetes pour les convertir en donnees exploitables ou d'enregistrer des donnees a un emplacement particulier de la surface des disques composant le disque dur.

Sur les premiers disques durs, par exemple le ST-506 , ces fonctions etaient realisees par une carte electronique independante de l'ensemble mecanique. Le volumineux cablage d'interconnexion a rapidement favorise la recherche d'une solution plus compacte : le controleur de disque se trouva alors accole au disque, donnant naissance aux standards SCSI , IDE et maintenant SATA .

L'appellation ≪ controleur de disque ≫ est souvent employee par approximation en remplacement de ≪  controleur ATA  ≫ ou ≪  controleur SCSI  ≫. ≪ Controleur de disque ≫ est une appellation generique qui convient egalement a d'autres types de peripheriques ou de materiels de stockage : disque dur donc, mais aussi lecteur de CD , derouleur de bande magnetique , scanner ,  etc.

Alimentation electrique [ modifier | modifier le code ]

Dans un ordinateur personnel , l' alimentation electrique d'un disque dur a interface IDE est recue a travers un connecteur Molex . Certains disques durs a interface Serial ATA utilisaient dans un premier temps ce meme connecteur Molex pour etre compatible avec les alimentations existantes, mais ils ont progressivement tous migre vers une prise specifique longue et plate (alimentation SATA).

Geometrie [ modifier | modifier le code ]

Chaque plateau (possedant le plus souvent deux surfaces utilisables) est compose de pistes concentriques initialement separees les unes des autres par une zone appelee ≪ espace interpiste ≫. Cette zone disparait pour les disques durs a plus grande capacite et les pistes sont superposees les unes aux autres dans un format SMR dit enregistrement magnetique a bardeau plus dense mais moins rapide a l'ecriture.

Les pistes situees a une meme distance de l'axe de rotation forment un cylindre.

La piste est divisee en blocs (composes de secteurs ) contenant les donnees.

En adressage CHS , il faut trois coordonnees pour acceder a un bloc (ou secteur) de disque :

1. Le numero de la piste (qui determine la position du bras portant l'ensemble des tetes) ;
2. Le numero de la tete de lecture (choix de la surface) ;
3. Le numero du bloc (ou secteur) sur cette piste (qui determine a partir de quel endroit il faut commencer a lire les donnees).

Cette conversion est faite le plus souvent par le controleur du disque a partir d'une adresse absolue de bloc appelee LBA (un numero compris entre 0 et le nombre total de blocs du disque diminue de 1).

Puisque les pistes sont circulaires (leur circonference est fonction du rayon - c = 2 × π × r ), les pistes exterieures ont une plus grande longueur que les pistes interieures (leur circonference est plus grande). Le fait que la vitesse de rotation des disques soit constante quelle que soit la piste lue/ecrite par la tete est donc problematique. Sur les premiers disques durs ( ST-506 par exemple), le nombre de secteurs par rotation etait independant du numero de piste (donc les informations etaient stockees avec une densite spatiale variable selon la piste). Depuis les annees 1990 et la generalisation du zone bit recording   (en) , la densite d'enregistrement est devenue constante, avec une variation du nombre de secteurs selon la piste.

Sur les premiers disques, une surface etait formatee en usine et contenait les informations permettant au systeme de se synchroniser (de savoir quelle etait la position des tetes a tout moment). Cette surface etait denommee ≪ servo ≫. Par la suite, ces zones de synchronisation ont ete inserees entre les blocs de donnees, mais elles sont toujours formatees en usine (dans la norme SCSI , il existe une commande FORMAT qui reenregistre integralement toutes les informations de toutes les surfaces, elle n'est pas necessairement mise en œuvre sur tous les disques). Typiquement donc, on trouvera sur chaque piste une succession de :

1. Un petit espace ≪ blanc ≫ (en anglais  : gap ) : il laisse a la logique du controleur de disque une zone inutilisee de cette piste du disque pendant le temps necessaire au basculement du mode lecture au mode ecriture et inversement (cela permet egalement de compenser de legeres derives de la vitesse de rotation des surfaces de disque) ;
2. Une zone servo : elle contient des ≪ tops ≫ permettant de synchroniser la logique du controleur de disque avec les donnees qui vont defiler sous la tete de lecture juste apres ;
3. Un en-tete contenant le numero du bloc qui va suivre : il permet au controleur du disque de determiner le numero de secteur que la tete de lecture va lire juste apres (et par la de determiner egalement si le bras portant les tetes est positionne sur la bonne piste) ;
4. Les donnees : ce qui est veritablement stocke par l'utilisateur du disque ;
5. Une somme de controle permettant de detecter/corriger des erreurs : cela fournit egalement un moyen de mesurer le vieillissement du disque dur (il perd petit a petit de sa fiabilite).

Types d'interface [ modifier | modifier le code ]

Les interfaces des disques durs sont les connecteurs et les cables permettant l'acheminement des donnees. Elles ont largement evolue avec le temps dans un souci de compacite, d'ergonomie et d'augmentation des performances. Voici les 2 principales interfaces de nos jours :

• Serial ATA (ou S-ATA) est l'interface serie de loin la plus commune de nos jours sur les PC publics. Elle combine la compacite, l'ergonomie et la bande passante suffisantes pour ne pas etre un goulot d'etranglement ;
• IDE (ou PATA) est une interface parallele, la plus courante dans les machines personnelles jusqu'a 2005 et reconnaissable a sa nappe de connexion grise caracteristique a 80  broches/fil . Les connecteurs IDE sont directement lies au bus de communication du disque dur (comme les connecteurs ISA).

Les interfaces suivantes sont plus specifiques ou plus anciennes :

• SCSI ( Small Computer System Interface ), plus chere que l'IDE mais offrant generalement des performances superieures, est une interface surtout utilisee dans les serveurs. Elle est regulierement amelioree (passage de 8 a 16 bits notamment et augmentation de la vitesse de transfert : normes SCSI-1, SCSI-2, SCSI-3). Cependant, un disque dur SCSI est limite a 16  partitions au maximum (contre 63 pour l'IDE ^{[ 29 ]} ). Elle est desormais tres peu utilisee dans les machines grand public ;
• Storage Module Device (SMD), tres utilisee dans les annees 1980 , etait principalement reservee pour les disques de grande capacite installes sur des serveurs  ;
• SA1000 est un bus utilise en micro-informatique et dont le ST-506 est un derive ;
• ST-506 etait tres utilisee au debut de la micro-informatique dans les annees 1980 ;
• ESDI ( Enhanced Small Device Interface ) a succede au ST-506 , qu'elle ameliore ;
• SAS ( Serial Attached SCSI ) combine les avantages du SCSI avec ceux du Serial ATA et est compatible avec cette derniere, plus fiable et principalement utilise sur les serveurs ;
• Fibre-Channel (FC-AL) est un successeur du SCSI. La liaison est serielle et peut utiliser une connectique fibre optique ou cuivre. Elle est principalement utilisee sur les serveurs.

Les interfaces M2 concernent exclusivement les SSD et pas les disques durs.

Les protocoles de communication [ modifier | modifier le code ]

Les protocoles de communication avec une unite de stockage , incluant les disques durs, sont tres dependants de l'interface de connexion, il ne faut pas cependant les confondre.

• Norme ATA : norme encadrant les protocoles de l'interface IDE (en parallele, d'ou le terme frequent de PATA) :
  • ATA1 : premiere iteration de la norme implementant deux protocoles de communication :
    • le PIO : le processeur de l'ordinateur est intercale entre la RAM (qui contient les donnees a enregistrer sur le DD) et le disque dur. Le processeur, via un programme specifique va identifier les clusters libres du disques dur, puis lire les instructions de la RAM pour les ecrire dans le disque dur. Ce protocole est tres simple a implementer mais tres consommateur en temps de calcul processeur,
    • le DMA  : le disque dur accede a la RAM directement via son controleur. Ce qui ameliore la bande passante et le debit. C'est le protocole le plus utilise ;
  • ATA2 (EIDE) : amelioration des debits de transfert de donnees ;
  • ATA3 : amelioration de la fiabilite ;
  • ATA4 : augmentation de la plage d'adresses (adressage sur 28 bits / LBA pour Long Binary Address) pour pouvoir stocker dans des disques durs de 512 octets par secteur un total de 128  Go  ;
  • ATA5 : amelioration des debits de transfert de donnees en DMA (mode 3, 40 broches) et avec le mode 4, aussi appele ≪ Ultra-DMA ≫ (parfois appele Ultra ATA par abus de langage , sur 80 broches) ;
  • ATA6 : amelioration du LBA a 48 bits, pour gerer des Disques durs de 2 Petaoctets. Amelioration du protocole DMA (mode 5) pour atteindre 100  Mo/s de transfert ;
  • ATA7 : derniere version de la norme ATA pour atteindre un debit de 133  Mo/s en DMA (mode 6).
• Norme SATA : equivalent ATA, mais en Serie, cette norme est a la norme ATA ce que le port Serie est au port parallele : plus petit, plus fiable, plus rapide, pour adresser des disques durs sans limite de capacite. Pour pouvoir utiliser un port SATA, il faut multiplexer les donnees du bus de la carte mere, via un controleur (c'est-a-dire une puce sur la carte mere), c'est le controleur SATA. Comme tout multiplexage, on peut autoriser des erreurs de communication (via des procedures de detection), et donc augmenter les debits de maniere tres importante. Pour communiquer avec ce controleur, le processeur utilise le protocole AHCI (qui permet aussi d'emuler une communication IDE).
• Technologie RAID , ce n'est pas un protocole, mais une maniere de gerer plusieurs disques durs pour augmenter la securite des donnees et/ou le taux de transfert.

Boitiers adaptateurs (disques durs externes) [ modifier | modifier le code ]

L'USB et le Firewire/IEEE 1394 (ainsi que les connectiques reseau) ne sont pas des interfaces de disque dur : les disques durs externes amovibles USB ou Firewire sont equipes en interne d'un adaptateur d'interface USB/S-ATA ou Firewire/S-ATA. Ces disques existent en trois formats : 1,3, 1,8 et 2,5 pouces ^{[ 30 ]} mais on trouve aussi des boitiers permettant de transformer des disques internes en disques externes, avec leur alimentation separee et leur interface, generalement USB.

En plus de la compatibilite de la connectique, l'utilisation de disques de technologie recente peut necessiter un boitier adaptateur capable de supporter cette technologie nouvelle. Par ailleurs, certains disques durs externes ne peuvent etre dissocies de leur adaptateur car ils forment un tout (circuit imprime commun) ; dans ce cas, le disque dur ne peut pas etre extrait pour etre monte sur un ordinateur personnel.

En avril 2014, les capacites courantes sur le marche sont de 160, 250, 320, 500, 640, 750  Go , et de 1, 2, 3, 4, 5, 6  To . Des fonctionnalites telles que la securite biometrique ou des interfaces multiples sont disponibles sur les modeles les plus onereux.

Capacite [ modifier | modifier le code ]

Nominale [ modifier | modifier le code ]

La capacite d'un disque dur peut etre calculee ainsi : nombre de cylindres × nombre de tetes × nombre de secteurs par piste × nombre d'octets par secteur ( generalement 512 ).

Cependant les nombres de cylindres, tetes et secteurs sont faux pour les disques utilisant le zone bit recording (enregistrement a densite constante), ou la translation d'adresses LBA . Sur les disques ATA de taille superieure a 8  Go , les valeurs sont fixees a 255 tetes, 63 secteurs et un nombre de cylindres dependant de la capacite reelle du disque afin de maintenir la compatibilite avec les systemes d'exploitation plus anciens.

Par exemple avec un disque dur S-ATA Hitachi de fin 2005 : 63 secteurs × 255 tetes × 10 011 cylindres × 512  octets/secteur = 82 343 278 080 octets soit 76,688  Gio (ou 82,343  Go ).

Utilisable par les systemes [ modifier | modifier le code ]

DOS et Windows [ modifier | modifier le code ]

La FAT12 , lancee avec la premiere version de PC-DOS , concue pour les disquettes , ne permettait d'adresser que 4 096  clusters , dont la taille pouvait etre au maximum de 4 096  octets sous PC-DOS 2 . Il s'ensuivait une limite de fait a 16  Mio ^{[ 31 ]} par partition sous PC-DOS 2 .

Lancee avec MS-DOS 3.0, la FAT16 autorisa l'adressage de 16 384 clusters de 2 048 octets, soit 32  Mio par partition, avec quatre partitions maximum pour MS-DOS 3.0 .

Avec le DOS 4, le nombre de clusters put monter a 65 526, permettant des partitions de 128  Mio ^{[ 32 ]} mais la taille des clusters ne pouvait toujours pas depasser 2 048 octets.

MS-DOS 5 et 6 permirent l'usage de clusters plus grands, autorisant la gestion de partitions de 2  Gio avec des clusters de 32  Kio , mais ne geraient pas les disques de capacite de plus de 7,88  Gio car ils employaient l'interface INT-13 CHS (AH=02h et AH=03h ^{[ 33 ]} ) du BIOS .

MS-DOS 7.0 supprima la limite a 7,88  Gio par l'usage de la nouvelle interface INT-13 LBA ( Enhanced Disk Drive Specification ) ^{[ 31 ]} , mais conservait la limitation a 2  Gio par partition, inherente a FAT16 avec des clusters de 32  Kio .

MS-DOS 7.1, distribue avec Windows 95 OSR/2 et Windows 98 , supportait FAT32 , ramenant la limite theorique a 2  Tio pour MS-DOS 7.1 . Mais sur disque ATA, le pilote 32 bits de Windows 9x ne permettait que l'usage de LBA-28, et pas de LBA-48, ramenant la limite pratique a la gestion de disques de 128  Gio ^{[ 34 ]} .

Les BIOS avaient eux-memes leurs limites d'adressage, et des limites propres aux BIOS apparurent pour les tailles de 504  Mio , 1,97  Gio ^{[ 35 ]} , 3,94  Gio ^{[ 36 ]} , 7,38  Gio ^{[ 37 ]} , 7,88  Gio ^{[ 38 ]} .

Cette derniere limite a 7,88  Gio ne put etre depassee qu'en etendant l'interface BIOS INT-13 par la BIOS Enhanced Disk Drive Specification ^{[ 39 ] , [ 40 ]} .

Les outils 16 bits de Microsoft ont eu leurs propres limites pour des tailles de 32  Gio ^{[ 41 ]} et 64 ^{[ 42 ]} .

Linux [ modifier | modifier le code ]

Avec les noyaux n'utilisant que l'adressage CHS sur les disques IDE, la capacite etait limitee a 8  Gio ^{[ 43 ]} .

Les noyaux contemporains utilisant nativement l'adressage LBA 48 bits, la limite de capacite est desormais de 128  Pio .

Limite structurelle [ modifier | modifier le code ]

En 2010 , l'adressage ATA est limite a 128  Pio par l'usage de la norme LBA -48.

Compression [ modifier | modifier le code ]

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La compression de disque est une technique qui augmente la quantite d'informations pouvant etre stockees sur un disque dur.

Les utilitaires de compression de disque etaient populaires au debut des annees 1990 , lorsque les disques durs des micro-ordinateurs etaient encore relativement petits (20 a 80  megaoctets ) et assez couteux (environ 10 US$ par megaoctet ). Les utilitaires de compression de disque permettaient alors d'augmenter pour un faible cout la capacite d'un disque dur, cout qui compensait alors largement la difference avec un disque de plus grande capacite.

Un bon utilitaire de compression de disque pouvait, en moyenne, doubler l'espace disponible pour une perte de vitesse negligeable ^{[ref. necessaire]} .

La compression de disque est tombee en desuetude a partir du milieu des annees 1990 ^{[ref. necessaire]} , lorsque les progres de la technologie de fabrication des disques durs ont entraine une augmentation des capacites, une baisse des prix, et que les systemes d'exploitation majeurs de l'epoque ^{[ 44 ]} ont integre en standard cette fonctionnalite. Neanmoins cela continue a etre utilise sur certains disques durs externes et meme SSD .

Performances [ modifier | modifier le code ]

Le temps d'acces et le debit d'un disque dur permettent d'en mesurer les performances. Les facteurs principaux a prendre en compte sont :

le temps de latence

facteur de la vitesse de rotation des plateaux. Le temps de latence (en secondes) est egal a 60 divise par la vitesse de rotation en tours par minute. Le temps de latence moyen est egal au temps de latence divise par deux (car on estime que statistiquement les donnees sont a un demi-tour pres des tetes). Dans les premiers disques durs, jusqu'en 1970, le temps de latence etait d'un tour : on devait en effet attendre que se presente la home address , rayon origine ( ¹ ⁄ ₂  tour) devant les tetes, puis on cherchait le ou les secteurs concernes a partir de cette home address ( ¹ ⁄ ₂  tour). IBM munit des disques 3033 d'une piste fixe entiere destinee a l'adressage, et qui eliminait le besoin de home address  ;

le temps de positionnement (en anglais seek time )

temps que met la tete pour atteindre le cylindre choisi. C'est une moyenne entre le temps piste a piste, et le plus long possible ( full-stroke ) ;

le temps de transfert

est le temps que vont mettre les donnees a etre transferees entre le disque dur et l'ordinateur par le biais de son interface.

Pour estimer le temps de transfert total, on additionne les trois temps precedents.

On peut par exemple rajouter le temps de reponse du controleur. Il faut souvent faire attention aux specifications des constructeurs, ceux-ci auront tendance a communiquer les valeurs de pointe au lieu des valeurs soutenues (par exemple pour les debits).

L'ajout de memoire vive sur le controleur du disque permet d'augmenter les performances. Cette memoire sera remplie par les blocs qui suivent le bloc demande, en esperant que l'acces aux donnees sera sequentiel. En ecriture, le disque peut informer l'hote qui a initie le transfert que celui-ci est termine alors que les donnees ne sont pas encore ecrites sur le media lui-meme. Dans le cas de cache en ecriture, cela pose un probleme de coherence des donnees.

Securite [ modifier | modifier le code ]

L'evolution rapide des systemes conduisant a remplacer periodiquement les materiels, de nombreux disques durs recycles contiennent des informations qui peuvent etre confidentielles (comptes bancaires, informations personnelles…). Des guides concernant l'effacement des supports magnetiques sont disponibles ^{[ 45 ]} .

Le contenu des disques durs est de plus en plus souvent chiffre pour obtenir de meilleures conditions de securite ^{[ 46 ]} . Le chiffrement peut etre logiciel (gere par le systeme d'exploitation) ou gere par une puce integree au disque dur.

Gestions des secteurs defectueux [ modifier | modifier le code ]

• Disque dur victime d'un atterrissage
• 
  Au milieu du disque.
• 
  Sur le bord du disque.
• 
  Sur les premieres pistes.

Les anciens disques durs utilisant l'interface Modified Frequency Modulation   (en) , par exemple le Maxtor XT-2190, disposaient d'une etiquette permettant de repertorier les secteurs defectueux. Lors du formatage et donc, en vue d'une preparation a l'utilisation, il etait necessaire de saisir manuellement cette liste de secteurs defectueux afin que le systeme d'exploitation n'y accede pas. Cette liste n'etait pas forcement vierge au moment de l'achat.

Avec le temps, les controleurs electroniques des disques durs ont pris en charge materiellement les secteurs defectueux. Une zone du disque dur est reservee a la re-allocation des secteurs defectueux. Les performances s'en trouvent reduites, mais le nombre de secteurs etant faible, l'effet est negligeable pour l'utilisateur.

L'usure de la couche magnetique, importante sur les premiers disques durs mais de plus en plus reduite, peut causer la perte de secteurs de donnees.

Le controleur electronique embarque du disque dur gere la recuperation des secteurs defectueux de facon transparente pour l'utilisateur, mais l'informe de son etat avec le SMART ( Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology ). Dans la grande majorite des cas, le controleur ne tente pas une recuperation des nouveaux secteurs defectueux, mais les marque simplement comme inutilisables. Ils seront realloues au prochain formatage bas-niveau a des secteurs de remplacement parfaitement lisibles. Cependant, suivant le controleur et l'algorithme utilise, la reallocation peut avoir lieu pendant le fonctionnement.

Les secteurs defectueux representent une pierre d'achoppement des sauvegardes materielles de disques durs en mode miroir (que ce soit au moyen de doubles docks possedant un dispositif de copie materielle hors connexion ou d'une commande comme dd en Linux ), car ces secteurs peuvent exister sur un disque et non sur l'autre, ou encore etre a des endroits differents sur chaque disque, rendant des lors la copie materielle imparfaite.

Formats [ modifier | modifier le code ]

Les dimensions des disques durs sont normalisees :

• 19 pouces ( 48,26 cm ) pour les anciens disques (a interface SMD ) ;
• 8 pouces ( 20,32 cm ) : generation suivante, permettant de mettre deux disques sur une largeur de baie ;
• 5,25 pouces ( 13,335 cm ) : format apparu en 1980 avec le ST-506 , on le trouve aussi en demi-hauteur ;
• 3,5 pouces ( 8,89 cm ) est la taille standard depuis de nombreuses annees ;
• 2,5 pouces ( 6,35 cm ) pour les ordinateurs portables a l'origine et installe sur certains serveurs depuis 2006, et qui est le format des solid-state drives  ;
• 1,8 pouce (4,572 cm) pour les baladeurs numeriques , les ultraportables , certains disques durs externes.

De plus petits disques existent mais entrent dans la categorie des microdrives , avec une taille de 1 pouce (2,54  cm ).

Les formats normalises precedents sont definis d'apres la taille des plateaux. Il existe aussi une normalisation de la taille des boitiers pour permettre aux disques durs de tous les manufacturiers de s'inserer dans tous les ordinateurs.

Tableau recapitulatif [ modifier | modifier le code ]

Microdrive [ modifier | modifier le code ]

Le disque Microdrive est cree en 1998 par IBM ^{[ 47 ]} . Microdrive est une marque deposee pour un disque dur de tres petite taille developpe puis commercialise a partir de 1999 pour repondre aux besoins des baladeurs numeriques et surtout de la photographie numerique .

Le Microdrive emprunte les dimensions et la connectique d'une carte memoire CompactFlash ( CF type 2 ) et est utilise de la meme maniere. Sa capacite varie de 170  Mo a 8  Go . Ce disque avait, a l'epoque, une capacite superieure aux cartes memoires, mais etait plus cher (mecanique de precision avec systemes antichocs), plus fragile et consommait davantage d'electricite a cause de son micromoteur. Il etait principalement utilise dans les appareils photos professionnels et dans certains lecteurs MP3 en raison de sa capacite importante. Depuis environ 2007, ce type de disque dur est en concurrence frontale avec les cartes de memoire flash , qui sont moins sensibles aux chocs, car faites d'electronique pure et dont le prix diminue sans cesse.

Disque virtuel (RAM disque) [ modifier | modifier le code ]

Un disque virtuel est un logiciel qui permet d'emuler un disque a partir d'un espace alloue en memoire centrale. Sa creation est faite par le pilote de disque virtuel, sa destruction est faite par la reinitialisation ou l'extinction de l'ordinateur (plus rarement par le pilote), les acces se font par des appels systemes identiques a ceux pour les disques reels (le noyau doit contenir les pilotes adequats). Les temps d'acces sont extremement rapides, en revanche, par nature, la capacite d'un disque virtuel ne peut exceder la taille de la memoire centrale.

Les donnees etant perdues si la memoire n'est plus alimentee electriquement, on ecrit en general sur un disque virtuel des fichiers pour lecture seule, copies de fichiers sur disque, ou des fichiers intermediaires dont la perte importe peu, par exemple :

• les fichiers overlay ^{[ e ]} de code executable (souvent d'extensions .OVR ou .OVL) ;
• les fichiers intermediaires de compilation (extensions .OBJ ou .o).

Disque dur amovible [ modifier | modifier le code ]

Historiquement, le premier disque dur amovible a large diffusion commerciale etait un boitier rackable contenant un disque dur et dote d'une interface IDE ; avec ce type de technologie, aucun branchement a chaud n'etait possible. Les disques externes raccordables a chaud commercialises par la suite sont principalement dotes d'un port FireWire , eSata ou USB .

Les disques durs externes raccordes via un port USB sont de plus en plus abordables, et possedent par exemple des capacites de 500  Go , 1, 2 et meme 5  To , pour un usage typique de sauvegarde de donnees volumineuses (photos, musique, video). L'interface est de type USB 2.0 ou USB 3.0 , et elle sert aussi a l'alimentation electrique. Ils sont parfois dotes de deux prises USB, la deuxieme permettant une meilleure alimentation en energie, un port etant limite a 500  mA  ; l'utilisation de deux ports permet d'atteindre 1 000  mA ^{[ 48 ]} .

• Differents types de disques durs externes
• 
  Disque externe Toshiba de capacite 1  To .
• 
  Disque Wi-Fi EMTEC de 500  Go , avec port Ethernet .

Concurrents du disque dur classique [ modifier | modifier le code ]

Solid-state drive [ modifier | modifier le code ]

Un SSD (pour solid-state drive ) peut avoir exterieurement l'apparence d'un disque dur classique, y compris l'interface, ou avoir un format plus reduit (mSATA, mSATA half-size, autrement dit demi-format) mais est dans tous les cas constitue de plusieurs puces de memoire flash et ne contient aucun element mecanique.

Par rapport a un disque dur, les temps d'acces sont tres rapides pour une consommation generalement inferieure ^{[ 49 ]} , mais lors de leur lancement, leur capacite etait encore limitee a 512  Mo et leur prix tres eleve.

Depuis 2008 , on voit la commercialisation d' ordinateurs portables (generalement des ultraportables ) equipes de SSD a la place du disque dur, par la plupart des grands constructeurs ( Apple , Acer , Asus, Sony, Dell, Fujitsu, Toshiba,  etc. ). Ces modeles peuvent etre utilises par exemple dans un autobus, ce qui serait deconseille pour un modele a disque dur physique, la tete de lecture risquant alors d'entrer en contact avec le disque et d'endommager l'un et l'autre.

Comme toute nouvelle technologie, les caracteristiques evoluent tres rapidement :

• en 2009 , un SSD de 128  Go vaut environ 350  $ , ce qui reste nettement plus cher qu'un disque dur classique ;
• mi- 2011 , un SSD de 128  Go vaut moins de 200  €  ; la capacite des SSD depasse desormais 1  To  ;
• fin 2012 , un SSD de 128  Go vaut environ 75  €  ;
• fin 2014 , un SSD de 240  Go vaut environ 80  €  ;
• en 2017 , un SSD de 1  To vaut moins de 300  €  ;
• en 2018, un SSD de 1  To vaut environ 190  €  ;
• en 2019, un SSD de 1  To vaut environ 90  € .

Disque dur hybride [ modifier | modifier le code ]

A mi-chemin entre le disque dur et le SSD , les disques durs hybrides (SSHD) sont des disques magnetiques classiques accompagnes d'un petit module de memoire flash (8 a 64  Go selon le fabricant ^{[ 50 ]} ) et d'une memoire cache (8 a 64  Mo selon le fabricant ^{[ 50 ]} ).

Developpe en priorite pour les ordinateurs portables, l'avantage de ces disques reside dans le fait de reduire la consommation d'energie, d'augmenter la vitesse de demarrage et d'augmenter, enfin, la duree de vie du disque dur.

Lorsqu'un ordinateur portable equipe d'un disque hybride a besoin de stocker des donnees, il les range temporairement dans la memoire flash, ce qui evite aux pieces mecaniques de se mettre en route.

L'utilisation de la memoire flash devrait permettre d'ameliorer de 20 % les chargements et le temps de demarrage des PC. Les PC portables devraient quant a eux profiter d'une augmentation d'autonomie de 5 a 15 %, ce qui pourrait se traduire par un gain de 30 minutes sur les dernieres generations de PC portables ^{[ ref.  souhaitee]} .

Fabricants [ modifier | modifier le code ]

Le nombre de fabricants de disques durs est assez limite depuis les annees 2000, en raison de divers rachats ou fusions d'entreprises, voire l'abandon par certaines entreprises de cette activite.

Les fabricants mondiaux restants sont :

• Seagate  ;
• Toshiba  ;
• Western Digital .

Les fabricants historiques sont :

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

Notes [ modifier | modifier le code ]

References [ modifier | modifier le code ]

Annexes [ modifier | modifier le code ]

Articles connexes [ modifier | modifier le code ]

• Bloc de systeme de fichiers
• Serveur de stockage en reseau (NAS)
• RAID
• Reseau de stockage SAN
• Solid-state drive (SSD)
• JBOD
• Baie de stockage

Liens externes [ modifier | modifier le code ]

• (en) ≪ 100 Years of Magnetic Recording Milestones: 1898 to 1998 ≫ , IBM .
• ≪ Disque dur ≫ , sur Vulgarisation-informatique.com.
• Jean-Pierre Louvet, ≪ Le premier disque dur a cinquante ans ! ≫ , Futura-Sciences , 14 septembre 2006.
• Notices d'autorite  :

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