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Les disques durs: évolution et anatomie

La première percée technologique majeure qui allait conduire à la création des disques durs modernes vint dans les années 50. Des ingénieurs d'IBM réalisèrent que, conçues d'une manière appropriée, les têtes pouvaient être suspendues au-dessus de la surface du disque et lire les données au fur et à mesure qu'elles passent sous les têtes. Avec cette découverte capitale que le contact avec la surface du disque n'était pas nécéssaire, les bases du disque dur moderne étaient nées. 

Le premier disque dur de production était l'IBM 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control), introduit le 13 septembre 1956. Ce monstre pouvait stocker 5 millions de caractères (approximativement 5 méga-octets, mais un "caractère" à cette époque ne comptait que 7 bits, et non pas 8!) sur 50 disques, mesurant chacun 61 cm de diamètre! Sa densité surfacique était d'environ 2 000 bits par pouce carré; en comparaison, les disques durs actuels ont des densités surfaciques mesurées en milliards de bits par pouce carré. Le taux de transfert de ce premier disque dur était de 8,8 Ko/s... L'ensemble pesait environ une tonne!

Au cours des années suivantes, la technologie s'est sans cesse améliorée, tant au niveau de la densité surfacique, que de la capacité et des performances. En 1962, IBM introduisit le modèle 1301. La grande innovation de ce disque était l'introduction de têtes qui flottaient, ou qui "volaient" au-dessus de la surface du disque sur un "coussin d'air", réduisant la distance des têtes à la surface du disque de 20,32 µm à 6,35 µm. 

En 1973, IBM présenta le modèle 3340, qui est souvent considéré comme le père du disque dur moderne. Cette unité avait deux modules séparés, l'un permanent et l'autre amovible, chacun avec une capacité de 30 Mo. Pour cette raison, le disque était souvent désigné "30-30". Ce nom lui a d'ailleurs valu le surnom de disque dur "Winchester", d'après la célèbre carabine Winchester 30-30. En faisant appel au premier environnement scellé et à une technologie sur "coussin d'air" grandement améliorée, le disque dur Winchester voyait la distance de ses têtes au-dessus de la surface du disque réduite à 0,43 µm. Les disques durs modernes d'aujourd'hui utilisent toujours de nombreux concepts introduits dans le 3340 d'IBM, et pour cette raison sont parfois appelés disques durs "Winchester".

Le premier disque dur au format 5,25" employé dans les premiers PC était le Seagate ST-506. Il disposait de quatre têtes et d'une capacité de 5 Mo. IBM ne choisit pas ce disque, mais plutôt le ST-412 - un disque de 10 Mo au même format - pour l'IBM PC/XT, faisant de ce disque dur la premier à être largement utilisé dans les PC et les compatibles-PC.

Les PC à base de processeurs Intel 8088, 8086, 80286, 80386 et 80486 avaient des disques durs dont la capacité se situait entre 40 et 200 Mo en moyenne.  

Anatomie d'un disque dur contemporain

L'intérieur d'un disque dur est complètement scellé, afin d'éviter toute introduction de particule à l'intérieur, c'est pourquoi les disques durs sont construits dans des salles blanches. Le disque dur contient un ensemble de plateaux tournant autour d'un axe fixe à des vitesses allant de 5 400 à 15 000 tours/minute, pour les plus rapides. Ces plateaux sont traditionnellement faits d'aluminium, ou d'alliages mélangeant l'aluminium et manganèse, mais de nouvelles technologies ont vu le jour au cours de ces dernières années, comme la technologie de substrats de verre développée par IBM (encore eux!), qui sera détaillée plus loin. 

Chaque disque est divisé en cercles concentriques, contrairement aux disques vinyle, qui sont faits en spirales. Ces cercles sont appelés des "pistes", et ils comportent eux-mêmes des "secteurs". Chaque piste a le même nombre de secteurs, peu importe si elles sont situées vers l'extérieur du disque ou vers l'intérieur. Pour que celles-ci aient le même nombre de secteurs, elles enregistrent les données à une densité plus faible que celles qui sont vers l'intérieur. De plus en plus, les interfaces intelligentes, telles que le SCSI, font en sorte que les pistes externes enregistrent à une densité semblable à celle de leurs consoeurs; elles contiennent plus de secteurs, donc plus d'espace disque.

En moyenne, un disque contient 500 à 2000 pistes; cela dépend bien sûr du diamètre du disque. Contrairement aux disquettes, les disques n'arrêtent jamais de tourner. Ils sont en constante rotation. Cela permet d'aller chercher l'information beaucoup plus rapidement. Toutefois, les derniers nés du marché possèdent un système d'économie d'énergie, permettant de ralentir la vitesse des disques et de "ranger" les têtes de lecture lorsque aucun accès disque n'est réalisé. 

Pour lire ou écrire l'information dans un secteur, un bras mobile, avec la tête en son extrémité, est situé au-dessus de chaque plateau. De part et d'autre de chaque plateau, les têtes enregistrent les données en aimantant de petits secteurs, nommés domaines, alignés dans le sens de la longueur selon des pistes concentriques; les têtes récupèrent l'information en détectant les aimantations. Les bras sont tous solidaires les uns des autres, c'est-à-dire que si l'un d'entre eux doit se déplacer au-dessus d'un secteur donné, tous les bras seront au-dessus du secteur de leur piste respective. Les têtes n'entrent jamais en contact avec les plateaux. Un choc brutal pourrait venir endommager le disque et en détruire les données. Si aucune information ne s'y trouve, aucune information ne pourra plus y être écrite.

Les têtes de lecture survolent les plateaux à 0,25 µm. La rotation des plateaux produit un vent de 270 km/h qui fait planer la tête, ce qui correspond, à l'échelle 1/32 000, à un Boeing 747 planant à 8 millimètres du sol sans jamais atterrir!

On comprend mieux, étant donnée la précision nécessaire, pourquoi les disques durs sont scellés sous vide: toute poussière à l'assemblage serait fatale aux têtes du disque dur. C'est pourquoi les disques durs sont scellés sous vide, et que tout headcrash (écrasement d'une tête de lecture sur un plateau) est fatal.

La tête de lecture en elle-même est beaucoup plus fine que sur un lecteur de disquettes, afin de pouvoir se déplacer rapidement. Étant plus fine, elle ne magnétise qu'une petite partie de la surface, ce qui permet encore une fois de maximiser le disque. La tête est une petite pièce métallique polarisée munie d'un trou à son extrémité. Celui-ci laisse passer l'impulsion électrique. Elle joue le rôle d'amplificateur qui transforme des impulsions magnétiques en impulsions électriques.

Cheminement d'une lecture d'information typique sur un disque dur :

1. Le processeur demande au contrôleur disque l'accès à un emplacement précis du disque dur (via le bus PCI).

2. Le contrôleur acquitte réception de la demande auprès du processeur et transmet la requête au disque dur en même temps.

3. Le processeur se met en veille, ou va faire autre chose en attendant la suite.

4. Le disque dur pendant ce temps commence à déplacer ses têtes de lecture à l'emplacement où se trouve l'information.

5. Une fois les têtes de lecture en place, l'information est lue et stockée dans la mémoire cache du disque dur.

6. Le disque transmet ensuite l'information au contrôleur.

7. Le contrôleur copie l'information en mémoire puis notifie le processeur que l'information est arrivée.

8. Le processeur revient à son travail et continue de traiter les données.

Pour bien comprendre l'importance de chaque étape, il faut garder en mémoire que les temps d'accès et de lecture d'un disque dur se comptent en millisecondes (ce sont des opérations utilisant de la mécanique), alors que le reste de l'électronique travaille plutôt à des vitesses de l'ordre de la nanoseconde. Par conséquent, les étapes 1. et 2. sont presque instantanées, d'autant qu'elles ne nécessitent que l'échange de quelques octets. Les étapes 4. 5. 6. et 7. sont en revanche relativement lentes puisqu'elles se comptent en...  millisecondes! On peut cependant, dans une certaine mesure, optimiser les étapes 6. et 7. en intervenant d'une part sur l'interface et le contrôleur disque, au niveau de l'étape 6., et d'autre part sur le bus PCI et la vitesse de la mémoire vive pour l'étape 7. 

L'étape 6. va consister à faire transiter souvent quelques Méga-octets du disque dur au bus PCI. Le protocole de communication du contrôleur disque va donc déterminer la vitesse d'arrivée des données. Entre alors en jeu l'interface et le contrôleur de disque! Bien que l'information ait été récupérée par le disque dur, il faut la transmettre en mémoire vive. En ce qui concerne le protocole de communication, il en existe deux grandes familles bien connues : l'IDE et le SCSI. L'IDE a l'avantage en parts de marchés, car il est simple, bon marché et de série sur tous les PC vendus dans le monde. Le SCSI est moins utilisé, car son implémentation coûte plus cher, mais a la faveur des professionnels, pour ses performances intrinsèques, sa supériorité dans les domaines vraiment multitaches, sa capacité à travailler en paquets (pour les serveurs) et à pouvoir lancer un nombre de requêtes de lecture/écriture beaucoup plus important que sur un disque à interface IDE (256 contre 8 ).

L'étape 7. dépend du bus PCI et de la vitesse de la mémoire vive. Le bus PCI standard est limité à 133 Mo/s, ce qui est bien au-delà du débit maximal du meilleur disque dur existant. Mais, lorsque plusieurs disques durs tournent simultanément, ce débit peut devenir insuffisant! Certaines cartes Ultra 160/m SCSI peuvent contrôler 30 disques durs, sur deux interfaces à 160 Mo/s chacune. Soit 320 Mo/s de données en pointe... non seulement le bus PCI arrive à saturation, mais même la mémoire vive (800 Mo/s sur un PC avec SDRAM PC100) commence à être sérieusement occupée. 

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