Tout savoir sur les disques durs

Le par Manuel D. C.  |  3 commentaire(s)
Article n° 216 - Tout savoir sur les disques dur (120*120)

De nombreux termes techniques sont utilisés pour définir et différencier les disques durs. Mémoire cache, NCQ, S-ATA, P-ATA, SMART, SCSI, AAM, vitesse de rotation, etc. Ce qui n'est pas sans poser de problème aux moins aguerris d'entre nous. Voici donc les explications qui s'imposent.

La structure d'un disque dur

Les plateaux
La structure d’un disque dur se divise en trois parties. La première se présente sous la forme de plateaux superposés, et composés de verre ou d’aluminium. Chaque plateau dispose de deux faces constituées en partie d’un revêtement magnétisable (d’autres couches de protection sont également utilisées) utilisé pour enregistrer les données au format binaire (0 et 1, appelés bits). Ce système binaire se traduit physiquement par une polarité (ou un état). On utilise la polarité négative pour définir le 0 et la polarité positive pour définir le 1.

Chaque plateau tourne autour d’un axe, utilisant des roulements à bille ou à huile, à une vitesse constante (vitesse angulaire) dans le sens inverse des aiguilles d’une montre et caractérisé par la vitesse de rotation.

         


La plupart des disques durs 3 pouces et demi disposent d’une vitesse de rotation de 7200 tours par minute, contre 4200 et 5400 trs/min pour la plupart des disques durs au format 2 pouces ½ et 10000 trs/min et plus pour les disques durs SCSI et SAS.

Et lorsque les plateaux du disque dur tournent, il se crée un fine couche d’air (de l’ordre du micron) sur laquelle reposent les têtes de lecture / écriture. Il suffit qu’une simple poussière se retrouve entre le plateau et la tête de lecture / écriture, pour qu’un disque soit endommagé. C’est pourquoi tout est rigoureusement confiné dans un boîtier métallique sous vide d’air. Boîtier qu’il ne faut évidemment pas ouvrir sous risque de détériorer le disque, même si on souhaite installer une plaque de Plexiglas pour lui donner un aspect tuning.


        

Pour organiser les données enregistrées, chaque plateau est divisé en pistes concentriques réparties à intervalle régulier et en secteurs de tailles égales (ou blocs). Cette organisation physique est réalisée par le formatage de bas niveau qui est constitué du Master Boot Record (MBR) représentant le tout premier secteur du disque dur (cylindre 0, tête 0 et secteur 1). C’est d’ailleurs ce MBR qui intègre le Master Boot Code (MBC), et la table de partitions. Il contient également des informations reliées au constructeur (nombre d’octets par secteur, numéro de série, etc.).

Il ne faut évidemment pas confondre le formatage de bas niveau, qui demande plusieurs heures suivant la capacité de stockage, avec le formatage logique qui lui, crée un système de fichiers (FAT32, NTFS, Ext2, Ext3, ReiserFS, etc.) indispensable à tout système d’exploitation pour stocker et utiliser ses fichiers.
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La structure d'un disque dur (suite)

Les têtes de lecture / écriture
La deuxième partie d’un disque dur se caractérise par le bloc de têtes de lecture / écriture. Chaque plateau dispose de deux têtes de lecture / écriture (une pour chaque face), lesquelles sont rendues solidaires sur un bras mécanique. Ce qui implique qu’un déplacement de tête (changement de piste) s’effectuera de manière simultanée sur l’ensemble des plateaux. C’est ce qu’on appelle le cylindre (ensemble de données stockées verticalement sur chaque plateau). Pour permettre d’enregistrer les données, ces têtes sont inductives. C'est-à-dire qu’elles sont capables de générer un champ magnétique permettant de polariser la surface magnétique du plateau. Et ainsi de créer un état (0 ou 1) qui sera transformé en courant électrique, pour être de nouveau traduit en binaire par un convertisseur analogique / numérique (CAN) et transmis à la carte mère et à la mémoire vive via l’interface.

 

Il est d’ailleurs courant de confondre l’interface, qui est le bus permettant au disque dur de transmettre et recevoir des informations avec la carte mère, et le contrôleur qui a pour rôle la gestion et l’organisation des données sur le disque dur. C’est ce même contrôleur qui permet d’accéder aux données enregistrées en indiquant leur emplacement, plus communément appelé adressage CHS (Cylinder, Head, Sector). Mais plus récent, c’est un adressage de type LBA (Logical Block Adressing) qui est utilisé. Ce système d’adressage ne s’appuie plus sur le cylindre, la tête et le numéro de secteur, mais il attribue un numéro unique à chacun des secteurs.

Pour en revenir à l’écriture des données, celle-ci s’effectue de l’extérieur vers l’intérieur du plateau. Et afin d’améliorer les performances de lecture / écriture, le disque dur dispose d’une mémoire cache dont la capacité est aujourd’hui de 8 ou 16 Mo. Cette mémoire cache permet de stocker les données auxquelles le disque accède le plus souvent en garantissant un débit constant.
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Le Fluid Dynamic Bearing et l'Automatic Acoustic Management

Roulements à billes ou à bain d'huile
Comme nous l’avons précédemment expliqué, chaque plateau tourne autour d’un axe qui utilise des roulements à bille ou de l’huile. Longtemps utilisé, le système de roulement à billes équipant le moteur présente quelques inconvénients. En effet, les billes se déforment à la longue et entraînent au passage des oscillations de l’axe des plateaux et par conséquent, des têtes de lecture / écriture. Et malheureusement, l’aspect mécanique des roulements à billes rend imprévisible toute prévention de panne.

Spindle motorBall Bearing

Pour y remédier, les constructeurs ont alors adopté le système dit "fluid dynamic bearing" (FDB) qui consiste à placer l'axe de rotation des plateaux dans un bain d'huile. Ce qui permet de réduire significativement les oscillations de l’axe des plateaux et des têtes de lecture / écriture grâce à la viscosité de l'huile. Et ce qui permet en toute logique d’accroître la durée de vie du disque dur. Mais le FDB apporte en plus la réduction des nuisances sonores au niveau de l’axe de rotation des plateaux, un contrôle accru de la vitesse de rotation, et pour finir, une meilleure protection contre les choc.

Atténuation de bruit
Pour réduire davantage les nuisances sonores d’un disque dur, et plus précisément les nuisances provoquées par les accès disques, les constructeurs utilisent l’Automatic Acoustic Management (AAM). L’AAM permet de contrôler l’accélération et la décélération du bras supportant les têtes de lecture / écriture qui provoquent un grattement significatif à chaque accès sur les pistes des plateaux. Comment ' En modifiant tout simplement la tension appliquée au système de positionnement des têtes. Mais si on parvient bien à réduire le bruit généré par le déplacement des têtes, occasionnant en théorie une baisse de la consommation électrique et une durée de vie accrue du disque, c’est au détriment des accès disques qui deviennent alors moins rapides. C’est donc à chacun de déterminer ses réels besoins : silence ou performances.

Mais il est également possible de trouver un juste équilibre, 126 nuances, entre le mode normal et le mode AAM optimal, étant proposé avec l’utilitaire DOS Feature Tool d’Hitachi qui permet de gérer l’AAM. Vous pourrez télécharger cet utilitaire sur le site constructeur ou bien utiliser la suite logicielle Ultimate Boot CD. À noter que tous les disques durs ne supportent pas la fonction AAM, comme les premiers disques Raptor du constructeur Western Digital.

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Les interfaces

Le Parallel-ATA
Trois familles d’interfaces sont disponibles aujourd’hui. La première, l’Advance Technology Attachment ( ATA ), plus connue sous le nom de IDE ( Integrated Drive Electronics ), se divise en deux interfaces. À commencer par le Parallel ATA qui permet de brancher deux disques durs configurés en Maître et Esclave sur un même canal, à l’aide d’une nappe de 40 ou 80 fils. La transmission des données s’effectue grâce au protocole Ultra DMA ( Direct Memory Access ), qui permet un accès direct avec la mémoire sans avoir à passer par le processeur. Contrairement à l’ancien protocole PIO ( Programmed Input/Output ) qui nécessitait l’utilisation du processeur pour la transmission des données. De plus, l’Ultra-DMA a également introduit le mode de détection/correction d’erreur CRC.

Nappe IDEInterface IDE disque
   

Aujourd’hui, c’est l’Ultra-DMA 6 ( offrant un débit de 133 Mo/s ) qui est le plus couramment utilisé. Pour rappel, l’Ultra-DMA 2 offrait un débit de 33 Mo/s, 66 Mo/s pour l’Ultra-DMA 4 et enfin, 100 Mo/s pour l’Ultra-DMA 5.

C’est d’ailleurs depuis le protocole Ultra-DMA 4, qu’une nouvelle nappe IDE a été introduite. Celle-ci embarquait 40 fils de masse supplémentaires intercalés entre chaque fil utilisé pour transmettre les données. Pour mieux comprendre un tel changement, il faut rappeler que le DMA autorisait une transmission des données asynchrone. C'est-à-dire que les requêtes disques, l’envoi et la réception des données ne pouvaient se faire qu’à chaque front montant suivant la fréquence du bus. Avec l’Ultra-DMA, le taux d’échange a été optimisé en utilisant non seulement le front montant, mais également le front descendant. Une augmentation de la fréquence du bus permettait ainsi d’augmenter le taux de transfert de données. Mais en contrepartie, l’augmentation de fréquence posait des problèmes d’interférences. C’est pourquoi la nappe 80 fils a été introduite pour repousser un peu plus les limites en limitant ces perturbations.
 DMA modes 
Le Serial-ATA
Apparu en 2003, le Serial-ATA I est une évolution du standard IDE / ATA et présente de nombreuses améliorations et avantages. À commencer par une augmentation du débit d’échange des données qui atteint la bande passante de 1,5 Gbit/s, soit 187,5 Mo/s maximum. Mais, le mode d’échange de données a lui aussi évolué et s’effectue dorénavant en série ( ou point à point ). Il utilise le mode de transmission Low Voltage Differential Signal ( LVDS ) qui utilise un codage des données sur 10 bits. 8 Bits sont dédiés aux données, et les 2 autres sont réservés aux commandes de correction d’erreur ce qui porte le débit théorique à environ 150 Mo/s. La notion de maître / esclave disparaît et la bande passante d’échange de données n’est plus répartie entre les deux disques d’une nappe IDE. Chaque disque dur dispose de toute la bande passante S-ATA.

Très appréciable, la nappe 80 fils est abandonnée et remplacée par un câble pouvant atteindre jusqu’à un mètre de long, contre 46 cm tout au plus pour une nappe IDE, et se compose de 7 fils ( 4 pour la transmission de données et 3 pour la masse ). Ce qui est un moindre mal et assurera une meilleure circulation de l’air dans les boitiers.

IMG_1111nappe Sata

En plus, le S-ATA autorise un branchement à chaud des périphériques utilisant la même norme. À condition que le bios de la carte mère supporte cette fonction, appelée Hot Plug.

Le connecteur d’alimentation est, lui aussi différent. Il se compose de 15 broches autorisant les tensions d’alimentation en 3.3V, 5V ou 12V. Mais quelques disques intègrent encore la traditionnelle prise MOLEX.

Plus récent, le S-ATA II ( ou S-ATA IO ) offre un débit théorique maximum de 300 Mo/s ( 3 Gbits/s ), et introduit principalement la technologie Native Command Queuing, dont nous parlerons un peu plus loin, mais aussi la nouvelle interface SATA externe, le eSATA. Une nouvelle déclinaison est également attendue courant 2007, et permettra d’atteindre un débit de 600 Mo/s.

Plutôt réservé aux professionnels de par son prix très élevé et sa complexité de mise en oeuvre, le SCSI est une interface de transmission autonome et bien plus rapide que l’ATA/IDE. Celle-ci permet de gérer plusieurs périphériques simultanément en « déportant » l’intelligence vers le périphérique lui-même.
Egalement destiné aux professionnels, le Serial Attached SCSI reprend tout simplement le meilleur du S-ATA et du SCSI.
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Native Command Queuing (NCQ)

Présent nativement avec la norme S-ATA II, le principe du Native Command Queuing est relativement simple. En temps normal, les requêtes adressées au disque sont traitées par ordre d’arrivée. Le NCQ permet de réorganiser ces requêtes pour les traiter plus rapidement en réduisant au passage le déplacement des têtes de lecture / écriture. On obtient ainsi un fonctionnement optimal du disque avec, à la clé un gain de temps, la réduction de la consommation voire des nuisances sonores puisque les mouvements mécaniques sont optimisés.

Mais pour que le NCQ puisse être efficace, il est nécessaire que les applications ne travaillent pas de manière synchrone, c’est à dire qu’elles ne doivent pas attendre la réponse à une requête avant d’envoyer la prochaine. Windows est quant à lui un système d’exploitation multitâche permettant d’utiliser simultanément plusieurs applications accédant en même temps au disque. Pour vous donner un exemple, il suffit de lancer un encodage vidéo pendant que vous continuez de surfer sur Internet, consultez vos e-mails, retouchez vos photos, etc.

NCQ

Mais Windows doit subir quelques modifications, du moins sur plateforme Intel car il est indispensable d’activer l’AHCI ( Advanced Host Controller Interface ) dans le bios avant d’installer les pilotes S-ATA AHCI lors de l’installation de Windows. Une fois sous Windows, il reste encore à installer l’Intel Application Accelerator pour bénéficier du NCQ. Un problème subsiste cependant. Si vous avez déjà installé Windows sans avoir au préalable respecté ces mesures, il ne vous sera pas possible d’activer le NCQ sans réinstaller Windows. Plutôt gênant en cas d’upgrade.

Sur une plateforme AMD, les choses sont heureusement plus simples puisque le NCQ est activé automatiquement dès l'activation de l’AHCI dans le bios. Ce qui est bien plus pratique en cas d’upgrade de disques. Pour finir, et contrairement aux idées reçues, le NCQ ne permet à aucun moment d’obtenir de meilleurs débits du disque.



NCQ2 nForce4


S.M.A.R.T
La fonction Self Monitoring Analysis & Reporting Technology, bien qu’étant un procédé ancien introduit avec le standard ATA-3 permet de surveiller en temps réel l’état de votre disque dur. Le but du SMART est de prévenir tout risque de panne ou de défaillance qui entraînerait la perte irrémédiable de vos données. Pour cela, le SMART surveille plusieurs éléments vitaux du disque dur. Nombre de secteurs défectueux, hauteur des têtes de lecture / écriture par rapport aux plateaux, température, distance entre le bord des plateaux et les têtes, taux d’erreur de lecture / écriture, diminution du taux de transfert, etc. Bien entendu le SMART n’est pas une solution fiable à 100%, puisque certains éléments électroniques peuvent tomber en panne, ce qui est imprévisible.


Everest SMART

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Perpendicular Recording (P-Recording)

Pour augmenter la capacité de stockage d’un disque dur, les constructeurs avaient le choix entre augmenter le nombre de plateaux ou augmenter la densité surfacique de chaque plateau. La densité surfacique ( Max Areal Density ) représentant la quantité de données qu’il est possible de stocker sur une surface donnée. Et c’est souvent vers la deuxième solution que se sont tournés les constructeurs. Il « suffisait » alors de réduire les particules magnétiques permettant le rapprochement des pistes entre elles, et donc une plus grande quantité de données pouvaient être stockées.


tetesEnregistrement données    
Néanmoins, avec l’enregistrement de type longitudinal ( les données sont enregistrées de façon horizontale ) utilisé en majeur parti par nos disques durs, les constructeurs en sont arrivés aux limites physiques imposées par la réduction des particules magnétiques ( super paramagnétisme ). Et l’intégrité des données ne peut, de cette façon, plus être convenablement assurée.

Pour repousser davantage ces limites, une nouvelle façon d’enregistrer les données sur la surface des plateaux a été développée : l’enregistrement perpendiculaire ( Perpendicular Recording ). Les données ne sont plus enregistrées horizontalement, mais verticalement ce qui permet d’obtenir un gain de place conséquent. De plus, la stabilité des bits de données est également accrue ( la charge magnétique est mieux retenue ) avec une consommation électrique à la baisse.

Perpendicular recording         Perpendicular recording 2

Hitachi nous promet un disque d’une capacité de 1 To dès le premier trimestre 2007. Ce qui est loin de paraître irréaliste, Seagate ayant déjà commercialisé un disque de 750 Go, et vient même d'annoncer avoir obtenu une densité d'enregistrement record de 421 Gbits par pouce carré. Les premiers disques durs de la marque proposant des capacités records de 2,5To sont attendus pour 2009. Pour autant, le numéro un mondial du disque dur ne s'arrête pas là et parle déjà de futures évolutions telles que l'Heat Assisted Magnetic Recording ( HAMR ) qui pourrait permettre d'atteindre, voire même de dépasser des densités de données de 50 terabits par pouce carré.

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Glossaire

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Après avoir passé en revue les différents termes techniques de ce dossier, il reste encore un point à élucider. Pourquoi la capacité affichée sous Windows ou tout autre système d’exploitation ne correspond-elle jamais à la capacité de votre disque dur '
Avant de répondre, il est utile de rappeler que le langage utilisé en informatique est le binaire qui peut prendre deux états, 0 ou 1. Pour représenter la capacité de stockage, on utilise l’unité de mesure « octet » ( byte ) qui est un ensemble de 8 bits ( Binary digit ). Et contrairement à ce que beaucoup peuvent penser, le kilo-octet ne représente pas 1000 octets mais 1024 octets (210 octets). Les constructeurs ont pourtant choisi de compter 1000 octects pour un kilo-octet, peut-être par simplicité,  ou plus certainement par motivation marketing.

Donc pour un disque dur d’une capacité de 200 Go, la « logique constructeur » veut que l’on ait 200 000 000 000 octets.

Prenons un exemple concret, un disque 200 Go vendu dans le commerce devrait faire en realité :
1 giga-octet (Go) = 230 octets que nous multiplions par 200 soit un total de 214 748 364 800 octets. Or selon la « logique constructeur », la base de calcul n'étant pas la même, il considère que :
1 giga-octet (Go) = 109 octets que nous multiplions toujours par 200 soit un total de 200 000 000 000 octets, ce qui en toute logique équivaut à : 200 000 000 000 divisé par 230 octets soit un total d'environ 186 Go. Conclusion si vous voulez acquérir un disque de 200 Go réel, il vous faudra acheter un disque de 214 748 364 800 octets ou encore un disque de 215 Go « logique constructeur ».

Pour finir, voici un rapide rappel des termes mis en avant par les constructeurs pour différencier les disques durs présents sur le marché.

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Capacité : Quantité de données pouvant être stockées sur le disque.

Taux de transfert : Débit des données en lecture / écriture (Mbits/s).

Vitesse de rotation : vitesse à laquelle les plateaux tournent, exprimée en tours par minutes ( trs/min ou rpm ). La vitesse des disques durs varie de 4200 à 7200 rpm pour les disques durs 2 pouces et demi et 7200 à 15000 rpm pour le format 3 pouces et demi.

Temps de latence :
temps dépendant directement de la vitesse de rotation des plateaux, et indiquant le temps nécessaire pour changer de piste.

Temps d'accès moyen ( seek time ): temps moyen nécessaire à la tête pour se positionner sur la bonne piste pour accéder aux données une fois la requête reçue.
Plus ce laps de temps est court, meilleur sont les performances. Mais le temps d’accès moyen communiqué par les constructeurs ne tient compte que du temps nécessaire aux têtes de lecture/écriture pour se déplacer.


Bras DD 2     Bras DD
Densité radiale : Nombre de pistes par pouce ( Track per Inch ).

Densité linéaire : Nombre de bits par pouce sur une piste donnée ( Bit per Inch ).

Densité surfacique : rapport de la densité linéaire sur la densité radiale ( bits per Inch2 ).

Mémoire cache : La mémoire cache permet de conserver les données auxquelles le disque accède le plus souvent afin d'améliorer les performances globales

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Interface : il s'agit du bus de communication entre le disque dur et la carte mère. Les principales interfaces sont l’IDE / ATA ( P-ATA ), le Serial ATA, le SCSI et le SAS. Mais on trouve également l’eSATA, le Firewire 400 / 800 ainsi que l’USB 2.0 pour les disques durs externes.



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Vos commentaires
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Ķåяζ offline Hors ligne Héroïque icone 850 points
Le #169975
très bon dossier
ericle offline Hors ligne Vénéré avatar 2843 points
Le #170220
Très clair grâce à l'abondante illustration !

Je vais l"utiliser pour présenter aux clients ce qu'est leur disque dur et pourquoi, par exemple, il faut le défragementer de temps en temps !
romain0083 offline Hors ligne Héroïque avatar 896 points
Le #582541
Excellent dossier , je ne sais pas qui s'occupe de ce site , et donc si vous êtes disposez à répondre , mais si vous pouviez m'informer plus amplement et sur différents composants je suis votre élève
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