Quoi
de plus merveilleux que les disquettes qui étaient à l’époque
un format de stockage et de transport révolutionnaire, ou de nos jours
les CD-ROM, les DVD et les futurs Blu-Ray DISC ! Sur ces simples supports optiques
il est possible de graver des milliers de fichiers, de stocker images, sons
et autres animations ! Mais comment sont constitués ces unités
de stockage ? Comment fonctionne un disque-dur ?
Au travers de ce dossier, qui ne se veut pas exhaustif, nous
tâcherons de répondre à ces questions à l’aide
de schémas et d’explications simples et accessibles à tous
!
1 - Généralités
sur les unités de stockage
Un micro-ordinateur possède deux types principaux de
stockage. Sa mémoire vive (RAM) est utilisée comme unité
de stockage temporaire par le microprocesseur, qui s’en sert pour les
programmes, le travail en cours et différentes informations internes
de contrôle des tâches. Les lecteurs de disques et autres supports
externes permettent de conserver l’information de manière plus
permanente. À ces unités de stockage s’ajoutent d’autres
types de support comme la mémoire morte (ROM) de l’ordinateur qui
représente un support permanent et non effaçable.
Caractéritique fondamentale : le temps d’accès
Le temps d’accès d’une unité de stockage
correspond au temps que met l’unité pour répondre à
une requête de lecture ou d’écriture. Ce temps, généralement
mesuré en millisecondes (ms), couvre l’intervalle entre le moment
où est émise la requête de lecture ou d’écriture
et le moment où est reçue l’information signalant le succès
ou l’échec de la requête. Durant cet intervalle de temps,
l’unité de disque déplace le bras d’accès à
l’endroit approprié de la surface du disque, positionne la tête
de lecture/écriture et attend que les secteurs concernés se présentent
sous la tête pour effectuer l’opération. Le temps d’accès
est souvent donné comme indicateur de la vitesse du disque : un temps
d’accès inférieur à 30 ms est considéré
comme rapide; un temps supérieur à 60 ms est considéré
comme lent.
L'avenir des unités de sctokage
Le stockage des données représente quelque chose
de vitale pour l’industrie informatique : stocker toujours plus d’informations
sur des supports toujours plus puissants et toujours plus fiables !
Nous avons atteint des sphères élevées
au niveau des technologies développées pour les ordinateurs domestiques.
Le temps est maintenant à la miniaturisation et à l’amélioration
de la fiabilité ! Et les unités de stockage n’échappent
pas à cette nouvelle règle d’or ! IBM propose des disques
durs de plus en plus petits avec des capacités époustouflantes
!
En 1999 IBM annonça qu'il débutait la vente d'un
mini-disque dur de 340 Mo, destiné aux caméras digitales, aux
PC de poche et aux baladeurs. De la taille d'une grosse pièce de monnaie
et pesant moins lourd qu'une pile AA, ce nouveau disque dur peut stocker : 1
000 photos numériques compressées, 6 heures de son d'une qualité
proche du CD !
Une nouvelle technologie de Big Blue permet d'enregistrer 75
% d'informations supplémentaires par pouce carré. Avec sa capacité
de stockage de 73,4 milliards d'octets et une vitesse de transfert de données
inégalée, le disque dur Ultrastar 72ZX d'IBM bat tous les records.
Le record, en tant que tel, concerne la densité du nouveau support :
35,3 milliards de bits par pouce carré ; la même équipe
d'IBM, il y a cinq mois, atteignait seulement 20 milliards de bits par pouce
carré.
Quant au DVD-ROM il sera bientôt supplanté (déjà
?) par le Blu-Ray DISC !
Les longueurs d'onde des lasers rouges et infrarouges utilisés aujourd'hui
limitent la réduction de la taille des creux sur les disques. Le laser
bleu a une longueur d'onde plus courte qui pourrait lire et écrire de
plus petits creux, et permettre ainsi la fabrication de DVD de nouvelle génération
d'une capacité d'au moins 20 Go. Il devrait mesurer 12 cm de diamètre,
soit la même taille qu'un DVD. Mais le Blu-Ray multipliera par cinq la
capacité de stockage.
2- Disque dur : principe et fonctionnement
Le disque dur d’un ordinateur se compose d’un ensemble
de plateaux circulaires coaxiaux, recouverts d’une couche de matériau
magnétique qui permet l’enregistrement de données. Un disque
dur ordinaire comporte un à huit plateaux tournant à plusieurs
milliers de tours par minutes, ses têtes de lecture/écriture se
déplaçant à la surface des plateaux sur un coussin d’air
d’épaisseur comprise entre 0,2 et 0,5 µ. Les plateaux et
le mécanisme de lecture sont enfermés dans une coque étanche
qui les isole de la poussière ambiante, car la moindre petite particule
peut venir détériorer l'état de surface du disque.
Les phases de lecture et écriture
Un ordinateur fonctionne de manière binaire, il faut
donc stocker les données sous forme de 0 et de 1. Les têtes de
lecture/écriture sont dites "inductives" : elles sont capables
de générer un champ magnétique qui soit positif ou négatif
permet de polariser la surface du disque en une très petite zone, ce
qui se traduira lors du passage en lecture par des changements de polarité
induisant un courant dans la tête qui sera ensuite transformer par un
convertisseur analogique numérique (CAN) en 0 et en 1 compréhensibles
par l'ordinateur.
Les têtes commencent à inscrire des données
à la périphérie du disque (piste 0), puis avancent vers
le centre. Les données sont organisées en cercles concentriques
appelés pistes.
On appelle cylindre l'ensemble des données situées
sur une même pistes et sur des plateaux différents : la figure
géométrique formée représente un cylindre.
On appelle cluster la zone minimale que peut occuper un fichier
sur le disque. En effet le système d'exploitation exploite des blocs
qui sont en fait plusieurs secteurs (entre 1 et 16 secteurs).
Le mode 32 bits
Le mode 32 bits (par opposition au mode 16 bits) est caractérisé
par un transfert des données sur 32 bits. En mode 16 bits, le transfert
des données s’effectue sur 16 bits.
Le gain de performance relatif au passage du mode 16 bits au mode 32 bits (pour
les disques durs) est généralement insignifiant. Quoi qu'il en
soit il n'est la plupart du temps plus possible de choisir le mode, car la carte-mère
détermine seule le type de mode à adopter en fonction du type
de disque dur branché sur l'interface E-IDE.
La détermination automatique du mode 32 bits peut toutefois ralentir
les lecteurs de CD-ROM IDE dont la vitesse est supérieure à 24x
lorsqu'ils sont seuls sur une nappe IDE. En effet, dans le cas où le
lecteur de CD-ROM est seul sur le port, le BIOS peut ne pas détecter
sa compatibilité avec le mode 32 bits (puisqu'il cherche un disque dur)
auquel cas il passe en mode 16 bits. Le taux de transfert est alors en dessous
du taux de transfert annoncé par le constructeur d'où une grande
déception de son possesseur...
Heureusement, il existe une solution: brancher sur la même nappe que
le lecteur de CD-ROM un disque dur supportant le mode 32 bits, ce qui aura pour
effet d'activer le mode .
Caractéristiques des disques
Le taux de transfert est la quantité de données qui peuvent
être lues ou écrites sur le disque en un temps donné.
Il s'exprime aujourd'hui en Méga-Octets par seconde.
Le temps de latence (aussi appelé délai rotationnel) représente
le temps entre lequel le disque a trouvé la piste et où il trouve
les données.
Le temps d'accès est le temps que met la tête pour aller d'une
piste à la piste suivante (elle doit être la plus petite possible).
3 - La famille CD : CD, CD-ROM, DVD …
CD, CD-ROM et DVD
Le disque compact, mis au point en 1979 par les firmes Philips
et Sony, possède plusieurs applications : le disque compact classique,
appelé également Compact Disc ou en abrégé CD, le
CD-ROM, le CD-I et le DVD.
CD : un Compact Disc est un disque de 12 cm de diamètre et de
1 mm d’épaisseur, constitué de matière plastique
rigide et recouvert d’une couche métallique sur une de ses
faces. Ce type de disque est capable de stocker jusqu’à 78
min d’enregistrement sonore sous forme numérique. À
l’aide d’un puissant laser, la séquence binaire est en
effet gravée sur le métal le long de pistes concentriques,
sous forme d’alvéoles de longueur variable, profondes de 0,83
µ et espacées de 1,6 µ. Durant la lecture du CD, un laser
de faible puissance parcourt ces pistes, se réfléchissant
de diverses manières au passage des niches. Ces variations sont alors
détectées par une cellule photoélectrique, la séquence
binaire étant ainsi lue, puis transformée en sons à
l’aide d’un convertisseur numérique-analogique.
CD-ROM : le CD-ROM permet de stocker actuellement diverses
données jusqu’à des capacités de 700 Mo. Les
normes ne sont pas comme pour les DVD éparses mais uniformisées
: un CD-R correspond à un CD-ROM inscriptible, et un CD-RW à
un CD-ROM réinscriptible.
DVD : depuis le début de l’année 1997 est commercialisé
un nouveau support optique, le DVD (Digital Versatile Disc), disque qui présente
le même aspect extérieur qu’un CD audio, mais dont la capacité
est multipliée. Grâce à l’utilisation d’un
laser de longueur d’onde plus courte, la gravure est en effet plus fine,
la dimension des alvéoles étant ainsi réduite à
0,4 µ et leur écartement à 0,74 µ.
Les technologies de lecture
CD-ROM : c'est une cellule photoélectrique qui permet
de capter le rayon réfléchi, grâce à un miroir semi-réflechissant.
Au passage sur le CD le rayon laser se réfléchit sur les différentes
alvéoles avec des variations du signal qui grâce à la cellule
photoélectroque permettent sa traduction en système binaire.
DVD-ROM : les DVD existent en version "double couche"
et sont constitués d'une couche transparente à base d'or et d'une
couche réflexive à base d'argent. La lecture des deux zones est
possible grâce à des intensités variables du laser : avec
une intensité faible le rayon se réflechit sur la surface dorée
- lorsqu'on augmente cette intensité le rayon traverse la première
couche et se réfléchit sur la surface argentée.
4. Pour approfondir
Stocker toujours plus d’informations : ce défi est une des clefs
de l’informatique. Or, des chercheurs du Laboratoire de photonique et
de nanostructures (LPN, CNRS) et de l'Université de Cambridge viennent
d’inventer une méthode qui ouvre des possibilités de stockage
cent fois supérieures aux possibilités actuelles. Son secret ?
Abandonner la classique approche des grains magnétiques et la remplacer
par des couches de structures cristallines modifiées.
Le stockage magnétique à ultra haute densité s’obtient
actuellement en utilisant une couche continue des grains ferromagnétiques
dont l’état magnétique sert de support à l’information
stockée. Il faut environ mille de ces minuscules aimants pour enregistrer
une information. L’augmentation de la densité de stockage passe
donc par une diminution de la taille de grains. Malheureusement, les limites
de cette approche sont presque atteintes. En effet, la taille minimale des bits
contenant les grains magnétiques se situe aux alentours de 100 nm. En
deçà, les perturbations thermiques sont trop fortes pour que les
informations puissent être conservées de manière stable.
Une solution est de graver une couche magnétique pour
former des « cases » isolés. En collaboration avec des chercheurs
de l’Université de Cambridge, l’équipe du Laboratoire
de photonique et de nanostructures (LPN) a donc cherché une méthode
originale, non plus fondée sur un support discret (des cases séparées)
mais continu, des couches métalliques très sensibles au magnétisme.
L’idée consiste à changer les propriétés magnétiques
du matériau utilisé en modifiant chimiquement son état
de surface. Sur une base classique semi-conductrice de GaAs (arséniure
de gallium), les chercheurs ont donc déposé une couche mince de
nickel, d’un nanomètre d’épaisseur, dans certains
endroits prédéfinis par lithographie.
Jusque-là rien que de très classique. L’originalité
arrive avec le dépôt, sur l’ensemble du substrat, de multicouches
de nickel, recouvertes de quelques dizaines de nanomètres de multicouches
de cuivre et de cobalt. Ce millefeuille nanoscopique est obtenu par épitaxie
par jets moléculaires, une technique de dépôt de matériau
qui permet de réaliser des couches très minces avec une excellente
qualité de surface. Cette méthode est d’ailleurs utilisée
pour fabriquer des diodes lasers et des structures quantiques.
Le substrat ainsi préparé présente une
structure polycristalline partout où se trouve le nickel de la première
couche (celle d’un nanomètre d’épaisseur) et une structure
cristalline partout ailleurs. Or, dans les zones polycristallines, la magnétisation
est parallèle à la surface, et dans les zones cristallines, elle
lui est perpendiculaire. Cette anisotropie magnétique est un excellent
moyen de stockage. Les zones « perpendiculaires » sont plus appropriées
pour enregistrer de l’information : elles sont plus stables car l’aimantation
perpendiculaire occupe moins de place. Le stockage est cependant partout possible,
selon les conditions d’enregistrement.
Autre avantage, la surface de stockage est parfaitement plate
et lisse, sans les aspérités que présentaient les surfaces gravées. En outre,
cette magnétisation modifiée est tout à fait adéquate pour faire de l’électronique
de spin. Enfin, en terme de stockage de haute densité, même si les expériences
n’en sont qu’à leurs balbutiements, cette nouvelle technique ouvre de vraies
perspectives : là où aujourd’hui les supports les plus denses acceptent environ
10 gigabits (109) par pouce carré, la méthode du Cambridge-LPN devrait offrir
une résolution proche du térabit (1012) par pouce carré, soit 100 fois mieux.
