Les disques durs (HDD) modernes présentent la juxtaposition intéressante d’être à la fois le summum de l’ingénierie mécanique de haute précision produite en série, ainsi que la technologie de stockage la plus méprisée. Bien qu’ils soient appelés des noms péjoratifs tels que «  rouille tournante  », la plupart de ces lecteurs gèrent toute une vie de plateaux de stockage magnétiques ultra-lisses en rotation, à seulement des micromètres retirés des têtes d’enregistrement et de lecture dont les bras de lecture se tordent à l’aide d’actionneurs qui parviennent à positionner la tête précisément au-dessus de la trace magnétique microscopique correcte en quelques millisecondes.

Malgré décennie après décennie où de plus en plus de ces traces magnétiques sont entassées sur un seul millimètre carré de ces plateaux et que les simples têtes de lecture et d’écriture sont remplacées toutes les quelques années par des têtes de plus en plus compliquées, la fiabilité du disque dur a augmenté. Le rapport du deuxième trimestre de la société de stockage Backblaze sur leurs disques durs montre que le taux de défaillance annuel a considérablement diminué par rapport à l’année dernière.

La question est de savoir si cela signifie que les disques durs ne deviendront que plus fiables au fil du temps, et comment les technologies à venir comme MAMR et HAMR pourraient affecter ces mesures au cours des décennies à venir.

De Mega à Tera

Le mécanisme interne et ses cinquante plateaux de 610 mm du disque dur IBM 350 (DSU).

Les premiers disques durs ont été vendus dans les années 1950, l’IBM 350 d’IBM stockant un total de 3,75 Mo sur cinquante disques de 24 pouces (610 mm), à l’intérieur d’une armoire mesurant 152x172x74 cm. Avance rapide jusqu’à aujourd’hui, et un disque dur haut de gamme au format 3,5 ″ (~ 14,7 × 10,2 × 2,6 cm) peut stocker jusqu’à environ 18 To avec un enregistrement conventionnel (non-shingled).

Alors que l’IBM 350 tournait ses plateaux à 1 200 tr / min, les disques durs des dernières décennies se sont concentrés sur la réduction de la taille des plateaux, augmentant la vitesse de la broche (5 400 – 15 000 tr / min). D’autres améliorations se sont concentrées sur le rapprochement des têtes de lecture et d’écriture de la surface du plateau.

L’IBM 1301 DSU (Disk Storage Unit) de 1961 était une innovation majeure en ce sens qu’elle utilisait un bras séparé avec des têtes de lecture et d’écriture pour chaque plateau. Il a également innové en utilisant des forces aérodynamiques pour laisser les bras voler au-dessus de la surface du plateau sur un coussin d’air, permettant une distance beaucoup plus petite entre les têtes et la surface du plateau.

Après 46 ans de développement, IBM a vendu son activité HDD à Hitachi en 2003. À ce moment-là, la capacité de stockage avait été multipliée par 48 000 dans un volume bien moindre. Comme 29.161 fois plus petit. La consommation d’énergie est passée de plus de 2,3 kW à environ 10 W (pour les modèles de bureau), tandis que le prix par mégaoctet est passé de 68 000 USD à 0,002 USD. Dans le même temps, le nombre de plateaux est passé de dizaines à seulement quelques tout au plus.

Stocker plus dans moins d’espace

À l’intérieur du Seagate MicroDrive 1 ″.

La miniaturisation a toujours été le nom du jeu, qu’il s’agisse de constructions mécaniques, d’électronique ou de technologie informatique. Les monstres informatiques massifs, à tube à vide ou à relais des années 1940 et 1950 se sont transformés en systèmes informatiques alimentés par transistors moins massifs avant de se transformer en merveilles élégantes et alimentées par ASIC. Dans le même temps, la technologie de stockage sur disque dur a subi un changement similaire.

L’électronique de commande des disques durs a bénéficié de tous les avantages d’une utilisation accrue des circuits VLSI, ainsi que d’une technologie d’asservissement de plus en plus précise et de faible puissance. Alors que les améliorations de la science des matériaux permettaient des plateaux plus légers et plus lisses (verre ou aluminium) avec des revêtements magnétiques améliorés, la densité aérienne continuait d’augmenter. Avec les propriétés de tous les composants individuels (emballage ASIC, alliages de soudure, actionneurs, aérodynamique des bras HDD, etc.) mieux comprises, des révolutions majeures se sont transformées en améliorations progressives.

Six disques durs ouverts, de 8 « à 1 ». Photographie de Paul R. Potts [CC-BY-SA 3.0]

Bien que la miniaturisation extrême avec des disques durs ait été tentée au moins deux fois sous la forme du microdrive HP Kittyhawk (1,3 ″) en 1992 et du 1 ″ Microdrive en 1999, le marché finirait par se contenter des facteurs de forme 3,5 ″ et 2,5 ″. Le facteur de forme Microdrive a été commercialisé comme une alternative aux cartes CompactFlash à base de Flash NAND, offrant une capacité supérieure et des écritures essentiellement illimitées, ce qui les rend utiles pour les systèmes embarqués.

Comme cela s’est produit dans d’autres domaines, les limites physiques des vitesses d’écriture et des temps d’accès aléatoires signifieraient finalement que les disques durs sont plus utiles là où de grandes quantités de stockage pour peu d’argent et une durabilité élevée sont essentielles. Cela a permis au marché des disques durs d’optimiser les systèmes de bureau et de serveur, ainsi que la surveillance et la sauvegarde (en concurrence avec les bandes).

Comprendre les pannes de disque dur

Bien que les pièces mécaniques d’un disque dur soient souvent considérées comme le point le plus faible, il existe un certain nombre de causes possibles, notamment:

  • Erreur humaine.
  • Panne matérielle (mécanique, électronique).
  • La corruption du micrologiciel.
  • Environnement (chaleur, humidité).
  • Puissance.

Les disques durs reçoivent une cote d’impact lorsqu’ils sont hors tension ou lorsqu’ils sont en fonctionnement (les plateaux tournent et les têtes ne sont pas stationnées). Si ces valeurs sont dépassées, des dommages aux actionneurs qui déplacent les bras ou un écrasement des têtes sur la surface du plateau peuvent se produire. Si ces tolérances ne sont pas dépassées, l’usure normale est le plus susceptible d’être la principale cause de défaillance, qui est spécifiée par le numéro MTBF (Mean Time Between Failures) du fabricant.

Ce nombre MTBF est dérivé en extrapolant à partir de l’usure observée après une certaine période de temps, conformément à la norme de l’industrie. Avec le MTBF pour les disques durs généralement compris entre 100 000 et 1 million d’heures, pour tester toute cette période, il faudrait que le lecteur soit actif entre 10 et 100 ans. Ce nombre suppose donc que le lecteur fonctionne dans les conditions de fonctionnement recommandées, comme cela se produit dans une société de stockage comme Backblaze.

De toute évidence, exposer un disque dur à des chocs extrêmes (par exemple le laisser tomber sur un sol en béton) ou à des événements de puissance extrêmes (surtension, ESD, etc.) limitera sa durée de vie. Moins évidents sont les défauts de fabrication, qui peuvent survenir avec n’importe quel produit, et c’est la raison pour laquelle il existe un «taux d’échec acceptable» pour la plupart des produits.

Ce n’est pas vous, c’était la chaîne de fabrication

Malgré les excellents chiffres MTBF pour les disques durs et les efforts évidents de Backblaze pour garder chacun de leurs près de 130000 disques en rotation jusqu’à leur retraite sur HDD Heaven (généralement sous la forme d’un déchiqueteur mécanique), ils ont signalé un taux de défaillance annualisé (AFR). de 1,07% pour le premier trimestre 2020. Heureusement, il s’agit du taux d’échec le plus bas pour eux depuis qu’ils ont commencé à publier ces rapports en 2013. L’AFR Q1 2019 était de 1,56%, par exemple.

Comme nous l’avons vu précédemment, lors de la fabrication et de la manipulation de circuits intégrés (CI), des défauts peuvent être introduits qui ne deviennent apparents que plus tard pendant la durée de vie du produit. Au fil du temps, des problèmes tels que l’électromigration, les contraintes thermiques et les contraintes mécaniques peuvent provoquer des pannes dans un circuit, des fils de liaison à l’intérieur de l’emballage du CI se détachant, l’électromigration détruisant les joints de soudure ainsi que les circuits à l’intérieur de l’emballage du CI (en particulier après des événements ESD).

Les éléments mécaniques d’un disque dur dépendent de tolérances de fabrication précises, ainsi que d’une bonne lubrification. Dans le passé, les têtes coincées («stiction») pouvaient être un problème, les propriétés du lubrifiant changeant au fil du temps au point que les bras ne pouvaient plus sortir de leur position de stationnement. Les types de lubrification améliorés ont plus ou moins résolu ce problème maintenant.

Pourtant, chaque étape d’un processus de fabrication a une certaine chance d’introduire des défauts, qui s’ajoutent finalement à quelque chose qui pourrait gâcher le joli et brillant numéro MTBF, faisant à la place du produit une partie du mauvais côté de la «  courbe de la baignoire  » pour les taux d’échec. . Cette courbe est caractérisée par un pic précoce de défaillances de produits, dû à de graves défauts de fabrication, les défauts diminuant ensuite jusqu’à la fin de la durée de vie du MTBF.

Regarder vers l’avant

Il est temps de HAMR.

Les disques durs tels que nous les connaissons aujourd’hui sont le signe d’un processus de fabrication mature, avec de nombreux problèmes anciens qui les tourmentaient au cours de la dernière demi-décennie, résolus ou atténués. Des changements relativement importants, tels que le passage aux disques remplis d’hélium, n’ont jusqu’à présent pas eu de performance notable sur les taux de défaillance. D’autres changements, tels que le passage de l’enregistrement perpendiculaire (PMR ou CMR) à l’enregistrement magnétique assisté par la chaleur (HAMR) ne devraient pas avoir d’effet notable sur la longévité du disque dur, à l’exception de tout problème avec la nouvelle technologie elle-même.

Fondamentalement, l’avenir de la technologie HDD semble ennuyeux de toutes les bonnes manières pour quiconque aime avoir une grande capacité de stockage pour peu d’argent qui devrait durer au moins une décennie solide. Le principe de base des disques durs, à savoir celui de stocker les orientations magnétiques sur un plateau, arrive à celui qui pourrait essentiellement être réduit à des molécules singulières. Avec des ajouts comme HAMR, la stabilité à long terme de ces orientations magnétiques devrait également être améliorée de manière significative.

C’est un avantage considérable par rapport à la mémoire flash NAND, qui utilise à la place de petits condensateurs pour stocker les charges et utilise une méthode d’écriture qui endommage physiquement ces condensateurs. Les limites physiques sont ici beaucoup plus sévères, ce qui a conduit à des constructions de plus en plus compliquées, telles que le flash à quatre niveaux (QLC), qui doit différencier 16 états de tension possibles dans chaque cellule. Cette complexité a conduit à ce que les disques de stockage basés sur QLC soient à peine plus rapides qu’un disque dur à 5400 tr / min dans de nombreux scénarios, en particulier en ce qui concerne la latence.

Spinning Down

Le premier disque dur que j’ai utilisé dans mon propre système était probablement un Seagate de 20 ou 30 Mo dans l’IBM PS / 2 (386SX) que mon père m’a donné après que son travail soit passé à de nouveaux PC et qu’il voulait probablement le libérer. un peu d’espace dans leur zone de stockage. À l’époque de MS DOS, cela suffisait pour DOS, une pile de jeux, WordPerfect 5.1 et bien plus encore. À la fin des années 90, c’était bien sûr un montant risible, et nous parlions alors de gigaoctets, pas de mégaoctets quand il s’agissait de disques durs.

Bien que je sois passé par de nombreux PC et ordinateurs portables depuis lors, ironiquement, je n’ai eu qu’un SSD à abandonner et à mourir sur moi. Ceci, ainsi que les données de l’industrie – telles que ces rapports Backblaze – me donnent la certitude que le dernier disque dur ne s’arrêtera pas encore pendant un certain temps. Peut-être que lorsque quelque chose comme la mémoire 3D XPoint devient abordable et suffisamment grande, cela peut changer.

Jusque-là, continuez à tourner.

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