Il semble qu’hier (peut-être pour certains d’entre vous, c’était le cas), nous installions Windows 3.1 sur des lecteurs de disquettes sur un disque dur de 256 Mo, mais les disques durs sont depuis devenus beaucoup plus gros et beaucoup plus compliqués, et il y en a beaucoup plus. options que les plateaux tournants.

L’explosion des options de stockage est le résultat de la prise en compte d’une variété de niches d’utilisation. Le torrenteur typique télécharge un fichier, qui est écrit une fois mais lu plusieurs fois. Pour certaines personnes, un lecteur est utilisé comme une sauvegarde qui est stockée ailleurs et non alimentée. Pour d’autres, il s’agit d’un serveur lisant et écrivant fréquemment des données telles que des journaux ou des fichiers d’échange. Dans tous les cas, c’est la physique qui fixe les limites de ce que les supports de stockage peuvent faire; si vous choisissez judicieusement votre cas d’utilisation, vous obtiendrez les performances du pari.

Le jargon dans ce domaine est intimidant: limite superparamagnétique, LMR, PMR, CMR, SMR, HAMR, MAMR, EAMR, XAMR et QLC pour nommer les plus courants. Voyons comment nous sommes arrivés ici et comment le passé et le présent du stockage persistant ont élargi ce que signifie réellement le mot disque dur et ce qui se trouve sous le capot.

Grains de données

Vous pouvez perforer vos données en rouleaux de ruban de papier, ou les presser sur des disques optiques, mais pour l’article d’aujourd’hui, nous parlons de supports réinscriptibles et pour cela, le stockage magnétique est toujours roi.

Pour toutes les technologies magnétiques, un concept important est la limite superparamagnétique, qui fait référence à la petite taille d’un grain de matériau (une collection distincte d’atomes) pour chaque bit pour stocker les données. S’il n’y a que quelques atomes qui conservent l’état magnétique d’un bit, le lecteur a du mal à détecter leur valeur et l’écrivain a du mal à écrire sur le bit sans affecter les bits proches. Pour cette raison, la tête d’écriture est souvent plus grande que la tête de lecture, de sorte que la valeur stockée et lue du bit est correcte et surmonte la pente magnétique à de telles petites tailles. Ceci est important pour les bandes et les disques durs, mais pas pour les disques SSD (Solid State Drive).

La bande magnétique est toujours une chose

La bande est toujours très bien considérée par les archivistes et les personnes ayant des besoins de stockage à long terme, et reste une technologie activement développée. Avec une densité surfacique allant jusqu’à 201 Go / po2 (désolé, l’industrie utilise cette unité) réalisé en 2017 par Sony, et les prix de la chute de bande, c’est une excellente option pour les sauvegardes et les données rarement consultées, et dure des décennies lorsqu’il est correctement stocké. L’accès aux données n’est pas rapide, mais fiable, et si vous ne disposez pas du matériel, vous pouvez externaliser votre stockage sur bande et leur récupération via des sociétés en ligne.

Le stockage a des pistes linéaires, de sorte qu’un ensemble de têtes peut lire / écrire des données lorsque la bande passe. La densité des pistes peut être si élevée qu’elle dépasse la largeur des têtes, ce qui conduit à des pistes sinueuses linéaires; pistes vraiment denses mais les têtes peuvent être décalées latéralement un peu pour accéder à la piste suivante. Les pistes vont du début de la bande à la fin de la bande, puis inversement (car pourquoi rembobiner la bande pour démarrer la piste suivante?), De sorte que les pistes finissent par ressembler à un S. court et large.

Pistes de bande magnétique
Linear Serpentine a plusieurs pistes par tête, allant et venant le long de la bande.

Ce qui est bien, c’est que les cartouches peuvent être un peu à l’épreuve du temps, car dans certains cas, la bande est compatible avec une densité de pistes plus élevée, elles fonctionneront donc avec du matériel plus récent et auront même plus de stockage lorsqu’elles seront formatées à l’aide de ce matériel.

Plateaux tournants

Les disques durs (HDD) sont les plateaux tournants que nous connaissons depuis longtemps (et qui ont été abordés récemment dans la plongée approfondie de Maya Posch dans l’ingénierie de précision des disques durs). Tout comme avec les CD et même les disques vinyles, les données sont stockées par petits morceaux sur des pistes en cercles concentriques, et une tête se déplace le long du rayon pour accéder aux données. Les fabricants ont essentiellement atteint la limite de densité en raison de la limite superparamagnétique, mais ce n’était pas immédiatement évident pour les consommateurs car ils pouvaient simplement augmenter le nombre de plateaux dans un lecteur de mêmes dimensions physiques extérieures et donc augmenter la taille du stockage sur disque. . Ensuite, ils ont commencé à remplacer l’air à l’intérieur par de l’hélium, ce qui a réduit la friction et a permis aux disques de tourner plus vite et d’ajouter plus de plateaux. Mais le mécanisme de stockage sur les plateaux eux-mêmes est devenu fondamentalement différent. Au cours des dernières années, de nouvelles technologies ont été développées et commencent maintenant à être commercialisées.

Les disques durs utilisaient à l’origine l’enregistrement magnétique longitudinal (LMR), où les pôles du grain de l’aimant étaient plats sur la surface du disque. Cela prenait beaucoup de place, ils ont donc aligné les grains verticalement dans les lecteurs d’enregistrement magnétique perpendiculaire (PMR). Dans les deux LMR et PMR, le disque a une série de pistes concentriques, et il n’y a pas de chevauchement entre les pistes; la plus petite zone de lecture est parfaitement logée dans la zone d’écriture plus grande. Les blouses de laboratoire ont ensuite augmenté la densité surfacique avec l’invention de l’enregistrement magnétique en bardeaux (SMR), mais comme il s’agit d’une variante de PMR, ils ont dû renommer le type précédent en enregistrement magnétique conventionnel (CMR).

Plateau de disque dur, bras d'actionneur et pistes, indiquant la densité du SMR par rapport au CMR
Les pistes SMR chevauchent légèrement la tête d’écriture, ce qui rend les pistes plus denses pour un stockage plus important, mais au prix de plus de travail à écrire.

SMR utilise la tête d’écriture large, mais chevauche légèrement les pistes afin que les zones de lecture puissent être plus densément compactées. C’est pourquoi on l’appelle shingled. Cependant, cela a un coût. Tout comme il est difficile de remplacer un seul bardeau au milieu d’un toit sans déranger le bardeau au-dessus, il est impossible d’écrire un seul bit au milieu sans écraser les bits à proximité, de sorte que le lecteur a besoin de beaucoup plus de logique avec le gestion de données. Il accomplit généralement cela en écrivant de nouvelles choses sur des parties vides du disque, puis en revenant plus tard à l’ancienne zone et en la réorganisant pour une utilisation future, rendant une section entière claire à la fois. Cela signifie qu’un lecteur SMR n’est pas idéal pour des tâches spécifiques, comme une utilisation intensive, car il a besoin de temps pour réorganiser les pistes. Il peut avoir plus d’octets, ce qui est idéal pour les personnes qui souhaitent un stockage volumineux avec des écritures rares, mais en tant que lecteur principal, il aura probablement des problèmes de performances. Malgré cet inconvénient majeur, les fabricants n’ont pas été francs sur les disques utilisant la technologie, et ils ont été surpris en train de mettre les disques dans des appliances NAS.

En plus de rapprocher les pistes, les physiciens s’efforcent de repousser la limite superparamagnétique avec des technologies telles que l’enregistrement magnétique assisté par chaleur (HAMR) et l’enregistrement magnétique assisté par micro-ondes (MAMR) et l’enregistrement magnétique assisté par énergie (EAMR). Les trois fonctionnent essentiellement de manière similaire, mais y parviennent légèrement différemment. L’idée est que vous voulez que le grain soit suffisamment stable pour qu’il ne se retourne pas tout seul ou en raison des variations de température ou de l’influence des bits à proximité, mais vous voulez également qu’il soit suffisamment fort pour être facile à lire et facile à lire. écrire (appelé coercivité). Au fur et à mesure que les grains deviennent de plus en plus petits et plus denses, cela devient de plus en plus difficile. Les XAMR résolvent le problème en renforçant les grains malgré leur tassement serré, en utilisant un matériau différent avec une résistance plus élevée au changement, puis en augmentant la puissance de l’écriture pour accomplir les besoins énergétiques plus difficiles nécessaires pour retourner un peu. Dans le cas du HAMR, c’est avec un laser qui chauffe brièvement un grain de quelques centaines de degrés, l’écrit, puis le laisse refroidir rapidement. MAMR utilise des micro-ondes au lieu de lasers pour la chaleur. Et EAMR utilise le courant électrique pour augmenter l’énergie sur la tête d’écriture.

Un autre domaine d’amélioration est le mouvement de la tête. Plus la piste est fine, plus la position de la tête doit être précise. Ceci est accompli avec une flexion piézoélectrique, de sorte que les têtes tournent légèrement et peuvent être plus alignées avec la piste.

Nous faire un solide (état)

Les disques SSD augmentent également en taille de stockage, et sans les possibilités de défaillance mécanique, leur simplicité signifie une vitesse et une durée de vie accrues. Les progrès de la densité se présentent sous deux formes; niveaux et couches.

Types de flash NAND
Une cellule à un seul niveau stocke un seul bit en fonction du niveau de tension de la cellule. Une cellule à quatre niveaux stocke 4 bits.

Le flash NAND est organisé en cellules, où chaque cellule stocke un niveau de tension qui représente un bit. Bien qu’il s’agisse en fait d’un transistor, vous pouvez considérer chaque cellule comme un condensateur, très bon pour maintenir une charge pendant une longue période. À l’origine, les données étaient stockées avec un seul bit par cellule, ce qui était très rapide et fiable. Ensuite, ils ont réalisé que les niveaux de tension dans la cellule peuvent être considérés comme analogiques, et avec une conversion analogique-numérique, ils peuvent stocker plusieurs bits dans une seule cellule en modifiant le niveau de tension. Nous sommes maintenant à la technologie Quad Level Cell (QLC), ce qui signifie qu’une seule cellule peut avoir 16 niveaux de tension différents qui sont décodés sur 4 bits. Cela a considérablement augmenté la taille du lecteur possible, mais a également un coût énorme.

Les minuscules changements de tension signifient moins de fiabilité, d’autant plus que les cellules finissent par s’user avec le temps et sont moins capables de maintenir leur niveau de tension, et la nécessité de faire une conversion ADC ralentit les choses. Pour aggraver le problème, chaque cellule est également écrite plus fréquemment (car elles contiennent plus de données), ce qui signifie qu’elles se dégradent plus rapidement. Enfin, les cellules flash NAND ne durent pas éternellement sans alimentation, et sans un rafraîchissement régulier, les tensions des cellules peuvent baisser lentement, entraînant la pourriture des bits. QLC est le mieux adapté en tant que lecteur à faible coût qui remplace les disques durs dans les applications à lecture intensive, mais peut ne pas être idéal comme une sauvegarde non alimentée ou un lecteur à écriture intensive.

3D NAND est composé de plusieurs couches de tableaux NAND
En superposant des feuilles de cellules NAND, 3D nand emballe plus de bits sur une puce.

Nous pensons généralement que les puces sont principalement des choses plates, mais la 3D NAND est un autre moyen d’augmenter la densité de stockage. Tous les mécanismes d’adressage sont les mêmes, et le concept de cellule mémoire est le même, sauf que tout un tas de cellules mémoire sont empilées les unes sur les autres, avec certains lecteurs à 128 couches déjà. Maintenant, au lieu d’une seule adresse renvoyant un seul bit, cette adresse unique renvoie 128 bits lorsque toute la pile est lue. La 3D NAND peut être réalisée soit avec de longues chaînes simples, soit avec plusieurs chaînes empilées les unes sur les autres et séparées par une couche isolante. La façon la plus simple d’imaginer cela est d’imaginer un hôtel à plusieurs étages, et chaque adresse se réfère non seulement à la chambre du premier étage, mais à chaque chambre juste au-dessus. En d’autres termes, X01 vous donne 101, 201, 301, 401… jusqu’au sommet du bâtiment. Certains disques combinent les deux technologies, en utilisant des niveaux et des couches, pour obtenir une densité encore plus élevée.

Hybride

Pourquoi choisir quand vous pourriez avoir les deux et quand l’ordinateur peut optimiser pour vous? Les lecteurs hybrides combinent à la fois des plateaux et des puces. Cela donne un grand stockage ainsi que de la vitesse. Le lecteur peut ensuite analyser quels fichiers sont utilisés le plus fréquemment et comment, et choisir où stocker les données pour le plus d’efficacité. Pour les ordinateurs portables qui ne disposent que de suffisamment de place pour un lecteur, cela a du sens, mais lorsque vous avez de l’espace pour les deux, vous obtiendrez de meilleures performances et un meilleur prix en ayant un de chaque.

Qu’est-ce qui me convient?

Les exigences du disque dur pour Windows ME sont de 480 à 645 Mo d’espace libre et ne spécifie pas le type de disque dur. Pour les systèmes d’exploitation plus récents, les performances sont généralement meilleures avec les disques SSD, mais pour le stockage de données, les disques PMR gagnent. Nous voyons des tailles de stockage de plus en plus grandes, aidées par les progrès de la physique, mais au prix de mécanismes de plus en plus délicats, ainsi que de vitesses d’accès plus lentes. J’attends les circuits de cristal holographique que vous voyez tout le temps dans la science-fiction avec les cartes acryliques transparentes. De manière réaliste, cependant, il semble que la meilleure idée soit d’évaluer vos besoins réels en données et d’acheter le matériel approprié, au lieu de simplement regarder le nombre d’octets et d’acheter le plus gros que vous pouvez vous permettre, ou de supposer que SSD> HDD> Bande pour chaque besoin .

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