Quel avenir pour le disque dur ?

mardi 18 octobre 2016 par Ontrack France

L'avenir semble prometteur pour le disque dur classique (1/2)

Même si les ventes de SSD sont à la hausse, les disques durs magnétiques traditionnels sont encore très populaires à la fois pour un usage privé, que pour les entreprises. Étant donnée la baisse de prix des SSD depuis les dernières années, les HDD suivent le mouvement et sont encore moins chers qu’avant.

Mais les producteurs de disques durs traditionnels (HDD) savent qu'ils doivent apporter des avancées technologiques pour faire en sorte que les SSD ne rendent pas les HDD obsolète. Indépendamment du fait qu'il y a une énorme différence entre un SSD et un HDD d’un point de vue technologique - l'espérance de vie d'un disque SSD diminue chaque fois que des données sont écrites dessus - les principales raisons d'utiliser un HDD sont que le prix par téraoctet est plus avantageux et la récupération de données plus facile en cas de perte. Mais ces avantages par rapport à la technologie SSD peuvent disparaître, les constructeurs sont désireux de trouver de nouvelles technologies liées au disque dur pour maintenir ou agrandir l'écart entre ces 2 mondes.

L'évolution technologique des disques durs

Depuis qu’IBM a introduit le premier lecteur de disque dur en 1956, l'industrie a augmenté la capacité de stockage de façon exponentielle pour répondre à un besoin sans cesse croissant. Avec l'introduction de dispositifs électroniques grand public qui enregistrent et lisent les vidéos en 4K et au-delà, ainsi que le traitement des Big Data dans l'entreprise, la demande est en constante croissance. Pendant des décennies, les fabricants de disques durs se sont concentrés sur une méthode appelée la technologie d'enregistrement longitudinal (LTR) pour enregistrer des données sur les disques. Dans l'enregistrement longitudinal, la magnétisation de chaque bit de données (à savoir, le chiffre binaire 0 ou 1) est alignée horizontalement et parallèlement au disque (ou disques) qui tourne à l'intérieur du disque dur.

Le problème avec cette méthode est que nous approchons rapidement du point où les grains magnétiques microscopiques sur le disque sont si minuscules qu'ils pourraient commencer à interférer entre eux, perdant ainsi leur capacité à tenir leurs orientations magnétiques. La corruption de données résultant pourrait rendre un disque dur peu fiable et inutilisable. Ce phénomène est connu comme l'effet super paramagnétique (SPE). Améliorer la coercivité ou la capacité d'un bit à conserver sa charge magnétique, est nécessaire pour surmonter les SPE.

Voilà pourquoi le PMR - enregistrement magnétique perpendiculaire - a été inventé et introduit sur le marché en Août 2005 par Toshiba (juste quelques mois plus tard Western Digital et Seagate ont suivi avec leurs produits PMR HDD). Avec l’enregistrement perpendiculaire, les moments dipolaires magnétiques, dont chacun représente une logique avec la méthode d'écriture utilisée comme le PRML, ne sont pas parallèles à la surface du disque (longitudinal) mais lui sont perpendiculaire. Concrètement les données vont dans une certaine mesure plus en profondeur. Cela se traduit par une densité de données potentiellement beaucoup plus élevée (environ trois fois plus dense) comparativement au TLR précurseur; avec cette technologie sur la même surface, davantage de données peuvent être logés.

Ceci est également l'inconvénient de cette technologie: Les districts Weiss (les domaines magnétisés dans les cristaux d'un matériau ferromagnétique) ont besoin d'une distance plus courte entre la tête d'écriture / lecture et la surface magnétique pour écrire ou lire des données. Par conséquent, cette technique est difficile à mettre en œuvre et arrive maintenant à sa fin naturelle puisque les dimensions des têtes ne peuvent pas être réduites.

Mais même avec ce problème, le PMR est encore la norme d’enregistrement sur disque dur à ce jour. Le passage à la PMR a augmenté la densité de plateau maximale par un ordre de grandeur d'environ 40 Go par centimètre carré à 400 Go, mais, hélas, nous commençons à découvrir les limites de la PMR. De nos jours, nous voyons des disques durs de 8 To avec 6 (!!) plateaux sur le marché. Les experts s’attendent à voir des disques dur de 10 To débarquer sur le marché avec la technologie PMR,  mais si les fabricants sont capables de réduire la taille des têtes de lecture jusqu’à ce point et même plus, la question qui est de savoir s’il est possible de mettre plus de plateaux dans un disque dur demeure toujours sans réponse.

Pour résoudre ce problème, une nouvelle technologie qui est toujours basée sur la méthode originale du PMR (dites PMR +) a été inventée en 2013: Shingled Magnetic Recording ou SMR. Cette technologie augmente la densité du disque afin d'obtenir +25% de sa capacité. Autrement dit, il augmente le nombre de pistes de données par cm² en les rapprochant afin qu'ils se chevauchent légèrement comme des tuiles sur le toit d'une maison.

Mais cette nouvelle méthode peut également être problématique : l’écriture d'une piste peut affecter dans certaines circonstances une piste adjacente si sévèrement qu'elle doit être réécrite. Pour éviter que la superficie totale de SMR du disque dur ne soit remplacée, il y a habituellement un écart prévu entre les pistes qui empêche le rafraichissement de continuer. Le rafraîchissement nécessaire des pistes voisines réduit la vitesse d'écriture en général, donc le SMR a plus d'espace et moins de vitesse.

Un nouveau PMR (Perpendicular Magnetic Recording) basé sur la technologie du disque dur

Il existe une nouvelle méthode PMR+ de stockage de données sur disque dur qui se nomme : Two Dimensional Magnetic Recording (TDMR). Cette  méthode est actuellement en phase de développement par Samsung et la société indique qu’elle sera introduite dans ses produits à partir de 2017.

Le TDMR, qui se base sur l'enregistrement magnétique perpendiculaire, fait face à un problème majeur lorsque la densité des pistes est en augmentation, la largeur des pistes se réduit et que les têtes de lecture deviennent plus larges que la largeur réelle de la piste: la donnée signale que les têtes de lecture se dégradent puisque les pistes sont plus étroites et commencent à se nuire les unes aux autres.  Un effet appelé interférence inter-piste magnétique (ITI). Cela signifie qu'il devient de plus en plus difficile pour les têtes d’effectuer des opérations de lecture. Et contrairement aux têtes d'écriture, qui peuvent être plus petites, les têtes de lecture ne peuvent pas surmonter ce problème. TDMR - comme son nom l'indique - combine plusieurs têtes de lecture pour lire une piste de données unique. La technologie d'enregistrement magnétique à deux dimensions utilise un réseau de têtes de lecture d’une ou plusieurs pistes voisines. Samsung indique que l'utilisation de plusieurs têtes de lecture peut augmenter la densité de surface de 10% par rapport au SMR. En combinant les technologies de SMR et TDMR, Seagate pense également qu'il est possible d’ augmenter la densité des plateaux du disque dur d'environ 10 à 20% par rapport aux plateaux PMR traditionnels d'aujourd'hui.

... Deux autres technologies de pointe et non PMR sont à l'horizon ! 

Pour obtenir des données encore plus denses sur un plateau, deux autres méthodes et technologies sont actuellement explorées par les fabricants: le HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording) et BPMR (bit-patterned magnetic recording). Le HAMR permet d’écrire en utilisant la diode laser qui chauffe le disque là où les données sont sur le point d'être écrit.

La technologie BPMR aborde également le défi de la densité. C’en enregistrant des données dans des îlots magnétiques (un bit par îlot), contrairement à la technologie actuelle où chaque bit est stocké dans 20-30 grains magnétiques et dans un film magnétique continu. Les îlots seraient modelés à partir d'un film magnétique précurseur utilisant la nano lithographie. C'est l'une des technologies proposées pour réussir l'enregistrement perpendiculaire et atteindre ainsi les densités de stockage plus grandes qu'il permettrait.

Même si son inventeur, Toshiba, étudie actuellement plusieurs aspects de la technologie BPMR, elle ne sera disponible sur le marché que d’ici 10 à 15 ans.

En conclusion, il est plus probable que toutes ces technologies soient mélangées à l'avenir : par exemple SMR et TDMR pourraient être et seront utilisés en conjonction avec HAMR, tandis que BPMR, si elle est introduite un jour, joue sur son propre territoire, puisque la plupart des problèmes et défis doivent encore être résolus.

Une chose est déjà sûre : lorsque ces technologies seront lancées sur le marché, les spécialistes en récupération de données devront relever les nouveaux défis proposés par ces technologies.
Technicien Ontrack

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