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Vitesse angulaire et vitesse linéaire

La vitesse de rotation (des plateaux constituant le disque dur) est l’une des données mise en avant par les constructeurs. Elle influe directement sur le débit de l’unité.

Alors que les unités microdrive (1,8 pouce) et de portable (2,5 pouces) atteignent 4200 trs/min, les unités 3,5 pouces des PC atteignent 7200trs/min (et même 10000 trs/min pour les Raptor SATA). Les unités SCSI utilisées dans les ordinateurs d’entreprise, elles, peuvent aller jusqu’à 15000 trs/min.

Il faut cependant différencier la vitesse angulaire de la vitesse linéaire. La vitesse angulaire est celle qu’on nous fournit et elle ne change pas. Alors que la vitesse linéaire est celle vue de la tête d’écriture. Elle est plus faible quand la tête est située vers le centre du disque et plus importante lorsqu’elle est positionnée sur sa périphérie.

Influence sur les débits de lecture

Quand la tête de lecture lit et écrit sur les pistes situées sur la périphérie, les débits sont plus grands. Tous les disques commencent à des débits compris entre 55 et 60 Mo/s. À mi-parcours, sur le disque, on se retrouve entre 45 et 50 Mo/s. On reste au-dessus de 40 Mo/s jusqu’aux deux tiers du disque mais au-delà, la chute s’accélère. En toute fin de piste, peu de disques conservent un débit supérieur à 30 Mo/s.

Vitesse de rotation selon le format : 1,8 pouce : 4 200 trs/min 2,5 pouces : 4 200, 5 400 et 7 200 trs/min 3,5 pouces : 5 400, 7 200 et 10 000 trs/min SCSI : jusqu’à 15 000 trs/min

Les temps d’accès

Le temps d’accès est le temps moyen mis par la tête de lecture pour se positionner convenablement au-dessus de l’emplacement souhaité.

C’est un facteur aussi important que le débit du disque car il a des répercussions sur chaque lecture/écriture. Beaucoup de paramètres interviennent dans cette mesure. Ils ne sont pas tous pris en compte par les constructeurs fournissant des données erronées : la latence théorique (le temps mis par les plateaux pour s’aligner), le temps de recherche (temps de positionnement de la tête), temps de transfert (des informations de l’interface au système), etc.

Les temps d’accès se mesurent en ms. Plus la vitesse de rotation du disque est importante, plus le temps de latence est faible. Sur un disque SATA à 10000 trs/min, on a des temps de latence de 8 ms ; ils peuvent atteindre 13 ms pour un disque SATA à 7200 trs/min.

Les interfaces (IDE, SATA, SCSI, SAS, FC-AL)

L’interface sert à transmettre les données entre le disque et son contrôleur (sur la carte mère ou sur une carte PCI) qui les transmet alors au système.

Il existe plusieurs interfaces qui se caractérisent physiquement par des connecteurs, des contrôleurs, un nombre de disques gérés différents et surtout par des débits différents.

L’interface IDE (Integrated Drive Electron)

L’interface IDE, PATA ou UDMA est la plus ancienne des interfaces. Elle équipe nos ordinateurs depuis les débuts du PC. Elle utilise des nappes larges de 40 à 80 fils qui permettent de connecter les lecteurs de CD ou DVD.

Elle a été déclinée au cours du temps en de multiples standards qui correspondent à des débits différents.

ATA 33 33 Mo/s ATA 66 66 Mo/s ATA 100 100 Mo/s ATA 133 133 Mo/s

Un contrôleur ATA accepte jusqu’à deux unités qu’il faut configurer en maître et esclave grâce à des cavaliers à connecter sur l’interface. Le débit est alors partagé entre les différents périphériques. La montée en débit s’est trouvée limitée par le BUS PCI qui plafonne à 133 Mo/s et par la synchronisation des lignes parallèles de l’interface qui devenaient complexes. C’est pourquoi elle a, petit à petit, été remplacée par l’interface SATA.

L’interface SATA

SATA 1

L’interface SATA est l’évolution récente des technologies ATA. Elle pallie les défauts de l’interface PATA.

Le connecteur (du contrôleur et de l’unité), et donc la nappe, ne comporte plus que 7 fils : il est beaucoup moins large. Il encombre moins nos boîtiers. Le mode de communication série est utilisé (et permet des montées en débit plus importantes) et chaque disque dur bénéficie de la totalité de la bande passante de 1,5 Gbit/s, soit 150 Mo/s.

L’interface supporte le hot plug (ou branchement à chaud) comme pour un périphérique USB. L’interface a acquis aussi un nouveau connecteur électrique moins épais pouvant assurer trois voltages différents (3,3, 5 et 12 V). Cependant, les disques durs SATA comportent les deux types de connecteur d’alimentation (Molex et SATA).

Le SATA fonctionne de pair avec des protocoles de contrôle d’erreurs puissants mis en œuvre pour assurer une fiabilité accrue des échanges de données.

SATA 2

Identique au SATA 1 excepté un débit porté à 3 Gbit/s ou 300 Mo/s. Compatible avec les périphériques SATA 1, elle apporte des améliorations comme le NCQ ou l’AAM que l’on étudiera par la suite.

eSATA

C’est la version à connecteur externe de la technologie SATA. Elle permet de connecter des disques externes en autorisant un débit identique à celui d’un disque interne.

L’interface SCSI

SCSI est l’interface utilisée en entreprise par des serveurs puissants. Ces interfaces possèdent plusieurs normes : des contrôleurs, des connecteurs, des nappes et des périphériques différents. L’intérêt du SCSI : d’une part les contrôleurs gèrent eux-mêmes les entrées/sorties déchargeant ainsi le processeur de certaines tâches et d’autre part il permet de gérer un nombre important de périphériques (7 à 15 selon la version).

La configuration, plus complexe qu’en ATA, nécessite le paramétrage d’ID sur chaque périphérique et parfois la pose de bouchon ou d’index de terminaison sur le dernier périphérique ou en fin de nappe.

Les dialogues entre le contrôleur SCSI et les unités utilisent un nombre important de commandes puissantes améliorant les transferts, les chargements préalables, les traitements préalables, etc. et ce, sans utiliser de ressources processeur (c’est le grand atout du SCSI).

SCSI-1 SCSI 5 Mo/s SCSI-2 Fast SCSI 10 Mo/s Wide SCSI 10 Mo/s Fast Wide SCSI 20 Mo/s SCSI-3 Ultra SCSI 20 Mo/s Ultra Wide SCSI 40 Mo/s Ultra2 SCSI 40 Mo/s Ultra2 Wide SCSI 80 Mo/s Ultra-160 SCSI 160 Mo/s Ultra-320 SCSI 320 Mo/s Ultra-640 SCSI 640 Mo/s

Le SAS (Serial Attached SCSI)

Nouvelle interface de gestion, elle cumule les avantages du SATA et du SCSI et reste compatible avec les unités SATA :

- le transport s’effectue sur une ligne série, avec un débit amélioré de 3 Gbit/s mais dédié pour un périphérique ;

- les contrôleurs SAS supportent toutes les commandes SCSI de gestion et d’optimisation. Le SAS est donc la base de nouvelles évolutions qui atteindront des débits de 6 à 12 Gbit/s dans les années à venir.

FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop)

L’interface FC-AL succède au SCSI et peut utiliser une connectique en fibre optique ou en cuivre. Principalement utilisée sur les serveurs, elle a des débits qui peuvent atteindre 400 Mo/s.

Le cache

Utilisé comme mémoire tampon dans les processus de lecture/écriture, il équipe les disques à hauteur de 2,8 ou 16 Mo.

En lecture, des processus d’anticipation chargent les données dans le cache et les envoient plus rapidement, pour des données de petite taille. Pour les fichiers de plus grande importance, toute la mécanique du disque se met en œuvre avec des temps d’accès plus longs.

En écriture, la mémoire stocke les données à écrire pendant que les têtes se positionnent pour réaliser ensuite l’écriture.

Une taille de cache importante permet des « accès disque » plus rapides, surtout pour des données de taille modeste, inférieure au cache. Pour les données de plus grande taille, le cache perd de son efficacité.

Transfert réel

Le débit est plus important sur les premières pistes des disques durs (celles situées sur la périphérie). Tous les disques commencent à des débits compris entre 55 et 60 Mo/s. À mi-parcours sur le disque, on se retrouve entre 45 et 50 Mo /s. On reste au-dessus de 40 Mo/s jusqu’aux deux tiers du disque mais au-delà, la chute s’accélère. En toute fin de piste, peu de disques conservent un débit supérieur à 30 Mo/s.

Selon les disques, les résultats seront différents. On peut dire qu’un disque a un débit de 40 à 60 Mo/s dans les normes PATA.

En revanche, en SATA 2, on peut atteindre 120 Mo/s, loin des 300 Mo/s théoriques de l’interface.

NCQ (Native Command Queuing)

Le principe du NCQ est simple. Au lieu de lire ou d’écrire les données dans l’ordre où le cache du disque dur reçoit les commandes, le gestionnaire du cache réorganise intelligemment les différentes requêtes qu’il reçoit pour que les accès et les déplacements des têtes soient le moins importants possible.

Ce système permet de minimiser l’impact de la mécanique (temps de latence, temps d’accès) et améliore les performances générales de l’unité.

Le NCQ, arrivé avec le SATA II, est supporté aussi par certains disques SATA. Les disques SATA II ne supportent pas tous le NCQ.

Native Command Queuing

Il faut noter que le principe du NCQ existe déjà pour la norme PATA sous le nom de TCQ (Tagged Command Queuning) mais il est peu utilisé car il apporte quelquefois des baisses de performances. Il n’a, en effet, été intégré qu’à très peu de contrôleurs.

Le SCSI - et donc SAS - utilise déjà ce principe d’optimisation, et bien d’autres, depuis des années.

Remarques : le NCQ doit s’activer dans le BIOS des machines. Le port SATA doit être configuré en AHCI (Advanced Host Controller Interface) et des pilotes spécifiques doivent être installés (pour certains chipsets).

AAM (Automatic Acoustic Management)

Les constructeurs introduisent différentes technologies afin de diminuer le bruit de fonctionnement des disques durs.

Le Fluid Dynamic Bearing (FDB), par exemple. Les moteurs internes utilisent un roulement hydrodynamique moins bruyant que les anciens roulements à billes et, plus récemment, l’AAM qui diminue le bruit de l’unité mais aussi ses performances.

Le FDB s’attaque au bruit de rotation du moteur alors que l’AAM s’attaque au bruit des déplacements brutaux des têtes de lecture. Ce bruit est perceptible quand un disque est très sollicité. Cela ressemble à un bruit de grattage sourd.

Ce bruit provient du déplacement incessant et très rapide des têtes avec des accélérations et décélérations rapides. Pour déplacer les têtes, le moteur reçoit une tension très importante qui permet de les déplacer très rapidement, de même pour le freinage. L’AAM diminue cette tension maximale et de fait diminue la brutalité des mouvements et les bruits générés. Comme les têtes se positionnent plus lentement, les temps d’accès augmentent ce qui occasionne une baisse sensible de performance.

Cependant, l’unité gagne en durée de vie car l’ensemble moteur/bras/tête de lecture prend moins de chocs brutaux. De plus, le disque consomme moins de courant électrique.

Mode de transfert

Le mode block et le transfert 32 bits permettent d’exploiter un disque dur à son maximum. Le mode block consiste à effectuer des transferts par blocs de taille définie (512 octets) ce qui évite d’avoir à traiter une multitude de petits blocs et économise le processeur.

Le mode de transfert 32 bits consiste à assembler deux mots de 16 bits habituellement transmis par l’interface. C’est ensuite au processeur de gérer ces mots de 32 bits.

Une option du BIOS permet d’activer ou non ces modes (IDE, HDD, block mode, transfert 32 bits) et parfois de définir la taille des blocs, ce qui peut augmenter les performances. Ce paramètre reste à tester selon la configuration que vous avez choisie.

La technologie SMART

C’est un système de surveillance et de monitoring des disques durs. Le périphérique se surveille lui-même.

Des remontées d’informations sont alors envoyées au système qui peut prévenir l’utilisateur qu’une panne va survenir. Toutes les pannes ne seront pas détectées. Ce seront uniquement les défaillances qui surviennent suite à la dégradation lente d’une pièce mécanique. Cependant, les versions récentes de SMART vont plus loin en effectuant des tests sur certaines opérations pendant les périodes d’inactivité et en analysant les données du disque pour rechercher des secteurs défectueux.

SMART permet de surveiller plusieurs paramètres, comme la température par exemple.

RAID 0 : agrégat par bandes

Ce mode apporte un gain de performances (c’est le plus important de tous les modes) mais il n’apporte aucune sécurité aux données. En effet, si l’on perd un disque, on perd toutes les informations de la grappe RAID.

Dans ce mode, on peut rassembler beaucoup de disques (au moins 2) de même capacité. Ils fonctionnent alors en parallèle. Les débits en lecture et en écriture sont donc multipliés par le nombre de disques.

Attention : si vous utilisez deux disques de taille différente, la taille du volume RAID 0 sera équivalente au double du disque de plus petite capacité.

Les procédés du RAID 0

Schématiquement, on découpe l’espace des disques en bandes de 4 à 256 ko (le strip size, configuré à la création). Lorsqu’une donnée est écrite, elle prend la première bande du premier disque ensuite la première bande du deuxième disque, puis la première bande troisième disque, etc. Elle revient ensuite sur la deuxième bande du premier disque, puis sur la deuxième bande du deuxième disque, etc. On a donc une répartition des données sur les différents disques. À la lecture, les bandes sont lues sur les trois disques en même temps.

Le goulet d’étranglement d’un système se trouvant en général sur les débits des unités de stockage de masse beaucoup (plus lents que le processeur, la mémoire ou même le réseau Ethernet), le RAID 0 apporte un gain appréciable. Moyennant une probabilité de défaillance plus élevée, le RAID 0 transforme un système équipé de deux unités moyennes en un système disposant d’un agrégat de disques performant qui améliore les temps de chargement, les lectures/écritures de fichiers volumineux et les traitements réclamant d’importants transferts.

RAID 1 : mirroring

C’est le mode le plus sécurisé des modes RAID mais on perd la moitié de la taille des disques utilisés pour former la grappe.

Pour un RAID 1 à 2 disques, le contenu des deux disques est identique, l’écriture est simultanée sur les deux disques et la lecture se fait sur le disque le plus facilement accessible. À tout moment, les disques sont interchangeables. Même si l’un des deux tombe en panne la totalité des données est accessible sur l’autre disque.

On ne gagne rien en performances mais on évite toute panne d’une des unités du RAID 1. Attention ! Si vous utilisez deux disques de taille différente, la taille du volume RAID 1 sera équivalente à celle du plus petit disque.

RAID 5 : agrégat par bandes à parité paire

Peu de contrôleurs intégrés aux cartes mères gèrent le RAID 5. Aussi serez-vous obligé de passer par une carte contrôleur supplémentaire (en PCI-X ou PCI-Express). Le BUS PCI n’a pas un débit suffisant pour comporter un quelconque un intérêt.

Ce mode accroît la performance et la sécurité de la grappe RAID. Pour cela, le RAID 5 utilise au moins trois disques (sachant qu’on perd en espace de stockage la capacité d’un des disques). Cet espace est utilisé par le système de parité paire répartie sur l’ensemble des disques, système qui permet la reconstruction des données en cas de perte d’un disque.

Les différents disques sont utilisés comme dans le mode RAID 0, d’où les gains en débit. En cas de défaillance de l’un des disques, il suffit de le remplacer par un neuf pour que la grappe RAID 5 soit reconstruite automatiquement. Attention ! Cela prend un temps certain.

JBOD

Le JBOD n’apporte aucun gain de sécurité ni de performance ; il permet seulement de rassembler plusieurs unités de taille différente en un volume unique dont la capacité est égale à la somme des capacités des disques utilisés.

RAID 0+1 ou RAID 01

Il nécessite au minimum quatre disques. C’est un RAID 1 constitué à partir de deux grappes RAID 0. On perd toujours 50 % de la capacité totale des éléments comme en RAID 0 mais on gagne la fiabilité du RAID 1.

La perte d’un disque entraîne la perte d’une grappe entière. La reconstitution, mobilisant tous les disques, est longue et pénalisante pour le système. L’intérêt est de pouvoir enlever une grappe RAID 0 à tout moment pour avoir une sauvegarde instantanée.

RAID 1+0 ou RAID 10

Il nécessite au minimum quatre disques. C’est un RAID 0 constitué à partir de deux grappes RAID 1. On perd toujours 50 % de la capacité totale des éléments comme en RAID 0, mais on gagne la fiabilité du RAID 1 en cas de perte d’un disque ou d’une grappe entière.

La fiabilité est assez grande car une grappe RAID 1 permet de perdre un disque sans perdre la totalité de la grappe et, lors de la reconstruction d’une grappe, un seul disque est utilisé, ce qui préserve les performances du système.

Disque dur avec mémoire flash HHD et sans mécanique SSD

Un disque HDD (Hybrid Hard Drive) est un disque dur normal (avec toute la mécanique adéquate) auquel on ajoute une mémoire flash de grande taille (128 à 256 Mo). Cette mémoire cache permet de contenir de très grandes quantités de données préalablement chargées accélérant les accès et débits. En diminuant l’usage de la mécanique, elle consomme moins d’énergie et accroît la durée de vie de l’unité.

Un disque SSD (Solid State Disk) a l’apparence externe d’un disque dur mais il ne comporte aucune mécanique à l’intérieur. Il n’est équipé que de mémoire flash. Les temps d’accès et les débits sont très rapides.

Encore très chers et ayant de faibles capacités, ces disques durs ne sont utilisés pour l’instant que dans l’industrie et l’armée qui les font fonctionner dans des environnements difficiles (mouvements, températures ou vibrations importantes).