Face à la pénurie de SSD, le développement des disques durs redécolle

Multiplier les lectures parallèles au sein des disques

L’accélération des disques durs de Western Digital a ceci de particulier que la vitesse des disques durs n’avait pas augmenté depuis des années. Et pour cause : s’agissant d’une dizaine de plateaux dont la rotation optimale est fixée à 7200 tours par minute, le débit n’augmente d’ordinaire qu’au gré des évolutions (minimes) de la densité de données enregistrées par plateau. Pour aller au-delà de cette limite, Western Digital a mis au point un système qui permet à plusieurs têtes magnétiques de lire ou écrire des données en même temps.

Sur la prochaine génération de disques, deux têtes liront ainsi des données simultanément. Mais pour peu que leurs données respectives soient situées sur les mêmes numéros de cylindres (de pistes) de différents disques. En effet, toutes les têtes sont comme les pointes d’une fourchette partageant le même bras mécanique qui les déplace à la surface des plateaux, lesquels sont empilés verticalement.

Sur la génération suivante, Western Digital prévoit d’installer à l’intérieur de ses disques durs deux bras mécaniques, chacun portant deux têtes de lectures capables de fonctionner simultanément. Cela signifie que la latence devrait également baisser, car il ne faudra plus attendre un tour complet des disques pour atteindre une donnée. En admettant que les bras soient diamétralement opposés, la latence maximale entre deux fichiers passerait ainsi de 8,3 millisecondes à 4,16 millisecondes.

Ensuite, Western Digital devrait parvenir à faire fonctionner quatre têtes de lecture par bras mécanique. Le constructeur ne se prononce pas encore sur les évolutions suivantes.  

Problème, les connecteurs SATA sur lesquels sont branchés les disques durs ont une bande passante plafonnée depuis 2012 à 600 Mo/s. Tous les développements concernant la vitesse de lecture/écriture des unités de stockage se sont ensuite focalisés sur les bus NVMe bien plus rapides (jusqu’à 16 Go/s sur quatre voies PCIe 5.0, actuellement), mais réservés aux seuls SSD. À ce stade, personne n’a encore communiqué sur une accélération du bus SATA. L’évolution serait donc plutôt de passer à un bus SAS qui, lui, grimpe à 2,4 Go/s et partage la connectique du SATA.

Toutefois, les bus SAS sont actuellement utilisés dans les serveurs pour brancher une grappe de disques SATA. Cela signifie que plus les disques durs seront rapides, moins il sera possible d’en brancher par bus SAS. On ignore à ce stade si la pénurie des SSD va inciter les fabricants que de serveurs et de baies de stockage à démultiplier le nombre de bus SAS dans leurs machines pour qu’elles supportent toujours autant de disques durs.

Par ailleurs, démultiplier des bus SAS qui connectent individuellement moins de disques durs réduit les possibilités d’installation en RAID. Il est probable que des développements seront bientôt annoncés.

Précisons que les SSD ne fonctionnent en NVMe que sur les serveurs et les baies pour applications critiques. Mais des SSD SATA, moins chers, continuent d’être utilisés sur les baies NAS destinées au partage de fichiers entre équipes, ou au stockage de grandes quantités de données froides (bases documentaires, médias prêts à diffuser, sauvegardes...).

Croissance de capacité : Western Digital adoptera le HAMR de Seagate

Concernant l’évolution de la capacité de stockage, elle dépend de la faculté des fabricants de disques durs à augmenter la densité d’information par plateau, ce qui se heurte à des barrières physiques. Réduire la forme de l’onde magnétique émise ou reçue par la tête de lecture ne suffit pas. Il faut aussi que les grains de matière ferriques qui constituent la surface des plateaux, et qui reviennent à de minuscules aimants, ne se polarisent pas de proche en proche. Or, ils sont désormais si serrés les uns contre les autres que c’est le cas.

Seagate et Western Digital ont chacun une technique pour surmonter ce problème. Seagate a développé un système appelé HAMR qui consiste à utiliser des plateaux où les grains de matière sont physiquement incapables de bouger (donc de s’orienter vers une polarité quelconque), sauf à très haute température. De fait, les têtes de lecture des disques de Seagate chauffent l’endroit exact où elles écrivent des données à 450°C pendant un bref instant, juste le temps que les grains se polarisent pour stocker un 1 ou un 0.

L’acronyme HAMR signifie Heat-Assisted Magnetic Recording, ou enregistrement magnétique assisté par la chaleur.

Western Digital développé de son côté l’ePMR, qui est en soit le cumul de deux techniques. Le PMR, d’abord, ne polarise plus les grains de matière dans le sens gauche-droite le long des pistes (les pôles des grains se font face, même quand ils sont opposés), mais dans le sens bord extérieur-bord intérieur des pistes : les bits – ou plus exactement les bitcells - sont rangés sur les pistes comme des allumettes dans leur boîte, avec la tête (un pôle) orientée vers un des deux bords opposés. Ainsi, les pôles opposés sont plus éloignés et il est possible de serrer davantage les grains ferriques entre eux.

L’acronyme PMR signifie Perpendicular Magnetic Recording, ou enregistrement magnétique perpendiculaire, car la direction des polarités des bitcells est perpendiculaire à au défilement d’une piste sous la tête magnétique.

Cette technique est doublée d’un second champ magnétique – le e dans ePMR signifiant énergie – qui déforme l’onde émise par la tête de lecture pour s’assurer qu’elle ne polarise pas elle-même les grains adjacents.

L’avantage de la technique ePMR de Western Digital est que les têtes sont plus fines, ce qui permet au constructeur de mettre onze plateaux par disques contre dix chez Seagate. Soit 10% de capacité en plus pour Western Digital. L’inconvénient de l’ePMR est qu’il est moins efficace que l’HAMR : Seagate a encore un boulevard devant lui pour réduire la densité, alors que Western Digital est pratiquement arrivé au bout de ce qu’il est physiquement possible de faire avec l’ePMR.

De fait, Western Digital a annoncé qu’il allait passer à l’HAMR de son concurrent. Les disques durs SMR de 60 To prévus pour 2028 seront les derniers à utiliser l’ePMR. Les modèles en 100 To de 2029 fonctionneront avec du HAMR. D’ailleurs, Western Digital indique qu’il déclinera aussi des modèles de 60 To avec HAMR dès 2028. Il n’est pas clair dans ses annonces s’il s’agit de deux gammes différentes, ou s’il compte cumuler HAMR et ePMR dans les mêmes disques durs.

Le retour des disques durs pour des usages conventionnels

Une autre bonne nouvelle est le retour des disques durs pour usages conventionnels (CMR), alors que ces types d’unités semblaient condamnés à ne plus servir qu’aux sauvegardes (SMR).

La différence entre CMR et SMR est relative à la manière de serrer plus ou moins les pistes les unes contre les autres. Classiquement, en CMR, les pistes concentriques sont séparées par des bandes non magnétisées, ce qui correspond à autant de surface perdue pour la capacité de stockage. En SMR, les pistes se chevauchent, comme des tuiles. Ce qui sert à surexploiter la surface du plateau pour maximiser la capacité de stockage, au-delà même de ce que permettent les surfaces occupées par les pistes.

L’acronyme SMR signifie Shingled Magnetic Recording, ou enregistrement magnétique par tuiles.

Le chevauchement des pistes ne pose pas de problème à la relecture, car il suffit qu’un bout de bitcell reste apparent pour lire un 0 ou un 1. En revanche, la tête écrit bien un bitcell entier (la fameuse forme d’allumette). Le chevauchement pose donc la contrainte d’écrire les données en allant uniquement de la piste extérieure vers la piste intérieure.

Cela signifie qu’il n’est plus possible d’effacer un ancien fichier et de réécrire par-dessus de nouvelles données, car cela effacerait le chevauchement de la piste suivante, laquelle deviendrait illisible puisqu’elle est elle-même chevauchée par la prochaine.

Et la seule application qui se prête à ce type d’enregistrements chronologique est la sauvegarde : le disque ne sert qu’à stocker les copies de secours successives. Ça tombe bien : la sauvegarde qui conserve plusieurs copies des données de production est l’application qui consomme le plus de capacité dans un datacenter.

Précisons que Seagate propose lui aussi des disques durs en SMR. Ses nouveaux modèles CMR de 32 To dans les gammes Exos (pour hébergeurs), SkyHawk AI (pour serveurs) et IronWolf Pro (pour baies NAS) doivent ainsi se décliner en une version de 36 To réservée au stockage des sauvegardes.