L’extraordinaire évolution du stockage

L’histoire du premier disque dur à enregistrement magnétique remonte au milieu des années 1950, avec IBM (pour International Business Machines). Une société qui n’était déjà pas toute jeune puisque sa création remonte à 1911. Elle était alors connue sous le nom de Computing Tabulating and Recording Company (C-T-R), avant d’en changer en 1924 pour devenir celle que l’on connaît encore aujourd’hui.

Le premier disque dur (ou Hard Disk Drive, HDD) associé à un ordinateur fut créé en 1956, puis commercialisé l’année suivante. Il s’agissait du RAMAC 305 (Random Access Method of Accounting and Control) d’IBM, avec son périphérique de stockage IBM 350. L’ensemble mesurait alors 1,52 x 1,73 x 0,74 m.

Des dimensions qui lui permettaient de passer à travers une porte et ainsi être installé dans un bâtiment sans nécessiter de gros travaux. Ce monstre de près d’une tonne affichait une capacité de... 5 Mo.

La révolution de l’accès direct (aléatoire) aux données

Il était équipé de 50 plateaux de 24" de diamètre (environ 61 cm), pour un total de 50 000 secteurs de 100 caractères alphanumériques, soit un total de 5 millions de caractères. Il n’avait que deux têtes (une en lecture, l’autre en écriture) qui se déplaçaient de plateau en plateau.

La vitesse de rotation était de 1 200 tpm pour un débit de 8 800 caractères par seconde. Il était donc lent et in fine peu rapide, mais qu’importe : le premier dis­que dur était commercialisé ; la révolution était en marche. Il était désormais possible d’accéder directement aux données, peu importe où elles se trouvaient sur le disque dur, et non plus de manière séquentielle (dans un ordre prédéfini) comme sur les bandes perforées ou les cassettes magnétiques.

Plus de soixante ans plus tard, le disque dur avec accès direct (ou aléatoire) est toujours là, avec une gourmandise en stockage toujours plus importante. Par les usages des particuliers et des petites entreprises, bien entendu, mais également dans les datacenters où les données se multiplient sous la pression du « big data » ou de l’intelligence artificielle, par exemple.

Pour la petite histoire, le premier appareil à utiliser le principe de l’enregistrement magnétique – que l’on retrouve encore dans les disques durs actuels – fut le télégraphone de Valdemar Poulsen, en 1898. Il utilisait alors une corde à piano enroulée sur un cylindre. En 1900, lors de l’exposition universelle de Paris (où il remporta le Grand Prix), il enregistra la voix de l’empereur François-Joseph Ier d’Autriche ; une première.

Ensuite, « on l’utilise comme dictaphone et, à partir de 1925, comme répondeur téléphonique. Accessoirement, la marine allemande s’en sert également pour envoyer des messages codés durant la Première Guerre mondiale », explique la Bibliothèque nationale de France. Il s’agissait bel et bien du début d’une longue aventure qui a rejoint celle de l’informatique dans le milieu du XXe siècle.

L’IBM 3340 change la donne

La possibilité de changer les disques/plateaux fut introduite dès 1962 dans l’IBM 1311. Chaque « pack de disques » contenait six plateaux de 14" (35,6 cm environ) tournant à 1 500 tpm. L’ensemble mesurait une dizaine de centimètres de hauteur pour un poids de 4,5 kg et pouvait être manipulé d’une main.

La capacité était de 2 millions de caractères. En 1970, l’IBM 3330 apporta la correction d’erreur gérée par le disque, déchargeant le processeur de cette tâche. Ce système pouvait intégrer entre deux et seize périphériques de stockage pour une capacité comprise entre 200 et 1 600 millions de caractères.

Ce fut à la même époque que la première disquette souple naquit, vénérable ancêtre de nos bonnes vieilles clés USB. Il faudra attendre 1973 pour voir débarquer la toute première unité de stockage comprenant les plateaux, les têtes de lecture/écriture et l’électronique embarqués dans une seule et même cartouche scellée ; une technique encore utilisée aujourd’hui dans les disques durs.

D’une quarantaine de centimètres de diamètre, le 3348 Data Module arborait une forme qui n’était pas sans rappeler (d’une certaine manière) le vaisseau Enterprise de Star Trek. Cette cartouche s’installait dans un système qui occupait la place d’une grosse machine à laver : l’IBM 3340 Direct Access Storage Facility.

IBM 3330 et IBM 3340

Elle pouvait facilement être changée, sans nécessiter de grosses opérations de maintenance. Aucune mise à jour n’était nécessaire puisqu’elle intégrait tout ce dont elle avait besoin. IBM affirmait que cette manipulation pouvait être réalisée en vingt secondes, une petite révolution pour l’époque.

Deux capacités étaient proposées : 35 Mo (Model 35) et 70 Mo (Model 70). Un Model 70F était aussi de la partie, se distinguant par 500 Ko accessibles via des têtes fixes. Plusieurs IBM 3340 Direct Access Storage Facility pouvaient être installés avec un ordinateur IBM System/370 Model 115 de l’époque.

Le fabricant revendiquait un taux de transfert de 885 Ko/s avec un temps d’accès moyen de 25 ms. Il dépassait de peu le 3330 de 1973 qui était respectivement à 806 Ko/s et 30 ms. Un peu moins de dix ans auparavant, en 1965, les débits de l’IBM 2314 étaient deux fois moins rapides (312 Ko/s) pour un temps d’accès deux fois plus important (60 ms).

Pour la petite histoire, l’IBM 3340 était appelé « 30-30 » par les ingénieurs en charge de son développement, mais c’était également le nom commun d’un fusil de la société Winchester. Kenneth E. Haughton, responsable du développement du 3340, aurait déclaré que « si c’est un 30-30, alors ce doit être un Winchester ».

C’est en tout cas l’histoire racontée par IBM. Bref, pendant près de vingt ans la technique s’améliora, la miniaturisation fit son œuvre et de nouveaux formats furent mis sur le marché, mais sans la moindre standardisation.

Le premier disque dur de 5,25" arrive

C’est finalement en 1980 que débarqua le premier disque dur au format de 5,25" pensé pour s’intégrer dans les ordinateurs personnels : le ST506 de Seagate. Sa capacité était de 5 Mo, comme l’IBM 350 de 1956, mais avec un encombrement largement moindre. Le ST506 comprenait deux plateaux et quatre têtes.

Les débits théoriques étaient de 625 Ko/s, le temps d’accès moyen de 85 ms avec une vitesse de rotation de 3 600 tpm. Une version de 10 Mo existait également avec le double de plateaux et de têtes, baptisée ST412. Il s’agissait dans tous les cas d’une étape importante pour le fabricant, car elle permit ensuite l’arrivée en masse des disques dans les ordinateurs personnels. Le ST506 utilisait une interface avec deux connecteurs, relativement simple pour l’époque.

Elle fut reprise par d’autres fabricants qui proposaient des disques durs compatibles. Certains parlaient ainsi d’un « standard ST506 » ou d’un contrôleur MFM. Celui-ci fut modifié au début des années 1980 par la société Maxtor pour devenir l’ESDI (Enhanced Small Disk Interface). Arrivèrent ensuite l’IDE (Parallel ATA) et le SCSI (Small Computer System Interface) pour les professionnels. La première évolua vers le SATA (Serial ATA) et maintenant différents connecteurs PCI Express sur les SSD (nous y reviendrons).

La société Seagate s’appelait Shugart Technology lors de sa création en 1978. Elle changea de nom l’année suivante afin d’éviter un procès avec Shugart Associates, une filiale de Xerox depuis 1977. Cette similitude entre les deux noms n’était pas due au hasard : un même homme était le (co)fondateur des deux sociétés, Alan Shugart, qui travailla également sur l’IBM 350 (le premier disque dur).

Standardisation des formats et hausse de la capacité

Le tout premier disque dur de 3,5" naquit pour sa part en 1983 avec Rodime. Le constructeur proposait ses RO351 de 6,38 Mo et RO352 de 12,75 Mo utilisant eux aussi un contrôleur MFM.

C’est en 1988 que le format de 2,5" débarqua chez PrairieTek et son disque dur PT220 de 20 Mo. Il s’agissait d’une étape importante pour les ordinateurs portables qui ont longtemps utilisé ce format avant de passer au SSD M.2, plus efficace et moins encombrant.

Le PT220 mesurait 25 mm de hauteur, très loin des standards actuels qui sont généralement compris entre 7 et 12,5 mm. En 1990, la société avait aussi commercialisé un PT120 de 20 Mo avec une hauteur de « seulement » 15,4 mm. Nous pouvons également faire allusion au PT240 de 40 Mo (25 mm de hauteur) et au PT242 de 40 Mo, mais avec une épaisseur de 19 mm. Déjà à l’époque, la réduction de la hauteur, et donc de l’encombrement, était un point différenciant.

Comme Rodime, PrairieTek connut un destin funeste : il fut déclaré en faillite en 1991 et sa propriété intellectuelle fut ensuite rachetée par Conner (Seagate) et Alps. Si le nom de Rodime ne vous dit rien, c’est normal : la société est totalement absente du marché des disques durs depuis près de 30 ans puisqu’elle a cessé ses activités dans ce domaine au début des années 1990. Elle s’était alors concentrée sur ses brevets, intentant des procès aux fabricants de HDD 3,5".

L’histoire est plus complexe qu’il n’y paraît puisque les brevets de Rodime datent de 1984 et 1985, alors que des lecteurs de disquettes de 3,5" et un disque dur MiniScribe existaient déjà dans ce format avant cette date. En 2000, Seagate jetait finalement l’éponge et acceptait de payer 45 millions de dollars à Rodime contre l’abandon des poursuites. Le fabricant estimait pourtant pouvoir gagner, mais avait finalement accepté un arrangement amiable « étant donné l’incertitude d’une affaire aussi complexe sur le plan technique face à un jury n’ayant aucune expertise en technologie ».

Du côté des capacités, un premier cap fut franchi en 1982 avec le H-8598 de Hitachi qui proposait pour la première fois une capacité de plus de 1 Go. Il utilisait pour cela dix plateaux de 14" (environ 35 cm) – autant dire qu’il ne rentrait absolument pas dans le format de 5,25".

Il faudra attendre ensuite la fin des années 1990 pour voir d’autres avancées importantes sur ce point. Quantum (depuis racheté par Maxtor et Seagate) occupait alors une place importante avec ses Bigfoot de 5,25" qui pouvaient atteindre jusqu’à 19,2 Go avec leur version « TS ».

En 1998, année du centenaire du télégraphone de Valdemar Poulsen, IBM lança son Deskstar 25GP. D’une capacité de 25 Go, il dépassait non seulement les Bigfoot de Quantum, mais était aussi bien plus compact puisqu’au format de 3,5". Le fabricant franchissait également un cap sur les disques durs pour ordinateurs portables : 14 Go.

D’autres révolutions mises en marche

Surtout, c’est pendant cette période de près de vingt ans que plusieurs barrières ont été franchies, dessinant peu à peu l’industrie du stockage que l’on connaît aujourd’hui. S’il est désormais présent partout, le premier SSD (Solid State Drive) sans disques mécaniques et têtes de lecture/écriture fut mis en vente par SanDisk en 1991. Il coûtait alors 1 000 $ pour 20 Mo, utilisant un format PCMCIA.

L’année suivante, on avait droit au premier disque dur de 7 200 tpm, avant le passage à 10 000 tpm en 1996, et enfin de 15 000 tpm en 2000. Des solutions à l’époque utilisées surtout sur le marché professionnel et quelques disques durs haut de gamme dans l’offre grand public. Pendant un temps, Western Digital aurait préparé la sortie d’un Raptor grimpant à 20 000 tpm, mais rien de tel ne fut finalement annoncé.

Peu après, IBM présenta ses Microdrive, de petits disques durs de 42,8 x 36,4 x 5 mm seulement à leur lancement, avec une capacité de 170 ou 340 Mo via un seul plateau. Ils se développèrent durant les années 2000, avant de disparaître au profit de la mémoire flash. Cette dernière peut en effet être compacte tout en s’avérant plus performante, avec une meilleure capacité, ainsi qu’une consommation énergétique plus faible.

Le saviez-vous ? Le terme « Flash » a été inventé lorsqu’un ingénieur a remarqué que les données pouvaient être effacées en « une fraction de seconde », rappelant le déclenchement du flash de l’appareil photo.

L’ère nouvelle des téraoctets

Entre 1998 et 2008, la capacité des disques durs fut multipliée par plus de 60, alors qu’elle n’était « que » 10 fois plus importante en 2018 par rapport à 2008. Selon IBM, une barrière symbolique était franchie en 2012 : « La capacité de stockage numérique dépasse celle de l’analogique. »

Si le rythme s’est ralenti, de nouveaux caps ont été pourtant franchis. Hitachi fut ainsi le premier constructeur à annoncer un disque dur de 500 Go dès 2005, soit une capacité multipliée par 20 en seulement sept ans. Deux ans plus tard (en 2007), le fabricant doublait ce score en passant à 1To. Nous sommes ensuite passés d’un maximum de 2 To en 2009 à 3 To en 2010, puis 4 To en 2011, 6 To en 2013, 8 To en 2014,10 To en 2015, 12 To en 2016, 14 To en 2017, et enfin 16 To en 2018.

Sans surprise, les premiers exemplaires de 18 et 20 To sont attendus d’ici fin 2019 avec une production en masse début 2020. L’industrie s’est donc stabilisée sur un rythme d’une augmentation de 2 To par an, soit le double de ce qu’elle était capable de faire au début de la décennie.

Réussir à doubler la mise

Pour proposer toujours plus de capacité, les technologies sont contraintes d’évoluer puisque nous nous approchons des limites de ce que permettent les lois de la physique avec les procédés actuels. En effet, le format étant fixe (2,5" ou 3,5"), il est impossible d’empiler des plateaux à l’infini. Il faut donc améliorer leur densité.

Chez Western Digital et Seagate, deux technologies sont ainsi appelées à la rescousse : MAMR (pour Microwave Assisted Magnetic Recording) et HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording). La première utilise un oscillateur/amplificateur sur la tête d’écriture, tandis que la seconde exploite un faisceau laser. Deux approches différentes pour un même but.

Dans les deux cas, il s’agit d’une cuisine interne : les disques durs seront capables de fonctionner dans les ordinateurs traditionnels sans avoir besoin de recourir à un contrôleur spécifique. 20 To sont ainsi prévus pour l’année 2020, puis une rapide montée en puissance avec 40 To d’ici 2023/2025. Si les datacenters et les professionnels constituent les premières cibles, rien n’empêchera un particulier de sauter le pas s’il le souhaite.

Seagate mise également sur la technologie Multi Actuator, baptisée Mach.2. Pour faire simple, le disque dur dispose de deux « actionneurs » indépendants, chacun doté de ses propres têtes de lecture et écriture et s’occupant de la moitié des plateaux. Il est donc vu comme deux unités de stockage, permettant en théorie de doubler les entrées/sorties, car le système peut « demander et recevoir simultanément des données de deux zones du disque en parallèle ».

Un marché concentré

Pour fêter le passage à l’an 2000, Maxtor se paye la division disque dur de Quantum ; c’est l’une des premières acquisitions d’une très longue série. En effet, trois ans plus tard, Hitachi Global Storage Technologies (HGST) débarque d’une fusion entre la division stockage de Hitachi et la branche des disques durs d’IBM. En 2009, Toshiba croque la division disque dur de Fujitsu.

De son côté, Seagate commence à faire ses emplettes en 1996 en fusionnant avec Conner Peripherals, puis elle continue de plus belle en 2005 avec l’acquisition de Maxtor (et donc de Quantum par effet domino). En 2011, Seagate continue en se payant la division des disques durs de Samsung. Au même moment, Western Digital avale HGST qui avait pour rappel englouti les disques durs d’IBM. Vous suivez ?

Seagate se renforce encore en 2012 et 2014 avec les rachats successifs de LaCie et SandForce, un moyen de mettre un pied dans le monde des SSD. Pour ne pas être en reste, Western Digital s’offre un autre spécialiste des SSD : SanDisk. Aujourd’hui, trois fabricants se partagent la plus grosse part du gâteau: Seagate, Toshiba et Western Digital. Ils proposent également des SSD aux côtés d’autres constructeurs spécialisés comme Samsung, Micron, Intel, etc.

Montée en puissance des SSD et réduction des formats

Au cours de ces dix dernières années, les SSD sont doucement montés en puissance, jusqu’à devenir la norme pour certains usages, du PC grand public à de nombreuses applications professionnelles. Il faut dire qu’ils sont avantagés face aux disques durs par des débits très élevés et une latence ultra-réduite.

Souvent perçus comme des opposés, les HDD et les SSD sont néanmoins complémentaires. Les premiers présentent en effet toujours largement l’avantage d’un coût au gigaoctet nettement inférieur et de proposer des capacités avec lesquelles les SSD pour le grand public ne peuvent pour l’instant pas rivaliser, puisqu’ils ne grimpent que jusqu’à 4 To en format 2,5".

Le système d’exploitation et les principales applications peuvent ainsi désormais être installés sur un SSD de 250 Go à 4 To suivant votre budget, tandis que le reste des programmes, des documents, des photos et autres vidéos peut être stocké sur un disque dur au rapport gigaoctet/euro bien plus avantageux.

Les disques durs de plusieurs téraoctets sont également parfaits à placer dans un NAS, permettant un accès centralisé à vos données au sein de votre réseau local ou depuis l’extérieur si vous le désirez. Il y a néanmoins un terrain où les disques durs n’ont plus leur mot à dire, c’est celui de la compacité et de la diversité des formats.

Outre les modèles classiques de 2,5"dotés d’un connecteur SATA, on trouve désormais de manière très courante le M.2, introduit en 2013. Il exploite une connectique SATA ou PCI Express sous la forme d’une petite carte de 22 x 30 mm à 22 x 110 mm, le plus souvent 22 x 80 mm.

Compacts, ils nécessitent une bonne dissipation thermique, mais s’avèrent très rapides puisque l’on grimpe désormais facilement entre 3 et 5 Go/s en PCIe avec le protocole NVMe (remplaçant AHCI). Il s’agit là aussi de l’aboutissement d’une longue évolution puisque le M.2 fait suite aux mPCIe et mSATA, lancés respectivement en 2007 et 2009.

Mais l’on trouve également des connecteurs U.2 pour les SSD de 2,5" exploitant le PCI Express plutôt que le SATA. Dans le domaine des serveurs, on trouve de plus en plus des réglettes (ou rulers) très longues (plus de 30 cm) et fines (1 cm environ), capables d’embarquer plusieurs dizaines de téraoctets chacune. De quoi grimper à 1 Po dans une simple unité au format 1U telle que l’AF1000 de la marque Intel.

La folle chute des prix au gigaoctet

Terminons avec un petit point sur les tarifs... En 1957, le prix du mégaoctet était d’environ 10 000 dollars. Il est néanmoins rapidement descendu pour arriver sous les 40 dollars environ trente ans plus tard.

Pour autant, la dégringolade tarifaire ne s’est pas arrêtée en si bon chemin. Au début des années 2000, le Go n’était plus facturé que 2 euros, puis moins de 10 centimes en 2010. En 2019, on trouve des disques durs de 4 To pour moins de 85 euros, soit un peu plus de... 2 centimes par Go.

Pendant ce temps, les SSD ont pris le relais avec des tarifs élevés à leurs débuts, mais qui sont également descendus en flèche avec les années. Il est désormais passé sous la barrière de 10 centimes par Go pour les modèles d’entrée de gamme avec une interface SATA, alors que fin 2014, la moyenne était aux alentours de 35 centimes par Go.

Les SSD PCIe, bien plus performants, sont un peu plus chers, généralement entre 12 et 15 centimes par Go suivant les modèles et leurs performances.

Cet article a été publié dans le #1 du magazine papier de Next INpact distribué en janvier dernier. Il est rediffusé ici dans son intégralité et sans modification. Il sera accessible à tous d'ici quelques semaines, comme l'ensemble de nos contenus. D'autres suivront, puis le PDF complet. Pour soutenir cette démarche, précommandez le #2 de notre magazine.