Qu’est-ce-qu’un disque dur ?

Le disque dur est dispositif de sauvegarde des données permettant de stocker des quantités élevées d’informations sur des petites surfaces. En effet, ces appareils ne sont pas plus gros que des lecteurs de CD-ROM et pourtant, peuvent contenir beaucoup plus de Giga-octets de données. Pour atteindre une telle technologie, le disque dur regroupe d’un grand nombre de constituants possédant des fonctionnements divers.

1) Intérieur d’un disque dur

Les disques durs sont généralement scellés dans des salles « blanches » (salles où l’atmosphère est filtrée pour éviter les moindres poussières ou saletés). En effet, la moindre poussière pourrait nuire aux mécanismes précis du disque dur. Pour cela, la mécanique est enfermée dans un boitier fermée hermétiquement (1a et 1b).

Les principaux constituants d’un disque dur sont les plateaux (ici, leur nombre est de 4) (2a, 2b, 2c et 2d), ceux-ci sont reliés à l’axe moteur (5).

Les bras de lecteurs (3), au bout desquels se trouvent les têtes de lecture/écriture, sont reliés aux plateaux grâce à un actionneur de tête ou actuateur (6) marchant via l’aimant (4).

Les connecteurs (7) sont les ports permettant la connexion à l’ordinateur et ainsi de l’alimentation et de l’interface. Pour finir, les jumpers (8) permettent la configuration de secours du disque dur (« hardware »).

2) Fonctionnement des éléments d’un disque dur

Un disque dur se constitue de plusieurs disques rigides. Auparavant ces disques étaient en aluminium ou en zinc alors que aujourd’hui on utilise plus le métal et le verre, qui sont tout deux traités par diverses couches dont une ferromagnétique qui est elle-même recouverte d’une couche de protection.

Le ferromagnétisme est la réaction qu'ont certains matériaux à s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur. Certains matériaux magnétiques durs ou aimants permettent de garder une forte aimantation malgré la disparition du champ extérieur. Les spins se couplent entre eux et entre les centres métalliques d'un matériau, de telle façon que la totalité des spins soit orienté de la même façon au sein d'un même domaine de Weiss. Dans la physique quantique, le spin est une des propriétés des particules. C'est la seule observable (ou propriété) quantique qui ne présente pas d'équivalent classique. Le silicium est un élément chimique de la famille des cristall ogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.

Un matériau ferromagnétique introduit dans un champ magnétique crée un nouveau champ magnétique dans celui-ci. Cette réaction se nomme aimantation. Ce nouveau champ magnétique s'ajoute au champ initial. La somme des deux est observée. Dans ce cas de figure, ce produit de la réaction est appelé champ total et le champ initial prend le nom d'excitation magnétique. 

On est amené à différencier le champ initial, l'excitation magnétique, notée H, du champ total, noté B, reliés l'un à l'autre par :

avec μ₀ la perméabilité magnétique du vide et M l'aimantation du milieu.

Pour une entité ferromagnétique, la susceptibilité magnétique χ est définie par la formule :

,

L'aimantation varie en fonction de nombreux paramètres comme la température, le champ magnétique mais également des champs magnétiques se produisant précédemment (cycle d'hystérésis, voir ci-dessous).

Représentation très schématique de l'évolution des domaines de Weiss avec un champ magnétique extérieur croissant.

D'une manière générale lorsque la température augmente, les moments magnétiques deviennent s'orientent plus facilement sous l'effet d'un champ extérieur. La susceptibilité magnétique augmente de même à l'approche de la température de Curie, notée T_C.  Elle atteint sa plus grande valeur à T_C, puis s'annule brutalement: c'est le pic d'Hopkinson.  Au-delà de sa température de Curie, le matériau (re)devient normal et l'aimantation spontanée, nulle. Sa susceptibilité suit alors la loi de Curie-Weiss définie par :

À T = T_C, la susceptibilité tend vers l'infini, ce qui est conforme à l'expérience.

Les disques rigides, aussi appelés « plateaux », tournent autour d’un axe sur un roulement. Il y a deux types de roulements pour les disques durs : à billes et à huile. Les roulements à billes sont formés d’une bague de 7mm de largueur et de 22mm de diamètre et sont composés de sept billes de 4mm de diamètre environ. Les roulements à huile quant à lui, sont composés d’une fine couche d’huile. Ils permettent de faire garder les disques parallèles entre eux pour ne pas les entrechoquer. Niveau qualité et prix, les roulements à huile sont plus silencieux et meilleur marché que les roulements à billes pourtant plus rapides.

Un moteur électrique maintient cet axe en mouvement, c’est pour cela que l’électricité est nécessaire au fonctionnement d’un disque dur. Par ailleurs, la vitesse de rotation d’un plateau est comprise entre 3600 et 15 000 tours par minutes (l’échelle typique des vitesses est de 3600, 4200, 5400, 7200, 10 000 et 15 000 tours par minutes). La rotation des disques est maintenue à une vitesse constante pendant la recherche de l’information et l’état de sa surface doit être la meilleure possible pour favoriser cette vitesse. Le moteur entrainant les disques doit être capable de fournir des accélérations et des décélérations très importantes et rapides pour que la tête se positionne sur le bon cylindre contenant l’information. En effet, un des algorithmes de contrôle des mouvements (voir sous le paragraphe) permet de planifier ainsi le mouvement pour un trajet les plus rapides.

Des têtes de lecture/écriture sont situé d’une part et d’autre à chacun des plateaux ce qui permet la lecture et l’écriture. En effet, si une des têtes s’occupe de la lecture, celle opposée s’occupe de l’écriture. Ces têtes sont fixés au bout d’un bras, elles sont solidaires ce qui permet de les faire pivoter en arc de cercles à la surface des plateaux. Ces têtes (situées à 15 nm de la surface et séparée par une couche d’air provoqué par la rotation des plateaux) sont des électroaimants qui se baissent et se soulèvent permettant l’écriture ou la lecture de l’information.

Par ailleurs, les têtes se déplacent individuellement, c'est-à-dire que seulement une tête peut lire ou écrire à un moment et un lieu donné. L’ensemble de cette mécanique qui est très précise est contenue dans un boitier totalement hermétique car la moindre particule peut affecter l’état de la surface du disque dur le rendant illisible et donc inutilisable.

La tête située entre 10 et 25nm « flotte » au dessus du disque sans le toucher via un coussin d’air créé grâce à la rotation des plateaux. Voilà pourquoi ceux-ci doivent rester parallèles entre eux et avec la tête de lecture/écriture pour ne surtout pas rayer ou dégrader le disque et ainsi le rendre inutilisable car il y aurait une modification de la distance entre la tête de lecture et le plateau.

Ainsi, les têtes ne fonctionnent pas via un moteur mais via un aimant situé sous la base de celle-ci grâce à un aimant fait avec un rouleau de fils de cuivre, aussi nommé l’actuateur. Celui-ci sert à deux choses : dans un premier temps, il sert à déplacer la tête. Plus l’intensité I est faible et plus la tête se dirige vers le centre et contrairement, plus l’intensité I est forte et plus la tête se dirige vers m’extérieur du plateau. Et dans un second temps à protéger le disque en lui-même car même si la tête « flotte » grâce à un coussin d’air créé par la rotation mais en cas d’arrêt du disque, la tête qui normalement aurait du toucher le disque du à l’arrêt de la rotation ne touchera pas le disque grâce à ce même aimant.

Pour finir, les connecteurs sont les prises permettant l’alimentation du disque dur en électricité et permet la réception des instructions du contrôleur de disque. Quand au jumpers, ils permettent de configurer le disque dur en mode « maître » c'est-à-dire sans échec et donc en cas de problème avec les logiciels de configuration basiques pour disque dur.