Le stockage magnétique

Le stockage magnétique Cedric Feretti Adrien Gausseran Yacine Rezgui Steven Siddi Institut Université de Technologie Nice Côte D Azur 41 Boulevard Napoléon III, 06206 Nice Cedex 3 Feretti, ferretti.cedric@etu.unice.fr Gausseran, gausseran.adrien@etu.unice.fr Rezgui, rezgui.yacine@etu.unice.fr Siddi, siddi.steven@etu.unice.fr RÉSUMÉ. Présentation des différentes formes de stockage magnétique, des principaux supports magnétique, du principe du magnétisme, de l écriture et de la lecture sur support magnétique, et explication des différentes limites de ces supports. ABSTRACT. Presentation of the different forms of magnetic storage, the principals magnetic supports, the magnetic principle, writing and reading on magnetic support and explanation about the limits of these supports. MOTS-CLÉS : Disque dur, disquette, bande magnétique, support magnétique, écriture magnétique, lecture magnétique. KEYWORDS: Hard drive, floppy disk, magnetic band, magnetic support, magnetic wrinting, magnetic reading.

Le stockage magnétique 2 1. Introduction Depuis toujours, l'homme cherche à stocker des informations, d'abord grâce à l'écrit, amélioré par l imprimerie, puis grâce au système de Vaucanson et aux cartes perforées qui permirent d animer des automates, et de programmer le fonctionnement de machines industrielles lors des prémices de l informatique. Avec la modernisation de l informatique, la mécanographie utilisa abondamment les cartes perforées pour ensuite utiliser le stockage magnétique, qui se démocratisa avec l informatique moderne et l invention du transistor. 2. Les principaux supports magnétiques 2.1. Le disque dur Le Disque dur est un support de stockage de masse utilisé dans de nombreux dispositifs informatiques modernes tel que les ordinateurs, les lecteurs DVD/Bluray, les console de jeux vidéo et qui conserve les données jusqu à leur suppression volontaire. Inventé en 1956 par IBM, il avait une capacité initiale ne dépassant pas les 5Mo pour atteindre aujourd hui plus de 2To et un encombrement initiale de 24 pouces pour être réduit à moins de 2 pouces de nos jours. Comme on peut le voir sur http://www.vulgarisation-informatique.com/disque-dur.php, http://www.ctmsolutions.com/digitalmedia_les_doc_techniq.php?id=6, il est constitué d une coque hermétique (pour éviter les particules), dans laquelle sont présent plusieurs parties mécaniques mobiles dont les plus importantes sont: Un ensemble de plateau en aluminium, en verre, ou en différents alliages, tournant en permanence à vitesse constante (pouvant aller de 3600 tours/minutes à 15000 tours/minutes en 2010), solidaire d un axe fixe entraîne par un moteur électrique. Chaque plateau est constitué de plusieurs couches, dont une ferromagnétique pour inscrire des données. Les plateaux sont divisés en cercles concentriques qui sont appelés des pistes, qui comportent eux même un nombre généralement égaux de secteurs. Un ensemble de tête de lecture solidaire entre elles, et fixées sur des bras mobiles qui permettent de les faire pivoter en arc de cercle à la surface des plateaux. Les têtes de lecture se déplacent à environ 0,25 µm de la surface des plateaux grâce à l'accélération engendrée par la rotation très rapide des plateaux. Les tête de lecture sont constituées d un électroaimant qui va capter des champs électromagnétique (lors de la lecture) et emmètre des impulsions électriques (lors de l écriture). Le disque dur est aussi composer d un Servocommande ou contrôleur de disque qui est un ensemble électronique qui permet de contrôler la rotation des moteurs, le mouvement des têtes de lecture, l enregistrement, l interprétation et la conversion en

3 bits des signaux électriques reçus par la tête et de réaliser l opération inverse lors de l écriture. Enfin pour communiquer avec la carte mère, le disque dur est aussi constitué d une interface Figure I. Photographie d un disque dur 1.Plateau 2.Axe mobile 3.Tête de lecture/écriture 4.Bras mobile 5. Contrôleur de disque. 6. Interface 2.2. La disquettes La disquette est un ancien support de stockage de donnée utilisée de 1967 au début du 21ème siècle. Plusieurs types de disquettes ont existés : les disquettes de 8 pouces développés en 1967 pour permettre de charger des microcodes dans les nouvelles machines d IBM, les disquettes 5,25 pouces qui furent développer pour fonctionner avec des machine des machine de traitement de texte de bureau (ce furent les premières disquettes à stocker des informations sur leurs deux faces, et enfin il y eu les microdisquettes (de 3.5 à 2 pouces) développées dans les années 80 pour pallier aux limitations du format 5.25 pouces et s adapter sur les ordinateur de bureau. Les ont constituées pour la plupart d une coque en plastique, d un volet de protection amovible, d un disque magnétique, d un axe mobile et solidaire du disque magnétique, d un disque en papier, et d un bouton de protection contre l écriture. Comme nous l indique http://www.01net.com/, le disque magnétique est en fait un disque fin en plastique recouvert d un film magnétique. Le disque est, tout

Le stockage magnétique 4 comme les plateaux d un disque dur, découpé en piste, elles-mêmes divisées en un nombre généralement constant de secteur de taille égale. Sur les secteurs de la disquette sont stockés: les informations de la disquette sur le 1er secteur de la 1ère piste, l état de chaque secteur, les informations sur les données stockées et les données elles-mêmes. Ce format de stockage fut délaissé de plus en plus à cause de son faible espace de stockage et de sa faible fiabilité comparé aux CD qui se démocratisaient. Figure II. Schéma d une disquette 1.Secteur 2.Piste 2.3. Les bandes magnétiques La bande magnétique est un support de stockage de donnée développée en Allemagne à la fin des années vingt. Une bande magnétique est constituée d un film plastique recouvert d oxyde de fer. Elle est d'abord utilisée pour l enregistrement audio, puis pour les enregistrements vidéo, et enfin dans l enregistrement de données en tant que stockage de masse pour les ordinateurs dans les années 50. Les bandes magnétiques ont très vite été développées dans des formats portables tels que les cassettes audio ou vidéo. Les informations enregistrées sur une bande magnétique sont enregistrées sur des pistes soit parallèles à la bande, soit hélicoïdales. Les pistes sont coupées par des intervalles inter-enregistrements qui permettent au lecteur de bande de s'arrêter avant de reprendre une lecture ou une écriture.

5 Figure III. Schéma d une bande magnétique 2.Piste 1.Intervalle inter-enregistrement 3. Généralités sur le magnétisme Il existe trois catégories de matériaux : les matériaux non-magnétique qui ne sont pas influencés par les champs magnétiques, tel que le bois, le caoutchouc et les autres plastiques, les matériaux paramagnétique qui sont attirés par les champs magnétiques mais ne gardent pas de trace d'aimantation une fois le champ magnétique retiré, et enfin les matériaux ferromagnétiques qui, en plus d être attirés par les champs magnétiques, voient leur aimantation modifiée et conservent ce changement même si le champs magnétique qui a causé cette modification est retiré. Un matériau ferromagnétique non encore aimanté possède des domaines de Weiss, qui sont les zones aimantées de base du matériau et qui sont chacune de taille et d orientation magnétique totalement aléatoire. A l intérieur d un matériau ferromagnétique, une multitude domaine de Weiss différents peuvent coexister, et sont séparées par de fines zones appelées parois de Bloch. Lorsqu un champ magnétique assez puissant est appliqué à une partie du matériau par contact ou par proximité, tous les domaines de Weiss de cette zone vont s orienter dans le même sens que l orientation magnétique du champ. Figure IV. Evolution des domaines de Weiss d une zone d un matériau ferromagnétique subissant l action d un fort champ magnétique

Le stockage magnétique 6 Cette orientation ne peut être changée qu en cas de température critique forte (dépendant du type du matériau) ou d application d un champ magnétique inverse assez puissant. C est cette capacité à garder une aimantation orientée qui prédispose l utilisation de matériaux ferromagnétiques dans le stockage d informations. 4. Principe d écriture Les données sont écrites grâce à une tête de lecture, constituée généralement d'une bobine de cuivre entourant une partie d un dispositif en métal, et disposant de deux bouts, chacun étant magnétisé à un pôle (plus et moins). C est entre les deux bouts proches de la partie métallique du dispositif, que l on appelle l entrefer, que la tête de lecture va émettre le champ magnétique pour polariser localement dans un sens ou dans l autre la surface à polariser. Figure V. Schéma d une tête de lecture 1.Entrefer 2 Bobine 3.Support ferromagnétique 4.Champ magnétique 4.1. Principe d écriture sur disque dur et disquette Pour les disques dur et disquette, l information est écrite en binaire, et c est le sens du courant dans la bobine qui va permettre de choisir le sens d aimantation du matériau support. Selon le sens du courant dans la bobine, le champ magnétique sera

7 orienté dans ce sens et va modifier l orientation de l aimantation du matériau support. C est un enregistrement dit numérique. L enregistrement magnétique des disques dur est généralement longitudinal : c est à dire que la magnétisation des bits de données est alignée horizontalement, parallèlement au plateau qui tourne à l'intérieur du disque dur. Depuis quelques année, avec la demande croissante en plus grande capacité, une nouvelle technique d enregistrement à vu le jour : l enregistrement magnétique perpendiculaire. Dans cette méthode d enregistrement, la magnétisation des bits de données est alignée perpendiculairement au plateau. Cela a pour conséquence, lors du rétrécissement des bits de donnée, d annuler la perturbation magnétique liée à leur répulsion mutuelle : la magnétisation changeant de sens, les bits s attirent. Grâce à cette méthode d enregistrement, et comme nous pouvons le voir sur http://www.vulgarisation-informatique.com/disque-dur.php, les fabricants ont pu augmenter la capacité de stockage des disques dur en passant le To, tout en conservant la fiabilité des données enregistrées. Dans le disque dur et les disquettes, un disque magnétique tourne grâce à un moteur, et une tête de lecture/écriture est en suspension (à quelques nanomètres du disque pour un disque dur). C est grâce à cette tête de lecture extrêmement proche du support que l on va écrire sur une minuscule partie du disque soit un 1 soit un 0, suivant le sens de polarité du champ magnétique. 4.2. Principe d écriture sur bande magnétique Pour les bandes magnétiques, tel que les cassettes audio ou vidéo, l image ou le son enregistré va moduler le courant passant dans l électro-aimant chargé de l écriture, et donc le champ magnétique qui dépend de l intensité du courant va être plus ou moins fort. La bande magnétique sera ainsi plus ou moins aimantée durant l écriture. On appelle cet enregistrement analogique car le matériau support de l information peut être plus ou moins aimanté. Pour plus de détails sur l écriture sur bande magnétique, vous pouvez consultez http://www.louisneel-centenaire.inpg.fr/img/pdf/6-fiche_enregistrement.pdf. 5. Principe de lecture Lors de la lecture, et contrairement à l écriture, ce sont les particules de fers qui sont polarisée, et ce sont donc elles qui émettent un champ magnétique orienté. C est la tête de lecture qui, lors du passage du disque magnétique en dessous d elle, reçoit les variations du champ qui sont transmises dans la bobine et peut alors traduire ces données. La vitesse de restitution dépend donc de la vitesse de rotation

Le stockage magnétique 8 du disque magnétique elle est exprimée en Tours/Minute (de l ordre de 300 tours/minute pour la disquette et jusqu'à 10 000 tours/minute pour le disque dur). 5.1. Lecture sur disquette Pour les disquettes, les données lues sont traduites en binaire, grâce à un convertisseur analogique numérique, pour ensuite être lues par l ordinateur. 5.2. Lecture sur disque dur Comme on peut le lire sur http://www.neel.cnrs.fr/userfiles/file /physique_pour_tous/article_de_revue/reflets%20nozieres%2018%20p_12-16.pdf, pour les disques durs, la tête de lecture peut être indépendante de la tête d écriture et est alors composé soit d une partie GMR (magnétorésistance Géante) soit d une partie TMR (magnétorésistance par tunnel) cette élément est placé de façon perpendiculaire à la surface du disque afin de récupérer les variations magnétiques émises par les particules, d un élément magnétorésistif placé entre deux écrans magnétiques permettant de séparer les flux des bits adjacents de ceux lus. Si la tête est composée d une partie GMR le courant passe dans le plan du capteur où des contacts sont pris sur les côtés de l élément isolé électriquement (particules de fer). Figure VI. Schéma d une tête de lecture GMR 1.Métal 2.Nano-aimant 3.GMR 4.Isolant 5.Ecrans 6.Courant de lecture 7.Barrière

9 Si la tête est composée d une partie TMR alors le courant passe perpendiculairement au plan du capteur. Figure VII. Schéma d une tête de lecture TMR 1.Métal 2.Nano-aimant 3.Barrière 4.TMR 4.Ecrans 5.Courant de lecture 5.3. Lecture sur bande magnétique Pour les bandes magnétiques le principe reste fondamentalement le même, elles produisent un champ magnétiques correspondant au signal électrique du son ou de la vidéo, mais ce n est pas forcément un convertisseur analogique numérique qui va traduire les données lus. En effet, les anciens lecteurs cassettes utilisent des systèmes de lecture du flux magnétique et des modulateurs-démodulateurs pour convertir les données et les rendre visible sur un écran ou au travers des enceintes. 6. Les limitations du stockage magnétique Malgré les nombreux avantages que propose le principe de stockage magnétique, il devient très difficile d en améliorer la capacité, on arrive ainsi actuellement aux limites de cette méthode. 6.1. Les limites magnétiques Dans un premier temps, il faut savoir que cette capacité est définit par des particules de fer microscopique répartit sur toute la surface d un plateau dont deux particules représentent un seul bit. Donc pour augmenter la capacité de stockage d une même surface il faudrait diviser les particules afin d en avoir plus sur un

Le stockage magnétique 10 même plateau. Le problème ne vient pas du fait de diviser encore et encore les particules mais de la taille de celles-ci. En effet plus la taille des particules devient petite plus les données sont sensibles aux perturbations de température et magnétiques qui existent entre les particules si bien qu en dessous de la taille minimale d un bit (de l ordre de 100 nanomètres) il est presque impossible conserver des données. Les perturbations magnétiques sont des fluctuations mesurées entre deux bits (quatre particules) créant des bruits magnétiques. Bien que ce problème est été partiellement corriger en créant une barrière de CoPtCr contenant du chrome et qui entoure ces particules magnétique, nous permettant donc une amélioration de la taille de stockage des disques durs et autres supports magnétiques, ce problème persiste au-delà d un certain niveau qui est de l ordre de 40 Gbits/inch². 6.2. Les limites mécaniques Ces supports magnétiques ne sont pas seulement limités d un point de vue magnétique mais aussi d un point de vue mécanique. Ils sont plus fragiles que les supports flash du fait de leur constitution : si par exemple un disque dur magnétique reçoit un choc assez important, les données peuvent être perdues, en effet la coque extérieure protège les données de l air laissant l intérieur sous vide, et si celle-ci venait à subir une dégradation de son imperméabilité, les données du disque dur seraient alors perdues. La vitesse de rotation des disques durs magnétiques atteint elle aussi une limite, car elle ne peut pas être augmentée indéfiniment : plus cette vitesse augmente plus le moteur de rotation s use, plus l axe perd en équilibre, augmentant le nombre des différents points de frictions, l'usure du roulement, l'usure du moteur... 7. Conclusion Les espace de stockage magnétique ont révolutionnés les méthodes de stockage, en partant de quelque Kilo-octets avec les premières bandes magnétiques en passant par les deux Méga-octets des disquettes, pour arriver au disque dur de dernière génération qui permettent un stockage de plusieurs Terra-octets de donnée. Mais les systèmes de stockage magnétique, malgré leur énormes avancées, sont aujourd hui les composants informatiques les plus limitant dans une machine; on arrive à un point où la capacité de stockage n augmente plus, les vitesses de lecture et d écriture sont lentes par rapport aux autres composants, malgré l augmentation des de la vitesse des tours jusqu à 15000 tr/min.

11 Le stockage magnétique arrivant à son apogée, d autre systèmes de stockage sont développés, telle que les systèmes de stockage sur mémoire flash, comme le SSD, qui permettent une énorme capacité de stockage, avec une vitesse de lecture et d écriture bien supérieur au disque dur. Ces systèmes, encore coûteux et en développement aujourd hui seront sûrement les systèmes de stockage de demain. 8. Bibliographie Jourdan M., http://www.ctmsolutions.com/digitalmedia_les_doc_techniq.php?id=6. http://www.spectrosciences.com/spip.php?article86. Nozières J-P., http://www.neel.cnrs.fr/userfiles/file/physique_pour_tous/article_de_revue/ Reflets%20Nozieres%2018%20p_12-16.pdf. http://www.louisneel-centenaire.inpg.fr/img/pdf/6-fiche_enregistrement.pdf http://maximelev.free.fr/banniere/magn%e9tique.pdf http://www.vulgarisation-informatique.com/disque-dur.php http://www.pcguide.com/ref/hdd/op/heads/index.htm