Supporto di memorizzazione dati per eccellenza, il disco rigido « meccanico » è tuttavia poco conosciuto dal grande pubblico, nonostante il fatto che tutti i dati informatici mondiali siano memorizzati su questi supporti.

Un po' di storia

Il primo disco rigido, l'IBM 350, fu commercializzato nel 1956 e venduto in più di un migliaio di esemplari in meno di 5 anni, per un prezzo di 50 ‘000 $. Tenendo conto dell'aumento del costo della vita, questo disco rigido si venderebbe attualmente a più di 450’000 $. Questo mostro pesava comunque più di una tonnellata e conteneva più di 50 piatti di 60 cm di diametro per una sola testina di lettura/scrittura. Questa testina si spostava di piatto in piatto. La capacità di memorizzazione era di 5 MB, ovvero la dimensione di una semplice foto JPEG di oggi.

Questa tecnica di memorizzazione esiste quindi da più di 60 anni ! Il principio di base si è evoluto poco, ma la miniaturizzazione ha ovviamente ridotto le dimensioni fisiche e aumentato la capacità di memorizzazione di oltre 800.000 volte. In questo articolo, spiegherò sommariamente il funzionamento di un disco rigido meccanico.

 I piatti

L'informazione digitale è memorizzata sotto forma di 0 o di 1. Per memorizzare questo stato, i dischi rigidi utilizzano il magnetismo come elemento di memorizzazione. Un disco rigido possiede dei piatti. Ogni piatto possiede due facce magnetizzate (una sopra e l'altra sotto). È su queste facce magnetiche che saranno memorizzati i dati dell'utente, sotto forma di 0 o di 1 in funzione della polarità magnetica. I dati utente non sono le uniche informazioni che vengono memorizzate su queste facce, come vedremo più avanti. Va da sé che più la densità di « bit magnetici » su un piatto è importante, più grande sarà quindi la capacità di memorizzazione. È una delle grandi evoluzioni rispetto al primo disco rigido di IBM.

Le testine di lettura / scrittura

Per poter leggere o scrivere l'orientamento di questi bit magnetici, quindi sapere se è 0 o 1, le testine di lettura/scrittura (una su ogni faccia) sono montate su una sorta di braccio che si sposta sopra la superficie dei piatti. Tutte le testine si spostano quindi contemporaneamente, il che permette al disco rigido di leggere i dati presenti su tutti i piatti contemporaneamente.

 La rotazione dei piatti

I piatti sono messi in rotazione a una velocità compresa tra 5’000 e 15’000 giri al minuto a seconda dei dischi rigidi. Questa rotazione dei piatti è molto importante. Come abbiamo visto, ciò permette alle testine di lettura di accedere all'insieme del contenuto dei piatti, poiché queste testine si spostano solo su un asse. Più la velocità di rotazione è elevata, più le testine percorrono una quantità importante di bit magnetici per una stessa durata. Inoltre, l'attrito dei piatti con l'aria contenuta nel disco rigido, aria che è esente da polvere, permette di creare un « vento » sulla superficie del piatto. Grazie a questo vento, le testine di lettura che possiedono un «slider» di circa 1,5 mm, o se preferite un aeroglisciatore, sorvolano veramente i piatti.

Le testine non devono mai toccare i piatti, altrimenti verrebbero distrutte e danneggerebbero irrimediabilmente la superficie magnetica. La distanza di sorvolo delle testine rispetto alla superficie dei piatti di un disco rigido recente è di circa 7 nanometri, ovvero approssimativamente 12 000 volte più piccola di un capello umano. La dimensione di una testina di lettura/scrittura non è molto più grande, poiché si parla di più o meno 10 nanometri. È il frutto della miniaturizzazione.

La scheda elettronica

Il disco rigido possiede una scheda elettronica che permette, ad esempio, di coordinare lo spostamento delle testine di lettura, di gestire la rotazione dei piatti o ancora di poter connettere il disco rigido al computer. Su questa scheda elettronica, si ritroverà principalmente un « controllore motore » per la rotazione dei piatti, un « controllore di testine » e un « controllore SATA » per la connessione con il computer. Tutto questo piccolo mondo è cadenzato con un orologio al quarzo.

Come forse avrete intuito, ogni controllore gestisce in modo autonomo un elemento preciso (motore, testine, ecc.). Questi controllori possiedono il proprio microprogramma chiamato firmware in inglese. Anche il disco rigido ha il proprio microprogramma che gli permette di sapere, ad esempio, come e dove sono memorizzati i dati sulle superfici dei piatti.

 Strutturazione dei dati

Come abbiamo visto, i piatti possiedono dei bit magnetici che registrano i vostri dati, ma non solo. Infatti, come può il microprogramma essere certo che i dati provenienti dalle testine di lettura siano quelli che ha richiesto? Ebbene, grazie all'aiuto di altri bit magnetici « che circondano » dei blocchi di bit di informazioni. Grosso modo, ciò permette al microprogramma di sapere se le testine sono all'indirizzo giusto. Inoltre, altri bit permettono di sapere se l'informazione è stata letta senza errori. I dati sono quindi principalmente strutturati in tracce e settori sui piatti che formano l'indirizzo del dato. Meccanicamente parlando, il posizionamento esatto delle testine sopra i dati da leggere o da scrivere richiede molto tempo. Da qui una velocità minore rispetto a un SSD il cui accesso è elettrico. Più la frammentazione dei file è importante, più le testine di lettura devono accedere a posizioni diverse e quindi impiegare tempo per posizionarsi. È la ragione per cui una deframmentazione dei dati permette di guadagnare in rapidità riducendo il numero di riposizionamenti.

 Il microprogramma

Solo l'1% del microprogramma del disco rigido si trova nella scheda elettronica. L'infimo percentuale memorizzata su quest'ultima permette alle testine di leggere il 99% restante che si trova sui piatti in una zona riservata e non accessibile all'utente. La ragione di questa scelta ? I microprogrammi attuali hanno una dimensione media di 100 MB. Se la memorizzazione del microprogramma avvenisse sulla scheda elettronica, il prezzo di quest'ultima esploderebbe. Inoltre, ci sarebbero grossi problemi di affidabilità dovuti ai numerosi accessi in scrittura per la tabella SMART, ad esempio.

Disfunzionamento

Perché un disco rigido non funziona più? I problemi possono essere molteplici. Ad esempio, se una testina di lettura non funziona più, l'accesso al microprogramma non può più avvenire e quindi il disco rigido non può inizializzarsi. Un disco che non è inizializzato è un disco rigido che non è «visibile» dal vostro computer. Idem se il microprogramma è corrotto o se la superficie che lo contiene è danneggiata.

Un rumore di « clac-clac-clac » proveniente dal disco rigido, non è quindi necessariamente sempre un problema di testine. Questo rumore proviene in realtà dal braccio che supporta le testine, che torna alla sua posizione di riposo, ciò allo scopo di poter ripartire «meglio calibrato» per un nuovo tentativo di lettura del microprogramma.

 Il futuro dei dischi rigidi

I dischi rigidi meccanici hanno ancora dei bei giorni da vivere. Fino al 2006, i bit di informazioni erano posati «piatti» sui piatti. Occupavano quindi spazio. Dal 2006, i bit sono messi verticalmente e quindi occupano meno spazio.

Se i costruttori vogliono aumentare il numero di bit per cm2 sulle superfici magnetiche, dovranno miniaturizzarli ancora di più. Nondimeno, un problema appare durante la scrittura. Infatti, c'è un rischio importante che la testina di lettura « inverta la polarità » di un bit magnetico vicino troppo vicino, il che è molto problematico. Per risolvere questo problema, i fabbricanti stanno attualmente lavorando all'elaborazione di un laser che riscalderebbe brevemente i bit da scrivere. Infatti, un bit riscaldato ha bisogno di un campo magnetico meno potente per invertire la sua polarità, quindi meno rischio di vedere anche il suo vicino cambiare stato.

Il futuro del disco rigido passerà quindi attraverso il laser….