Disques Durs — Composants du Temps D’accès et du Taux de Transfert de Données

Le temps d'accès et le débit de transfert des données sont des indicateurs de performance importants qui influent directement sur la rapidité avec laquelle votre système peut récupérer et traiter les données. Pour les utilisateurs, en particulier dans les environnements où la vitesse est essentielle, tels que les jeux, les vlogs ou l'informatique d'entreprise, il est essentiel de comprendre ces deux concepts.

• Temps d'accès : les disques durs comportent des pièces mécaniques mobiles. Après avoir reçu une commande de lecture/écriture, la tête de lecture/écriture doit se déplacer vers la piste souhaitée et attendre que le secteur souhaité passe sous elle. Le temps nécessaire à cette opération est appelé temps d'accès ou temps de réponse. Un temps d'accès plus court signifie une récupération plus rapide des données et est donc idéal pour les applications qui nécessitent un accès aléatoire rapide aux fichiers.
• Taux de transfert des données : il s'agit de la vitesse à laquelle les données sont effectivement transférées après l'accès. Cela influe sur la rapidité avec laquelle les fichiers sont lus ou écrits sur le disque dur et peut faire une différence significative dans les performances globales du système, en particulier lorsque vous travaillez avec des fichiers volumineux.

Pour bien comprendre pourquoi ces facteurs sont importants, il est essentiel de comprendre d'abord les composants internes des disques durs et leur mécanique. Ci-dessous, nous expliquons plus en détail ce qui se passe lors d'une demande de lecture ou d'écriture afin que vous puissiez comprendre les concepts fondamentaux qui déterminent les performances.

Le fonctionnement interne d'un disque dur

Lorsqu'une demande de lecture ou d'écriture de données est effectuée, le disque effectue une série d'opérations. Celles-ci peuvent être divisées en deux phases principales :

• Accès aux données : au cours de cette phase, la tête de lecture/écriture se déplace vers la piste appropriée (temps de recherche) et attend que le secteur souhaité passe sous la tête (latence de rotation).

• Transfert de données : une fois la phase d'accès aux données terminée, les données sont transférées vers ou depuis le disque dur à une vitesse spécifique. C'est là que le taux de transfert de données du disque devient crucial, car il détermine la vitesse à laquelle les données peuvent être transférées entre le disque dur et le système.

Ensemble, ces deux phases déterminent l'efficacité avec laquelle votre système peut lire ou écrire sur le disque dur. Cependant, avant d'examiner les taux de transfert de données, il est important de comprendre d'abord le temps d'accès, car le disque ne peut rien transférer avant d'avoir trouvé le secteur concerné.

Temps d'accès

Le temps d'accès englobe toutes les courtes périodes impliquées dans chaque étape de la phase d'accès aux données. Pour les utilisateurs, le temps d'accès est un indicateur important pour évaluer la rapidité avec laquelle un disque peut accéder à des données aléatoires. Les facteurs les plus importants pour le temps d'accès sont le temps de recherche et la latence de rotation. 

Il est important de comprendre que les fabricants calculent souvent le temps d'accès de manière différente, ce qui rend difficile la comparaison directe des disques. Pour comparer efficacement les disques, il est préférable de se concentrer individuellement sur le temps de recherche et la latence, car ce sont les principaux composants du temps d'accès.

Temps de recherche

Le temps de recherche est le temps nécessaire à la tête de lecture/écriture pour se déplacer entre les pistes du plateau du disque dur. Il est important de comprendre ici le concept de performance de positionnement. Il s'agit de la capacité d'un disque dur à positionner rapidement et précisément sa tête de lecture/écriture sur la bonne piste lors d'une opération de lecture ou d'écriture.

Lorsqu'un fichier est demandé, le disque dur doit déterminer sur quelle piste il se trouve, puis déplacer physiquement le bras de l'actionneur pour aligner la tête de lecture/écriture avec cette piste. Ce mouvement mécanique entraîne un retard, en particulier si la tête doit parcourir une distance relativement longue à la surface du disque.

La fiche technique d'un disque dur peut indiquer trois types de temps de recherche :

1. Temps de recherche moyen : temps nécessaire pour se déplacer entre des pistes aléatoires, généralement 8 à 10 ms.
2. Temps de recherche entre pistes : temps nécessaire pour se déplacer entre des pistes adjacentes, généralement environ 1 ms.
3. Temps de recherche sur toute la course : temps nécessaire pour se déplacer sur l'ensemble du disque dur, généralement 15 à 20 ms.

Le temps de recherche est essentiel, car même une légère amélioration peut augmenter considérablement les performances du système, en particulier dans les environnements serveurs exécutant des applications multi-utilisateurs.

L'ensemble actionneur et la conception de la tête de lecture/écriture jouent un rôle important dans la détermination du temps de recherche d'un disque dur.

Par exemple, les disques équipés d'actionneurs à bobine mobile peuvent accélérer et décélérer la tête de lecture/écriture avec plus de précision que ceux dotés d'anciennes conceptions de moteurs pas à pas. En plus, les courses courtes, où seule une partie du disque dur est utilisée pour le stockage afin de réduire la distance parcourue, peuvent réduire considérablement le temps de recherche moyen, mais au détriment de la capacité de stockage utilisable.

Une fois que la tête de lecture/écriture s'est alignée sur la bonne piste, un mouvement supplémentaire est nécessaire avant que les données puissent être lues ou écrites. C'est là qu'intervient la latence de rotation.

Latence de rotation

Comme expliqué précédemment, les données sont stockées en cercles concentriques sur le disque, appelés pistes. 

Chaque piste est divisée en unités plus petites, appelées secteurs, dans lesquelles les données réelles sont stockées. 

Lorsqu'un ordinateur demande l'accès ou le transfert de données, les têtes de lecture/écriture du disque dur se déplacent vers la piste appropriée. Le temps nécessaire pour effectuer cette opération correspond, comme nous l'avons vu précédemment, au temps de recherche. 

Le plateau d'un disque dur tourne désormais à une vitesse constante. Par conséquent, le secteur spécifique contenant les données demandées peut ne pas se trouver directement sous la tête de lecture/écriture lorsqu'elle atteint la piste. Il en résulte un délai égal au temps nécessaire au plateau pour tourner et aligner le secteur correct sous la tête. Ce délai est appelé latence de rotation.

La latence de rotation est faible pour les disques à rotation rapide, c'est-à-dire que plus la vitesse de rotation (mesurée en tr/min) est élevée, plus la latence de rotation est faible. Exemple :

• À 5 400 tr/min, la latence moyenne est d'environ 5,6 ms.
• À 7 200 tr/min, la latence moyenne chute à environ 4,2 ms.
• À 15 000 tr/min, elle peut être aussi faible que ~2 ms.

Dans certains cas où les performances de stockage sont très sollicitées, comme dans les serveurs, il est recommandé de choisir un disque dur avec une vitesse de rotation élevée afin que la latence de rotation soit faible.

Le temps d'accès comporte deux autres composantes, mais celles-ci sont négligeables par rapport au temps de recherche et à la latence de rotation.

Temps de traitement des commandes

Cette composante, également appelée « surcharge de commande », est la première étape de la phase d'accès aux données. Il s'agit du temps nécessaire aux composants électroniques internes du disque pour interpréter une commande de lecture/écriture, puis établir la communication entre le système et les composants, avant que tout mouvement physique n'ait lieu. 

Ce temps est extrêmement court, généralement de l'ordre de trois microsecondes, ce qui le rend négligeable par rapport aux délais mécaniques tels que le temps de recherche ou la latence de rotation. C'est pourquoi il est généralement ignoré lors de la mesure des performances du disque.

Temps de stabilisation

Une fois que la tête de lecture/écriture a atteint la bonne piste, elle doit se stabiliser avant de pouvoir commencer à lire ou à écrire des données. Cette brève pause est appelée temps de stabilisation. Dans les disques durs modernes, le temps de stabilisation est inférieur à 100 microsecondes. Par conséquent, pour la plupart des disques durs, ce temps est pris en compte dans le temps de recherche global lui-même. C'est pourquoi le temps de stabilisation n'est pas considéré comme un goulot d'étranglement en termes de performances.

Maintenant que nous avons abordé en détail le temps d'accès, nous devons examiner la vitesse à laquelle les données sont transférées une fois qu'elles ont été trouvées : il s'agit du taux de transfert des données. Examinons donc ce qui influence le taux de transfert des données et pourquoi il est important.

Taux de transfert des données

Une fois que la tête de lecture/écriture s'est positionnée correctement, la phase suivante commence : le transfert des données. Le débit de transfert des données dépend des facteurs énumérés ci-dessous.

Taux de transfert

Le débit du support est la vitesse à laquelle un disque dur peut lire des bits directement à la surface d'un plateau. Ce débit reflète la vitesse brute à laquelle les transitions magnétiques (qui représentent les données) peuvent être détectées et traitées par la tête de lecture/écriture pendant que le plateau tourne sous celle-ci.

Le taux de transfert est la base du débit interne d'un disque. Il indique la vitesse à laquelle le disque peut récupérer les données de son support physique avant que la mise en mémoire tampon ou le transfert lié à l'interface n'ait lieu. Pour cette raison, les performances peuvent varier même entre des disques ayant la même vitesse de rotation, en fonction de la densité de surface et de la conception interne.

Temps de surcharge du secteur

Pour comprendre cela, nous devons en savoir un peu plus sur le fonctionnement d'un secteur. 

Chaque secteur contient non seulement des données, mais également des informations supplémentaires qui aident le disque dur à gérer et à protéger ces données. Ainsi, lorsqu'une tête de lecture/écriture accède à un secteur, le disque dur effectue de nombreuses tâches. 

Certaines de ces tâches y compris gérer l'organisation et le flux de données, s'assurer que les données lues ou écrites sont exactes et exemptes d'erreurs, et administratif d'autres processus internes essentiels au maintien de la fiabilité du disque. 

Le temps de surcharge du secteur est le peu de temps supplémentaire nécessaire au disque dur pour gérer et traiter les informations relatives aux données stockées dans un secteur. Il ne représente qu'une très petite partie du temps total nécessaire au transfert des données. 

Il est généralement bien inférieur au temps de recherche expliqué ci-dessus.

Temps de changement de tête

Pour comprendre le temps de changement de tête, nous devons d'abord comprendre la signification d'un cylindre. 

Un disque dur se compose généralement de plusieurs plateaux. Un cylindre est créé en empilant verticalement une série de pistes sur plusieurs plateaux (voir figure ci-dessous).

Chaque plateau possède sa propre tête de lecture/écriture. 

Imaginez maintenant une opération de lecture ou d'écriture séquentielle. Le disque tente de lire ou d'écrire toutes les pistes d'un cylindre avant de passer au cylindre suivant. Cela permet de gagner du temps. 

Pour accéder aux données d'une autre piste du même cylindre située dans un autre bureau, le disque doit bien sûr passer d'une tête à l'autre. Bien qu'il s'agisse d'un processus électronique et non d'un mouvement mécanique, cela prend tout de même un certain temps, appelé temps de changement de tête. 

Ce temps est généralement compris entre 1 et 2 millisecondes. 

Le temps de commutation de tête est un facteur crucial pour le débit de transfert des données, car les commutations de tête se produisent souvent lors d'opérations de lecture ou d'écriture séquentielles importantes qui couvrent plusieurs pistes. 

Le temps de commutation de la tête est principalement déterminé par le contrôleur à l'intérieur du disque dur et ne varie pas de manière significative entre les différents modèles ou fabricants de disques durs.

Temps de commutation des cylindres

La compréhension du temps de recherche de la tête simplifie le concept de temps de recherche du cylindre. Il s'agit du temps nécessaire au disque dur pour passer d'un cylindre à l'autre. 

Ce temps devient pertinent lorsque le disque doit lire toutes les pistes d'un cylindre, puis changer de cylindre. Ce temps est plus long que le temps de commutation de la tête, car il s'agit d'un processus mécanique : l'actionneur doit se déplacer d'un cylindre à l'autre. Le temps de commutation des cylindres est généralement compris entre 2 et 3 millisecondes.

Conclusion

Le temps d'accès et le taux de transfert des données sont deux des paramètres les plus importants d'un disque dur.

• Pour les disques durs internes d'une vitesse de 7 200 tr/min, le temps d'accès moyen est compris entre 12 et 13 millisecondes, en particulier pour les modèles populaires tels que WD Blue (WD10EZEX) ou Seagate Barracuda. 
• Pour les disques durs externes à 5400 tr/min, le temps d'accès peut être compris entre 15 et 17 millisecondes, comme c'est le cas par exemple avec le WD My Passport ou le Toshiba Canvio.
• En règle générale, le taux de transfert de données des disques pour PC grand public se situe entre 140 et 280 Mo/s, comme c'est le cas pour le Toshiba P300 ou le WD Blue. 
• Il existe des disques durs haute performance tels que le WD Black Performance Mobile ou le Toshiba N300 NAS, dont la vitesse de transfert de données peut être comprise entre 227 et 248 Mo/s. 
• Pour les disques externes connectés via USB 3.2, la vitesse de transfert peut théoriquement atteindre 625 Mo/s, bien que les vitesses réelles soient inférieures.

Veuillez noter que les temps d'accès et les taux de transfert de données sont importants, mais qu'ils ne constituent qu'une partie du tableau d'ensemble. Par conséquent, vous devez également tenir compte d'autres spécifications des disques durs, telles que la densité de surface, la consommation d'énergie, la fiabilité et d'autres facteurs avant de faire un achat.