Une évolution considérable des stockages de données

 

 

 

Une évolution considérable des stockages des données

 

Jennifer Zibette | 02/11/2019

Résumé

De nos jours, au XXIème siècle, c’est la révolution du numérique. Notre génération produit de plus en plus de données grâce à l’informatique, et il est de plus en plus difficile de stocker ce flux de données. Ce flux ne cessant d’augmenter, il est donc obligatoire d’améliorer les capacités de stockage et les technologies associées.

Dans un premier temps, nous allons bien définir ce qu’est la donnée. Puis, nous expliquerons le stockage de données avant l’ère du numérique, et quels ont été les premiers signes écrits et sur quels supports : roche, bois, argile jusqu’à la naissance du papier. Ensuite, nous parlerons de l’apparition d’une nouvelle technologie de stockage de données au XIXème siècle : le stockage de masse. Pour répondre à la problématique de volume, des solutions automatisées sont nées et ont été perfectionnées.  Le stockage de données numériques est l’ensemble des méthodes et technologies permettant d’entreposer et de conserver les informations numériques. Nous verrons par la suite l’évolution des différents supports pour répondre à l’explosion du nombre de données à enregistrer.

Dans une deuxième partie, nous énumèrerons les différents supports numériques par ordre chronologique, c’est-à-dire du plus ancien au plus récent pour que l’évolution des supports de stockage de données soit frappante (de la carte perforée à la carte mémoire). Nous les avons classés par groupe : supports physiques, supports magnétiques, supports optiques et enfin les supports flash.

Dans une troisième partie, nous verrons les différentes localisations possibles de support de stockage : local, distant, data center ou Cloud.

Dans une quatrième partie, nous ferons une prospective à long terme des alternatives et du futur des stockages de données. Comme dit précédemment, le volume généré par l’humanité est en pleine explosion. Il est donc important de chercher des potentielles solutions de stockages de données pour le futur. Nous en avons détaillé trois en particulier : l’ADN, le quartz et la mémoire holographique. Nous expliquerons les limites et les avantages de ce type de stockage ainsi que leur fonctionnement.

Dans la dernière partie, nous conclurons que les technologies actuelles vont finir par être dépassées et que des alternatives futures doivent être envisagées. Seuls les futurs supports de stockage pourront faire face à ce volume important de données. Dans ce dossier nous avons présenté trois alternatives possibles, mais seront-elles les solutions du futur ?

 

 

Table des figures

Figure 1: Peinture rupestre sur pierre. 7

Figure 2 : Représentation d'une carte perforée. 9

Figure 3 : Deuxième exemple d'une carte perforée. 9

Figure 4 : Exemple de ruban perforé. 10

Figure 5 : Photo d'une bande magnétique. 11

Figure 6 : Photo d'une cassette. 12

 

Figure 7 : Schéma d'un disque dur 13

Figure 8 : Tableau descriptif de l'évolution des capacités de stockage des disques durs 13

Figure 9 : Schéma descriptif d'une disquette. 14

Figure 10 : Photo d'un Laserdisc. 15

Figure 11 : Photo d'un CD.. 16

 

Figure 12 : Schéma d'une coupe d'un CD.. 17

Figure 13 : Une coupe de DVD.. 18

Figure 14 : Image de Blu-ray. 19

Figure 15 : Structure d'un M-disc. 20

Figure 16 : Photo d'un disque magnéto-optique. 21

 

Figure 17 : Photo d'un SSD Samsung. 22

Figure 18 : Photo d'un SSD nouvelle génération Samsung. 23

Figure 19 : Photo d'une carte SD SanDisk. 23

Figure 20 : Photo d'un centre de données. 25

Figure 21 : Représentation d'un bran d'ADN et d'une écriture binaire. 26

Figure 22 : Photo d'une gravure sur du Quartz. 27

Figure 23 : Schéma du principe de l'écriture holographique. 29

 

Table des matières

Résumé. 1

 

Table des figures. 2

Table des matières. 3

  1. Introduction. 5
  2. Présentation des définitions du stockage des données. 5
  3. Définition de la donnée. 5
  4. Le stockage des données avant l’ère de masse. 6
  5. Le stockage de masse. 7

III.        L’évolution des supports de stockage de masse. 8

  1. 1ère génération : Les supports physiques. 8
  2. Les différents supports. 8
  3. Carte perforée. 8
  4. Ruban perforé. 10
  5. 2ème génération : Le support magnétique. 11
  6. Les différents supports. 11
  7. La bande magnétique. 11
  8. Les cassettes. 12

iii.    Les disques durs. 12

  1. La disquette. 14
  2. 3ème génération : Les supports optiques. 15
  3. Les différents supports. 15
  4. Laserdisc. 15
  5. CD.. 16

iii.    DVD.. 17

  1. Blu-ray. 18
  2. M-disc. 19
  3. Le stockage magnéto-optique. 20
  4. 4ème génération : Les supports flash. 21
  5. Les différents supports. 22
  6. Les disques électroniques : SSD.. 22
  7. Les cartes mémoires. 23
  8. La localisation des supports de stockage. 23
  9. Locale. 24
  10. Distante. 24
  11. Data Center 24
  12. Cloud. 25
  13. Les alternatives et le futur du stockage des données. 26
  14. ADN (acide désoxyribonucléique), le stockage du futur 26
  15. Quartz, une alternative future. 27
  16. La mémoire holographique. 28
  17. Conclusion. 29

VII.      Références. 30

 

 

 

     I.          Introduction

Depuis la nuit des temps, l’humanité a toujours laissé des traces derrière elle, de manière volontaire ou involontaire. Nous retrouvons aujourd’hui des ossements de dinosaures fossilisés, qui nous permettent de comprendre la vie d’il y a plusieurs millions d’années. Ces traces sont essentielles pour comprendre, analyser et transmettre aux autres : ce sont des informations, des données. Mais comment stocker ces données ?

Les premiers signes datent d’il y a plusieurs dizaines de milliers d’années, mais les premières formes d’écriture significatives apparaissent vers -10 000 A. JC, on l’appelle l’art rupestre. C’est un ensemble d’œuvre d’art réalisées par l’Homme sur des rochers. Celle-ci occupe une part majeure dans l'art préhistorique. Nous avons encore aujourd’hui quelques vestiges de ces écritures comme les Grottes deLascaux, Combarelles ou encore de Font de Gaume. Ces gravures ont été pour eux un moyen de communication pour transmettre leur savoir aux futures générations. Notamment pour retracer le vécu de l’histoire de l’Homme et son environnement. Les techniques de représentation des informations n’ont pas cessé d’évoluer en passant par un ensemble de formats et de supports.

De nos jours, au XXIème siècle, c’est la révolution du numérique. Notre génération produit de plus en plus de données grâce à l’informatique, et il est de plus en plus difficile de stocker ce flux de données. Ce flux ne cessant d’augmenter, il est donc obligatoire d’améliorer les capacités de stockage et les technologies associées.

Dans ce document, nous définirons dans un premier temps ce qu’est la donnée et son stockage avant l’ère de l’informatique et de nos jours, puis nous passerons en revue l’évolution des différents types de supports de stockage avant de parler de leurs localisations physiques. Nous parlerons ensuite des alternatives et des potentielles futures solutions pour permettre de stocker toujours plus de données, et nous finirons sur une conclusion.

  II.          Présentation des définitions du stockage des données

Dans ce chapitre, nous allons expliquer ce qu’est la donnée, puis quelles sont les différences entre les stockages des données avant l’informatique et celles des stockages numériques.

1.     Définition de la donnée

La donnée est compliquée à définir, car elle est la représentation d’une information. Elle peut définir un fait, une description, une action, un objet ou tout autre chose qui est matérielle ou immatérielle. La donnée peut donc être qualitative, quantitative, catégorielle mais aura toujours un but d’information et de représentation.

Les objectifs des données sont la possibilité de traiter des informations à travers des outils comme l’informatique, mais aussi la possibilité de les stocker afin de les transmettre aux générations futures.

Au XXIème siècle, nous sommes dans l’ère de la donnée, il y a maintenant une multitude de systèmes générant et récupérant les données du monde entier. La donnée est considérée comme le nouvel ‘Or noir’. Un nouveau business est né des sociétés qui se basent sur ces données pour générer des profits. Traiter de la donnée est un art, mais encore faut-il pouvoir la sauvegarder. Dans la prochaine section, nous vous présenterons le stockage des données avant l’ère de l’informatique.

2.     Le stockage des données avant l’ère de masse

Avant l’informatique, les plus anciens systèmes de signes démontrent que l’histoire de l’écriture ne peut pas être retracée comme un parcours idéal allant de la pictographie à l’écriture alphabétique.

Nous avons plusieurs exemples d’objets trouvés qui peuvent être caractérisé comme du stockage de données. Par exemple, des archéologues ont trouvé il y a plus de 100 ans, des pièces osseuses portant des séries d’incisions dans des gisements du Paléolithique supérieur français, les archéologues ont proposé un grand nombre d’hypothèses pour interpréter ces objets : ils seraient des «marques de chasse» (des marques rappelant le nombre de proies tuées), des moyens pour se souvenir de chansons, des indications du nombre de personnes participant à une cérémonie ou même des systèmes de notation ou de calcul.

Un peu d’histoire et quelques dates clés pour expliquer l’évolution des supports des données avant l’informatique :

  • Roche, bois et l’argile : Les premiers signes ont été écrit par l’Homme des cavernes sur ces supports il y a des dizaines de milliers d’années, mais se sont fortement développées vers -4000 av J-C.

Figure 1: Peinture rupestre sur pierre

  • Le papyrus : avec les Égyptiens apparaît ce nouveau support, celui-ci est extrait d’un roseau du Nil il y a près de 5000 ans soit l’an -3 000 av. JC.
  • Le parchemin : Successeur du papyrus au IIème siècle avant J.C, est un nouveau support d’écriture mais peut aussi être utilisé en peinture, reliure, il est utilisé jusqu'au VIIème siècle.
  • Le papier : L’invention de la fabrication artisanale du papier est traditionnellement attribuée à Cai Lun au début du IIème siècle mais des archéologues ont découvert des échantillons de papier apportant la preuve que du papier fait à la main était en circulation un ou deux siècles avant Jésus-Christ. Les technologies papetières n’ont cessé d'évoluer, contribuant au développement de l'industrie et de la diffusion des connaissances. La démocratisation des livres utilisant le papier résulte d'une suite d'innovations technologiques, commerciales et esthétiques qui ont permis d'améliorer la transmission des idées, l'accès à l'information, la conservation des textes, la portabilité et le coût de production.

Face à l’augmentation du nombre de données au XIXème siècle, une nouvelle technologie de stockage est née : le stockage de masse. Dans la partie suivante nous allons parler du stockage numérique.

3.     Le stockage de masse

L’objectif est de stocker de large volume de données, chose qu’il n’est pas possible de faire sur du papier, ou sur des toiles de peinture. Pour répondre à la problématique de volume, des solutions automatisées sont nées et ont été perfectionnées.  Le stockage de données numériques est l’ensemble des méthodes et technologies permettant d’entreposer et de conserver les informations numériques. Les données sont stockées de manière représentée avec du binaire (des 0 et des 1). Les informations sont donc transformées pour pouvoir être enregistrer uniquement avec des 0 et des 1. Les valeurs binaires sont plus faciles à enregistrer car elles peuvent être représentées par un signal électrique, sonore, physique etc. c’est la manière la plus simple pour représenter quelque chose.

Généralement nous jugeons de la performance d’un outil de stockage par sa vitesse d’écriture et de lecture des données sur le support, ainsi que la capacité (ou le volume) que le support est capable d’enregistrer. Il ne faut pas oublier que certains supports extrêmement performants ne sont pas viable car trop coûteux avec les technologies actuelles, et d’autre très performant mais avec une pérennité trop faible. Nous verrons par la suite l’évolution des différents supports pour répondre à l’explosion du nombre de données à enregistrer.

III.          L’évolution des supports de stockage de masse

Dans cette partie, nous allons expliquer tous les différents types de stockage allant des supports physiques jusqu’aux supports flash. L'objectif de ces supports est de stocker une grande quantité d’informations à plus ou moins long terme.

1.     1ère génération : Les supports physiques

Ce sont des morceaux de papiers rigides ou flexibles, qui contiennent des informations, retranscrites par la présence ou l’absence de trou. L'enchaînement des trous ou d’absence de trou matérialise l’information. Il faut savoir que ces supports sont obsolètes depuis la fin des années 1990. Dans ce chapitre, nous présenterons les deux principaux supports physiques.

a.     Les différents supports

La carte perforée puis le ruban perforé ont été les premiers supports d’entrée et de sortie mais aussi les premières mémoires de masse utilisées dans l’informatique. Nous développerons ces deux techniques ci-dessous.

       i.          Carte perforée

Une carte perforée est un morceau de papier rigide qui contient des informations représentées par la présence ou l'absence de trou dans une position donnée. Certaines machines demandent que les cartes soient reliées entre elles, représentant ainsi l’équivalent d'un ruban de papier.

Figure 2 : Représentation d'une carte perforée

En 1725, Basile Bouchon invente le concept de carte perforée dont la première vie se fera dans les orgues de barbarie.

Dès 1728, des cartes perforées reliées entre elles viennent remplacer les rubans papier (plus fragiles) utilisés jusque-là dans les métiers à tisser. La carte perforée avait pour avantage d’être moins fragile. Cependant, elle reste plus volumineuse et moins facile à ordonner que le ruban.  Jacquard perfectionne le système en 1801, ce qui vaudra à ses métiers à tisser d’être adoptés dans le monde entier.

Le principe d’utilisation de la carte perforée est la lecture colonne par colonne d’un automate, si des lignes ont été perforées. Chaque ligne représente une valeur. Chaque colonne représente une itération de l’automate. Le fait de faire un trou dans une ligne et dans une colonne permet de dire à l’automate de prendre cette valeur à l’itération courante. Voici un exemple ci-dessous.

Figure 3 : Deuxième exemple d'une carte perforée

 

Dans cet exemple, si nous regardons à partir de la colonne 3, la valeur de la colonne 3 est 0, la valeur de la colonne 4 est 0 puis 0 et 5 pour la colonne 6.

On se servait, par exemple, des cartes perforées pour :

  • Des bulletins de salaires
  • Des calculs et statistiques

     ii.          Ruban perforé

Le ruban perforé est un long ruban de papier souple et semi-rigide, percé de trous circulaires disposés dans le sens de la largeur. Ces trous, disposés de façon normalisée, permettent d'encoder des valeurs sur un octet, soit sur 8 bits.

 

Figure 4 : Exemple de ruban perforé

Le ruban va être lu par sa largeur, par ligne (contrairement à la carte perforée qui est par colonne) afin que soit interprété la valeur sur les 8 bits. Si nous voulons stocker la valeur 3 sur le ruban, il faut le convertir en binaire sur 8 bits, soit 00000011. Nous trouverons donc deux trous sur la partie la plus à droite du ruban.

Parmi les utilisations de ce support, l’un d’entre eux a était un moyen de communication entre les puissances pendant la période de la Guerre Froide, connu sous le nom du « téléphone rouge ». Pendant cette période d’espionnage, il était nécessaire d’échanger en toute sécurité les messages dans un système d’échange sûr. Ce système d’échange sûr était basé sur la cryptographie et utiliser les combinaisons sur le ruban pour encrypter les données. Il était nécessaire d’avoir un ruban identique à l’envoi et à la réception du message pour pouvoir avoir les informations en clair.

Comparé à la carte perforée, le ruban a pour avantage d’être moins volumineux et d’être plus facile à ordonner et à ranger. A contrario, son principal inconvénient est qu’il se fragilise au fil des modifications. En effet, chaque modification comme le rajout d’une information, nécessite de couper et/ou de coller un morceau de ruban.

2.     2ème génération : Le support magnétique

Dans ce chapitre nous allons détailler le support magnétique, avec son principe, ses avantages et ses inconvénients, les principales solutions de stockage qui utilise ce principe et une petite conclusion.

Le support magnétique désigne un composant pouvant garder en mémoire le sens magnétique généré par une tête de lecture ou d’écriture. Le principe du support magnétique a été appliqué en 1888 par Oberlin Smith qui invente l’enregistrement magnétique sur fil et l’ingénieur danois Valdemar Poulsen en 1898.

a.     Les différents supports

Les trois principales technologies qui ont été développées se basant sur le principe du support magnétiques sont les cassettes, les disques durs et la disquette, nous les présentons ci-dessous.

       i.          La bande magnétique

La bande magnétique, s’est quant à elle développée en 1928 en Allemagne par Fritz Pfleumer pour de l’enregistrement sonore. Développée dans le début du XXème siècle, elle est très répandue dans le domaine du stockage, dans un premier temps pour stocker des enregistrements sonores, elle a rapidement été perfectionnée pour pouvoir enregistrer des informations analogiques et numériques et permettre leurs lectures, par exemple à l’aide d’un magnétophone pour les signaux audio, et d’un magnétoscope pour les signaux vidéo.

 

Figure 5 : Photo d'une bande magnétique

Les informations sont stockées sur la bande magnétique par une tête d’écriture qui change l’orientation des particules magnétiques (de l’oxyde de fer) qui se trouvent sur la bande. De la même manière, la tête de lecture s’occupera uniquement de parcourir la bande et de regarder l’état de l’orientation de l’aimantation des particules sur la bande.

     ii.          Les cassettes

Les cassettes ont pris plusieurs formats pour pouvoir stocker plus ou moins de données. Il s’agit d’une structure métallique ou plastique qui englobe une bande magnétique. La première version de la cassette a permis d’enregistrer des sons, puis s’est développée pour pouvoir enregistrer des images puis des films.

Figure 6 : Photo d'une cassette

   iii.          Les disques durs

Inventé en 1956, le disque dur diffère des bandes magnétiques ou des évolutions de la bande magnétique (cassette par exemple) car il utilise le principe d’un disque magnétique tournant. La tête d’écriture va magnétiser le disque en aluminium. Le disque est appelé un plateau. Dans un disque dur, il peut avoir plusieurs plateaux pour augmenter le nombre de données pouvant y être écrites (il y aura une tête de lecture et d’écriture par plateau). Plus la tête d’écriture est précise, plus il est possible d’enregistrer des données sur le support. Sur le même principe, plus disque tourne vite et permet l’écriture de données, plus les temps d’écriture seront courts. On retiendra donc qu’il a une capacité de stockage qui est supérieur et des performances plus grandes par rapport à ses concurrents (la bande magnétique).

Figure 7 : Schéma d'un disque dur

Le disque dur a été démocratisé avec l’informatique, et n’a cessé d’évoluer pour encore être utilisé aujourd’hui. Voici l’historique des évolutions des disques sur depuis 1956 à aujourd’hui :

Figure 8 : Tableau descriptif de l'évolution des capacités de stockage des disques durs

Le principal concurrent du disque dur à l’heure actuelle est le SSD (Solid State Drive). Nous le présenterons dans la partie des technologies Flash.

    iv.          La disquette

Cette solution a été développée par IBM en 1967. La disquette en opposition avec le disque dur est composée d’un disque magnétique souple. C’est la raison pour laquelle on l’appelle aussi disque souple. Elle est composée d’un disque de plastique souple, sur lequel est apposé un substrat magnétique. Ce disque magnétique est protégé par une coque en plastique rigide. La première version de la disquette permettait de stocker l’équivalent de 80 000 caractères. Cette solution est devenue obsolète dans les années 2000 avec l’apparition des clés USB, internet et les CD.

 

 

Figure 9 : Schéma descriptif d'une disquette

Voici une description des éléments de la disquette ci-dessus :

  1. Trou indiquant une disquette grande capacité
  2. Disque d’entraînement
  3. Volet de protection amovible
  4. Coque en plastique
  5. Disque en papier ou en tissu doux
  6. Disque magnétique
  7. Secteur d’une piste

3.   3ème génération : Les supports optiques

Le disque optique est un support en polycarbonate recouvert d'une fiche couche d'aluminium (ou d'or pour les plus évolués).

Un rayon laser permet de lire les données (numériques) gravées sous forme de minuscules alvéoles alors que le disque est entraîné en rotation.

Ces supports étaient en lecture seule, car ils ont été utilisés en premier lieu comme support pour de la musique enregistrée.

Récemment, de nouveaux matériaux et des lasers plus évolués ont permis de fabriquer des disques optiques enregistrables et réenregistrables.

a.     Les différents supports

Les six principaux supports qui ont été développées se basant sur le principe du support optique sont le Laserdisc, le CD, le DVD, le Blu-ray, le M-disc, et le stockages magnéto optique. Nous les présentons ci-dessous.

       i.          Laserdisc

Le Laserdisc un est support optique analogique. C’est un support de stockage ayant un diamètre de 30 cm. Pouvant contenir du son, des vidéos analogiques ou numérique.

Figure 10 : Photo d'un Laserdisc

Le Laserdisc fût inventé dans les années 1950, puis fut repris par la société Philips dans les années 1969. Il a été par la suite développé pour une conservation d’image et de vidéo. Le Laserdisc a été présenté au public dans les années 1972 et la commercialisation du support débuta dans les années 1978 origine conçue pour conserver les données informatiques. Le Laserdisc a ouvert la voie au DVD, dont le marché est cent fois plus important. Ce support pouvait enregistrer 30 à 60 minutes par face. Il est connu pour sa meilleure qualité d’image et de son par rapport aux cassettes VHS.

De plus, la durée de vie du Laserdisc était supérieure à celle de la cassette VHS. Celle-ci semble être causée par la tête de lecture optique et non magnétique.

Il existe deux modes d’enregistrements :

  • Constant Angular Velocity (CAV) : Si l'enregistrement a été réalisé en Vitesse Angulaire Constante, la vitesse de rotation du disque est identique quel que soit l'emplacement de la lentille sur le disque. Une image entière occupe exactement un tour du disque. Cela permet un arrêt sur image, un ralenti ou un accéléré impeccable. La durée d'enregistrement est limitée à trente minutes par face environ. Ce format n'a été que peu utilisé en France, et souvent avec parcimonie en raison de son coût de production élevé.
  • Constant Liner Velocity (CLV) : En Vitesse Linéaire Constante, plus la lentille se dirige vers l'extérieur du disque et plus la vitesse de rotation décroît (comme les CD & DVD). Cela permet de stocker davantage d'informations, puisque la circonférence extérieure d'un Laserdisc est plus de deux fois supérieure à sa circonférence intérieure. Une face en CLV peut ainsi stocker une heure d'enregistrement, soit le double d'une face en CAV.

Toutefois, le CLV perd les fonctionnalités d'arrêt sur image et d'avance pas à pas.

     ii.          CD

Un disque compact à un diamètre externe de 120 mm pour une épaisseur de 1,2mm.  Il est percé d’un trou central de 15mm.

Figure 11 : Photo d'un CD

Il est constitué de trois couches : un support en polycarbonate (plastique transparent résistant) sur lequel est déposé une fine couche transparente d'aluminium. Cette couche est-elle même protégée des rayures et de l’oxydation par une laque protectrice, sur laquelle peut être imprimée une étiquette.

Les informations sont enregistrées au niveau de la couche métallique sous forme de cuvette (pits), d’une certaine profondeur, gravées le long d’une spirale, située dans la zone centrale. Les informations sont arrangées en spirale du centre vers l’extérieur du CD.

Figure 12 : Schéma d'une coupe d'un CD

Le disque compact est inventé par les firmes Sony Corporation et Philips. Les premiers CD furent commercialisés en 1979.

Le CD est un support optique qui présente plusieurs avantages par rapport aux autres supports :

  • Absence d’usure due à la lecture (la lecture optique supprime le contact mécanique et donc l’altération du support par frottement.
  • Bonne qualité de reproduction sonore
  • Augmentation de la durée d'écoute en moyenne d'une fois et demi par rapport à un 33 tours
  • Réduction totale du bruit de fond
  • Disque beaucoup plus petit, léger
  • Possibilité d'un meilleur spectre sonore des fréquences graves et aiguës allant de 20 Hz jusqu'à 22 kHz
  • Accessibilité directe au début de chaque plage, affichage du minutage et lecture accélérée possible

   iii.          DVD

Le DVD (Digital Versatile Disc) est un disque optique utilisé pour la sauvegarde et le stockage de données sous forme numérique. C’est le support numérique le plus répandu dans le monde et de ce fait le successeur de la vidéocassette, du Laserdisc et du CD.

Il a été développé par Philips, Sony, Toshiba et Panasonic. Les premiers lecteurs DVD sont commercialisés au Japon en 1996 et en 1998 en France et aux Etats-Unis.

Le DVD à fait concurrence à la cassette VHS pour plusieurs raisons :

  • Facile d’utilisation ; pas de rembobinage nécessaire
  • Accès aux sous titrages et aux différentes langues
  • Accès à un point précis du film
  • Qualité de l’image supérieure
  • Stockage de données plus importante (X7)

En France, le DVD a marqué le début d’une nouvelle ère dans le cinéma à la maison.

Nous allons maintenant voir les principes et les spécificités techniques du DVD. Le DVD exploite un support semblable à celui du CD puisque ses dimensions sont les mêmes (disque de 120 mm de diamètre ou une version mini de 80 mm). Toutefois, les principales différences techniques concernent d’une part la densité / capacité de stockage-enregistrement et d’autre part, les procédés et traitements numériques (logiciels) pour leur sauvegarde. Le laser DVD exploite une longueur d’onde de 635 ou de 650 nm d'une puissance de 100 à 200 mW, pour une ouverture numérique de 0,60, ce qui procure un écart de piste de 740 nm et une longueur minimale d’alvéole de 400 nm, le diamètre du faisceau laser étant de 650 nm.

Figure 13 : Une coupe de DVD

    iv.          Blu-ray

Le blu-ray est composé d'une matière qui réagit, lors de sa lecture, à un rayon laser dont la longueur d'onde (405 nm) est encore plus fine que celle des DVD ou des CD. Cette longueur d'onde correspond presque à celle des ultra-violets, d'où sa couleur bleue et, par conséquent son nom " Blu-ray " en anglais, autrement dit " rayon bleu ".

 

Figure 14 : Image de Blu-ray

Les blu-ray offrent une meilleure qualité d’image car les images en haute définition contiennent plus de pixels que des images en basse résolution.

Par exemple, un DVD (576 x 720pixels) pèse quelques 6 à 8 Go, et son équivalent en HD (1080 x 1920 pixels) pèse entre 18 et 25 Go.

Avec l’apparition de la 4k, les blu-ray connaissent quelques impacts. De plus en plus de téléviseurs sont équipés d’une définition 4k. Mais les films n’ont pas suivi ce changement.

Cependant, à partir de 2016, les premiers films en 4k UHD sont apparus sur le marché pour obtenir une haute définition de l’image.

      v.          M-disc

Un M-DISC (Millennial Disc) est un disque enregistrable utilisable sur un graveur compatible mais lisible par n'importe quel lecteur. Lancé en 2009, il est disponible au format DVD+R et Blu-ray disque.

Le M-DISC est un média de stockage destiné à permettre une durée de vie de bien plus de cent ans pour l'archivage des données. C’est le point fort principal de ce stockage de données.

Il semblerait que c’est le matériel de conception du M-Disc qui lui permet d’avoir une telle longévité. Le matériel utilisé pour sa conception est inerte à l’oxydation causé par l’oxygène et ayant un point de fusion comprit entre 200° et 1000° Celsius. De plus, il semblerait que la couche utilisée pour le M-Disc soit d’origine minérale et non organique. Le laser utilisé pour enregistrer les données est plus puissant que le laser utilisé normalement mais en contrepartie la vitesse d’écriture est limitée à 4x le rendant plus long que les DVD ou les Blu-ray.

Cette durée de vie est à prendre avec précaution, car les propriétés exactes du M-Disc sont secrètent et sous brevet. Néanmoins le M-Disc est présenté comme ayant une durée de vie supérieure à celle des DVD standard. Conçu pour être enregistrable une fois et non réinscriptible, il est doté des capacités de stockage identique à un DVD-R soit 4,7 Go, d’un Blu-ray R soit de 25 ou 50 Go et même d’un Blu-ray XL soit 100 Go.

Figure 15 : Structure d'un M-disc

    vi.          Le stockage magnéto-optique

Le support magnéto-optique est la convergence entre les technologie optique et magnétique. Cette solution date des années 1990, mais n’a pas connu un grand succès. Le format est celui d’un disque, mais sa surface contient de la matière polarisante. Le sens de la polarité (qui définissait l’état de la donnée, 0 dans un sens, 1 dans l’autre) est défini en chauffant une partie du disque avec un laser, ce qui lui permet de ne pas être sensible aux champ magnétique externe, contrairement aux bandes magnétiques. Une chaleur importante est nécessaire pour changer le sens de polarité. La lecture des données de fait par laser, et c’est la polarisation magnétique à la surface du disque qui détermine l’information, en binaire. Cette solution technique permettait de stocker jusqu ‘à 30Go avec une vitesse de transfert de 8Mo/s. Cette technique permettait aussi de faire de la réécriture sur le disque.

Figure 16 : Photo d'un disque magnéto-optique

 

4.     4ème génération : Les supports flash

La technologie Flash a réussi à trouver l’avantage des technologies de mémoire et celle du stockage lorsque composant est éteint. C’est à dire qu’il allie les performances de la mémoire vive, où sont stockées les données pendant que le système informatique fonctionne, et celui des disques durs qui permettent de stocker des données alors que le système informatique est éteint.

Il a une vitesse d’écriture et de lecture élevé, une faible consommation d’énergie pour fonctionner, et un fort rendement. De plus, il ne contient pas de composant mécanique, ce qui lui permet de réduire le risque de panne.

Contrairement au stockage du sens magnétique par une tête d’écriture comme pour un disque dur, le technologie Flash permet de capturer des électrons dans des grilles afin de stocker un état. Ces supports utilisent comme cellule de base un transistor MOS. Il s’agit de la tension aux portes de la cellule qui va définir l’état qui va-t-être stockée. C’est la valeur de la tension sur la résistance complète qui va permettre de définir une valeur.

Il existe deux principales formes : flash NOR (utilisant les portes logiques NON et OU) et NAND (utilisant les portes logiques NON et ET). Les deux formes permettent de choisir la manière dont vont être stockées les données. Le Flash NOR perd d’avoir des accès de recherche aléatoire aux cellules grâce à l’adresse de la cellule recherchée, ce qui permet d’y accéder directement via le contrôleur de composant Flash, mais qui engendre des temps d'effacement et d’écriture plus long et par conséquent un coût supérieur. La technologie Flash NOR est généralement favorisée pour les systèmes d’exploitation, les microprogrammes pour les cartes mères ou même les téléphones. Alors que le Flash NAND est une recherche par bond successif, séquentiel de cellule en cellule vers la cellule recherchée. Cette technologie est favorisée pour les cartes mémoires ou les disques durs SSD (Solid State Drive) car elle est plus rapide, moins cher, permet une plus grande capacité de stockage grâce à une bonne densité, et une durée de vie plus longue.

Nous présenterons dans la suite du documents les différents supports qui implémentent cette technologie.

a.     Les différents supports

On remarque qu’il y a deux types de supports pour les technologies Flash, nous présenterons les supports orientés pour les disques électroniques, et les supports de stockage de type carte mémoire.

       i.          Les disques électroniques : SSD (Solid State Drive)

Les disques électroniques se regroupent très globalement sur la catégorie des SSD Solid State Drive, ou disque statique à semiconducteurs en français, qui permet donc de stocker des données avec une mémoire avec la technologie Flash. Ces supports, à forte capacité, n’ont pas de système mécanique, ce qui les rends relativement fiable, légers et résistant aux chocs. De plus, la vitesse d’écriture se faisant via un courant électrique, les temps de latence, pour la lecture et l’écriture s’est vu relativement réduit en comparaison aux disques durs. Les défauts de ce système de stockage est actuellement la limitation sur la taille du stockage, même si la miniaturisation tend à améliorer ce défaut. De plus, les premiers modèles étaient sensibles aux coupures de courant inopinées, ce qui engendre un risque au niveau de l’état de stockage de la donnée en cours. Heureusement, les nouveaux modèles intègrent un système de sécurité réduisant ou supprimant les erreurs d’écritures lors des coupures de courant. Le second défaut est le prix de ce support, qui reste relativement plus élevé que le prix d’un disque dur.

Figure 17 : Photo d'un SSD Samsung

Les disques SSD ont généralement une taille de 2,5 pouces, et ont vu leurs connectiques évoluer au fil du temps pour répondre à leurs vitesses de traitement. Depuis quelques années, des disques SSD peuvent directement se brancher comme les carte mémoires vive sur les systèmes d’informations via une connexion PCI-Express pouvant transférer jusqu’à 16Go/s alors qu’initialement il s’agissait d’une connexion SATA III pouvant transférer jusqu’à 6Go/s.

Figure 18 : Photo d'un SSD nouvelle génération Samsung

     ii.          Les cartes mémoires

Les cartes mémoires utilisent la technologie Flash NOR. Différents types de cartes mémoires ont été développées en fonction de l’évolution des technologies industrielles. Elles sont généralement utilisées pour les petits matériels tel que les appareils photo numériques (pour y stocker rapidement des images), les téléphones portables, les sauvegardes pour les consoles de jeux vidéo. Les spécificités de ces cartes sont leurs petites tailles et leurs poids légers, et par conséquent des espaces de stockage limité.

Figure 19 : Photo d'une carte SD SanDisk

Dans les cartes mémoire flash, une multitude de carte sont sorties, comme par exemple le SD (Secure Digital), le Mini SD qui est la version miniature du SD, le xD Card spécialisé pour les appareils photos.

IV.          La localisation des supports de stockage

Une fois la donnée capturée et traitée, il faut la stocker. Mais encore faut-il savoir où. Dans ce chapitre nous présenterons succinctement les différents lieux de stockage en commençant par le stockage local puis le stockage à distance.

1.     Locale

Aujourd’hui l’informatique est omniprésente, nous l’utilisons tous les jours et dans tous les sens. Cette utilisation, consommation, au quotidien entraîne une récupération et une génération de données importante. Il faut savoir que presque tous les outils informatiques intègrent un système de stockage. Nous pouvons par exemple prendre nos téléphones qui nous permettent de stocker nos contacts, notre ordinateur sur lequel nous allons stocker nos données et fichiers, ou même du matériel externe comme un NAS (Network Attached Storage) qui permet d’avoir un système de stockage dissocié à l’ordinateur. On considérera ces stockages en local car ils sont physiquement proche, et les données n’ont pas besoin d’une connexion internet pour y être stockées.

2.     Distante

Initialement dans le monde professionnel, et aujourd’hui de plus en plus utilisé par les particuliers, le stockage distant ouvre de belles perspectives pour le stockage des données sur de gros volumes, mais pas uniquement car elle permet aussi de faire tourner des traitements. Dans ce sous-chapitre, nous dissocierons la partie Data Center et la partie Cloud.

a.     Data Center

Data Center ou centre de données en français, est un lieu qui regroupe du matériel informatique (du matériel de stockage, du matériel de calcul, du réseau etc.). Le centre de données peut être géré par l’entreprise le possédant ou par des prestataires externes. Le centre de données est généralement utilisé pour faire tourner des applications en production car il regroupe des systèmes de sécurités plus évolués, des reprises de données ou de serveurs si jamais des serveurs ne marchent plus ou tombent en panne, des accès au système d’information (physique et numérique) sécurisés, des redondances au niveau des arrivées électriques etc. L’objectif est bien de traiter des données dans un endroit centralisé, ceci permettant de traiter de gros volume (de stockage, de calcul etc.) La très grande majorité des données que nous consultons proviennent des centres de données des entreprises. Mais cette tendance tend à changer avec les solutions dites Cloud.

 

 

 

Figure 20 : Photo d'un centre de données

b.     Cloud

Le Cloud ou nuage en français, définit dans le monde de l’informatique le concept de la décentralisation. On parle souvent de nouvelle génération de stockage ou d’utilisation des systèmes informatique car il change les concepts d’utilisation des systèmes d’informations. Pour faire simple, le cloud est un centre de données géré et utilisable à distance. On y accède très généralement par internet, et permet aux entreprises et aux particuliers de louer l’utilisation de matériel à distance en fonction des besoins. Avant, les particuliers ou sociétés achetaient du matériel. Le particulier installait le matériel à son domicile, et le professionnel dans son centre de données. Maintenant, les sociétés vont acheter de la puissance de calcul et de l’espace de stockage directement à des sociétés qui gèrent des centres de données dans le monde entier, et qui s'occuperont des aspects physiques du matériel. Sous le concept de la location à distance, il y a toujours du matériel physique (disque dur, carte graphique etc.). Le cloud est une abstraction du matériel physique qui est géré par une société dédiée. Ces dernières années, les sociétés qui gèrent les cloud développent leurs propres matériels pour améliorer les performances qu’elles louent. L’avantage d’utiliser le cloud est de réduire les coûts car les sociétés paient par rapport à leurs besoins. De plus, la gestion du parc matériel n’est plus à gérer car c’est la société externe qui s’en occupe. Cependant, des inconvénients apparaissent car il devient généralement nécessaire d’avoir d’une connexion vers ces centres de données pour les administrer, il faut donc une connexion internet. Il faut aussi une bonne maîtrise du système d’information pour ne pas migrer des choses qui peuvent être sensible et donc hébergé en local. Des questions juridiques se posent aussi sur la localisation du stockage des données. En fonction du pays où sont stockées les données peuvent être plus ou moins protégées et/ou exploitées par les sociétés qui possèdent les cloud.

  V.          Les alternatives et le futur du stockage des données

Pour stocker des données sur le long terme rien ne vaut le Quartz, l’ADN (acide désoxyribonucléique) et l’holographie. Leur durée de vie sont illimitées contrairement aux supports de stockage vu précédemment. Comme nous l’avons dit au début, le volume généré par l’humanité est en pleine explosion. Il est donc important de chercher des potentiels solutions de stockages de données pour le futur. Dans ce chapitre nous présenterons le stockage dans l’ADN, dans le Quartz puis la solution holographique.

1.     ADN (acide désoxyribonucléique), le stockage du futur

 

 

Figure 21 : Représentation d'un brain d'ADN et d'une écriture binaire

L’ADN est une substance que l’on retrouve dans les cellules de tous les êtres vivants. Son rôle est de contenir les informations génétiques. L’ADN représente l’équivalent naturel des disques durs et autre support de stockage.

Le stockage ADN consiste à encoder des données binaires dans l’ADN. Soit, les bits individuels (chiffres binaires) sont convertis de 1 et de 0 vers les lettres À, C, G, T. Ce sont les 4 éléments principaux de l’ADN (Adénine, Cytosine, Guanine, Thymine).

L’un des principaux avantages de l’ADN est sa capacité à stocker des données de masse sans durée de vie limitée. Selon les chercheurs, un système de stockage basé sur l’ADN serait capable de stocker un milliard de fois plus de donnée qu’un support de stockage électronique traditionnel. Dans un gramme d’ADN, il est possible de stocker 215 pétabytes de données, ce qui revient à pouvoir stocker toutes les données créées par les humains dans une seule pièce.

Ce stockage a pour avantage d’être intact même après plusieurs millions d’années. De plus, il résiste aux conditions climatiques les plus extrêmes.

Le stockage de données dans l’ADN est une technologie qui va révolutionner le stockage des données dans les années à venir en remplaçant les supports de stockage actuels comme les clés USB, les CD ou même le cloud computing. Pour éviter une crise du Data Storage, de nombreux chercheurs et entreprises misent dans l’ADN (durée de vie illimitée et stockage illimité).

Les points faibles sur cette solution sont les coûts élevés et des temps de traitements qui peuvent être longs. Cependant, un chercheur affirme qu’au milieu des années 2020, le coût pourrait diminuer pour que cette solution technologique devienne viable à grande échelle et à long terme.

2.     Quartz, une alternative future

Alors que la durée de vie d’un disque dur externe classique est en moyenne d’à peine 10 ans, des chercheurs britanniques présentent un support capable de tenir des milliards d’années : le cristal de quartz.

Ce nouveau support de stockage à des performance supérieures à tous les autres supports de stockage classiques (CD, clé USB...).                                                                 Figure 22 : Photo d'une gravure sur du Quartz

Comme vu sur l’image, une équipe de chercheurs de l’université britannique de Southampton ont réussi à stocker 360 TO de données dans un cristal de quartz de la taille d’une pièce de monnaie. La durée de vie de ce disque est d’environ 13,8 milliards d’années et peut résister à des températures de plus de 1000 degrés Celsius.

Pour stocker les données sur le quartz, les chercheurs ont utilisés un laser femtoseconde qui produit des impulsions ultra courtes (femtoseconde -> un milliardième de secondes). Ce laser est très précis et il est notamment utilisé lors des opérations de la cornée.

Grâce à cette technique les données peuvent être lues et gravées en “5 dimensions” dans le quartz. De ce fait, cette suite de points gravés dans le quartz est codée en binaire et représente l’information stockée.

Grâce à cette technologie, des textes majeurs ont pu être stockés sur le quartz comme la déclaration universelle des droits de l’Homme ou le Traité d’optique de Newton par exemple.

Les bibliothèques et banques d’archives pourraient être très intéressées par cette technique de stockage. C’est une façon sûre de préserver des documents importants pour les générations futures. C’est un support qui pourrait bientôt être commercialisé si l’industrialisation de développe.

3.     La mémoire holographique

La mémoire holographique est une technique permettant de faire du stockage de masse dans des matériaux photosensibles. Le concept du stockage de données par holographie est connu depuis les années 1940, il ne s’agit donc pas d’une révolution. Mais son utilisation pour faire du stockage de masse n’est quant à lui développé que depuis les années 1990. Il s’agit de la nouvelle génération des stockages optiques car elle dépasse les limitations physiques des techniques utilisées pour graver des CD par exemple. La principale différence avec une gravure sur un CD est que la donnée sur un CD est stockée en 2 dimensions (hauteur et largeur), alors que le stockage par holographie permet de stocker sur 3 dimensions (hauteur, largeur et profondeur), ce qui permet d’écrire beaucoup plus de données en jouant sur l’angle du faisceau lumineux d’écriture. Comme le principe de la gravure sur DVD, le laser est scindé en deux parties. La première partie sert de référence et est envoyée vers le disque via un miroir, alors que la seconde partie est envoyé vers un module dédié qu’on appelle un modulateur spatial, qui va définir l’angle de rencontre avec le faisceau de référence afin d’inscrire les données sur le disque. En variant l’angle du premier faisceau (celui de référence), il est possible d’écrire sur différentes couches d’un même disque.

 

Figure 23 : Schéma du principe de l'écriture holographique

VI.          Conclusion

Depuis des dizaines d’années, le flux de données numériques ne cesse d’augmenter. A la fin de l’année 2018, le volume mondial de données numériques atteignait 33 zettaoctets, il dépassera les 610 zettaoctets en 2020. En d'autres termes les solutions de stockage de masse, la puissance des serveurs, et les bandes passantes doivent absolument progresser à la même vitesse pour absorber le volume croissant de données.

Les supports stockages de données sont nombreux. Ils existent en 4 générations différentes (physiques, magnétiques, optique et flash) et se sont améliorés au fil des années. Il y a eu un grand nombre de technologies différentes dans le but d’apporter des solutions face à l’explosion du volume de données. Nous avons aussi vu l’évolution de la zone de stockage des données, partant d’un stockage local pour se diriger vers une zone distante et permettant de plus grand espace physique de stockage à travers le principe du cloud. Cependant, ce chiffre évolue encore trop vite aujourd’hui et nos technologies actuelles vont finir par être dépassées.

Face à cette problématique, il faudrait envisager des alternatives futures pour répondre à ce problème mondial. Dans ce dossier nous avons présenté trois alternatives possibles, mais seront-elles les solutions du futur ?

VII.          Références

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