Disque dur (HDD) et disque SSD (solid state drive) : quelle différence ?

Un disque dur ou HDD (Hard Disk Drive) est un type de périphérique de stockage de données utilisé dans les ordinateurs portables et de bureau. Un disque dur est un support de stockage dit « non volatil », ce qui signifie qu’il conserve les données stockées même lorsqu’il n’est plus alimenté. Les systèmes d’exploitation (OS) indiquent au disque dur quand lire et écrire les données nécessaires aux programmes. La vitesse de lecture et d’écriture dépend uniquement du disque lui-même.

Les premiers disques durs étaient de gigantesques machines occupant une salle entière, avec une capacité d’environ 3,75 mégaoctets. Aujourd’hui, à titre de comparaison, un disque dur intégré à un ordinateur de bureau peut atteindre plus de 18 téraoctets de stockage.

Un HDD est constitué de disques appelés « plateaux ». Les plateaux stockent les données grâce à une charge électrique, appliquée par le bras actionneur ou tête de lecture/écriture. Ces têtes sont guidées par le logiciel du CPU et de la carte mère pour se déplacer sur les plateaux.

Chaque plateau possède un bras équipé de têtes magnétiques. Les plateaux tournent et sont divisés en secteurs, eux-mêmes découpés en milliers de sous-unités (appelées bits), qui peuvent chacune recevoir une charge électrique. Les têtes de lecture/écriture lisent les bits du secteur et les charges correspondantes, qui peuvent ensuite être traduits en binaire (1 ou 0).

Au fil du développement des disques durs, la disposition des secteurs a évolué sur le plateau. Leur conception originale reposait sur un enregistrement longitudinal, alignant les secteurs horizontalement sur le plateau du lecteur en rotation. Mais cet alignement horizontal a commencé à poser problème lorsque la capacité des disques a augmenté grâce à la miniaturisation des secteurs. À une si petite échelle, les bits pouvaient inverser leur charge de manière aléatoire selon la température, entraînant une corruption des données.

Pour résoudre ce problème, la méthode dite de « l’enregistrement perpendiculaire » a été inventée. Elle consiste à empiler les secteurs sur la tranche, permettant de tripler la capacité de stockage par rapport à l’enregistrement longitudinal. En contrepartie, cette technique est plus sensible aux champs magnétiques et a nécessité la conception de têtes de lecture/écriture plus précises.

Lorsqu’un processeur écrit des données sur le disque dur, il utilise une portion de secteur (ou de plusieurs secteurs) en fonction de la taille du fichier. Lors d’une mise à jour des données, le CPU ordonne au disque dur de les écrire dans le prochain secteur disponible. La distance entre le premier secteur et ce nouveau secteur ajoute du temps à la vitesse de lecture des données. Même si ce temps se mesure en millisecondes, la multiplication des séparations de données peut entraîner un ralentissement significatif. Cette séparation des données est appelée « fragmentation de disque », et la plupart des systèmes d’exploitation disposent d’un programme intégré de défragmentation, qui réorganise les données afin que les informations d’un programme soient regroupées au même endroit.

Les disques durs traditionnels (HDD) sont considérés comme une technologie héritée, existant depuis plus longtemps que les SSD. Cependant, l’ancienneté présente aussi des avantages : elle a permis des progrès notables dans tous les aspects de la technologie.

La fonction principale d’un HDD est la lecture, l’écriture et le stockage de données. Ce sont des appareils fiables pour les sauvegardes ainsi que pour les processus informatiques courants. La technologie des disques durs s’est considérablement perfectionnée, réduisant leurs coûts tout en augmentant leur capacité globale.

La capacité des HDD a augmenté au fil des années et atteint aujourd’hui 20 téraoctets de stockage dans le commerce. La plupart des ordinateurs portables et de bureau actuels proposent une capacité de stockage standard de 250 Go.

Les performances sont généralement mesurées par la vitesse et la fiabilité de l’appareil. La vitesse de traitement des données par les HDD s’est fortement améliorée avec le temps et répond bien à leur usage.

Cependant, leurs composants physiques créent plus de limites que d’autres types de stockage. Un bras de lecture/écriture perd en précision si le disque tourne trop vite, et un plateau ne peut dépasser une certaine vitesse sans se déformer ou même se briser. L’accélération du plateau pour atteindre la vitesse optimale prend du temps, ce qui se traduit par un démarrage plus lent de la machine.

Les disques durs permettent de stocker des données de manière fiable pendant de longues périodes sans être alimentés et constituent de ce fait la méthode de stockage privilégiée pour les sauvegardes. La durée de vie d’un disque dur interne est généralement de trois à cinq ans en usage constant. Elle peut être plus longue pour un disque dur externe conservé dans un environnement contrôlé. L’usure régulière du support est normale, notamment en raison des écritures et réécritures répétées sur les mêmes secteurs d’un plateau. Pour le stockage à long terme de plusieurs lecteurs, il suffit d’utiliser un disque dur externe. Une autre méthode pour accéder à ces fichiers de sauvegarde depuis n’importe quel emplacement consiste à utiliser un système de stockage en réseau (NAS), qui centralise les fichiers et permet aux utilisateurs autorisés de stocker et de rechercher ces données.

Les disques durs externes portables remplissent les mêmes fonctions de base que les disques internes et peuvent être utilisés avec un ordinateur portable ou de bureau. Ils sont vendus avec leur propre alimentation externe. Les disques internes, quant à eux, sont « portables » au sens où ils peuvent être déplacés d’une machine à une autre, mais ils sont moins universellement compatibles et demandent plus d’efforts pour être transférés.

Les HDD restent le type de stockage le plus abordable, car ils offrent le meilleur rapport coût/gigaoctet. À mesure que la capacité augmente, le prix des modèles plus petits diminue. Par exemple, un disque dur de 500 Go peut se vendre à moins de 40 USD.

Un composant essentiel des ordinateurs modernes, les disques SSD (solid state drives) se distinguent par des temps de lecture, d’écriture et de démarrage extrêmement rapides, inégalés par les disques durs traditionnels.

Un solid state drive est un support matériel informatique à mémoire non volatile (NVM) qui stocke les données sans pièces mobiles. Alors que les disques durs (HDD) utilisent un disque magnétique rotatif et une tête mécanique de lecture/écriture, les SSD stockent les données via des charges électriques dans des semi-conducteurs.

Les SSD internes sont installés à l’intérieur des ordinateurs, tandis que les SSD externes se branchent comme les disques durs externes, souvent via des ports USB 3.0, et remplissent des fonctions similaires. Un SSD est donc un support de stockage basé sur des circuits intégrés plutôt que sur des composants mécaniques. Ces circuits intégrés réduisent sa taille globale et rendent l’appareil silencieux en fonctionnement. Exemple : les produits Apple comme le MacBook intègrent un SSD au lieu d’un disque dur, ce qui permet de conserver un design fin.

Le NVMe (Non-Volatile Memory Express) est un protocole d’interface logique permettant d’accéder au support de stockage non volatil d’un ordinateur. Il s’agit d’une spécification standard utilisée sur les disques SSD afin que chaque fabricant n’ait pas besoin de développer son propre pilote. Les SSD NVMe exploitent l’interface PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), qui gère efficacement les multiples requêtes aller-retour entre le système d’exploitation et le SSD. Le PCIe est une interface de connexion haut débit couramment présente sur la carte mère.

Les solid state drives fonctionnent grâce à des circuits électroniques qui stockent et récupèrent les données. Les données sont stockées dans des blocs, lesquels ne peuvent être écrits qu’une seule fois en totalité. Pour que les données séquentielles restent groupées et les temps de réponse réduits, le bloc doit être entièrement effacé et réécrit dans un autre bloc. Malheureusement, les blocs ne sont pas durables et s’endommagent au fur et à mesure des effacements. L’écriture/effacement est la cause principale de l’usure d’un SSD, raison pour laquelle la plupart sont équipés d’une technologie intégrée de « wear-leveling », qui distribue uniformément l’écriture sur les cellules afin de prolonger la durée de vie du dispositif.

Certains des circuits électroniques des SSD sont de la mémoire flash NAND (porte logique « Not AND ») composée de transistors à NAND non volatile. Les transistors à NAND non volatile stockent les données sous forme de charges électriques dans des semi-conducteurs disposés sur des puces de silicium, elles-mêmes assemblées, voire empilées, sur des circuits imprimés. Ces piles sont appelées 3D NAND et offrent une capacité de stockage bien plus élevée grâce à la superposition des cellules mémoire. Les cellules à un seul niveau (SLC, Single-Level Cell) sont la technologie SSD la plus coûteuse, mais aussi la plus durable. De ce fait, ajouter un bit d’espace de stockage supplémentaire par cellule réduit les coûts, et chaque bit supplémentaire stocké est désigné par un acronyme différent : MLC (Multi-Level Cell),TLC (Triple-Level Cell),QLC (Quad-Level Cell).

Les contrôleurs gèrent l’ensemble des cellules de mémoire flash : ils leur indiquent quelle mémoire lire ou modifier, assurent la distribution homogène des données et effectuent la récupération de mémoire (garbage collection).

Selon leur format, les SSD adoptent des pratiques spécifiques, comme mettre en cache les données demandées pour des temps de réponse plus rapides, à la manière des modules de RAM. Cette mise en cache est bien plus efficace que celle des disques durs, dont les requêtes « à chaud » souffrent de temps de réponse bas.

Les SSD consomment moins d’énergie que les disques durs, car ils n’ont pas de pièces mobiles. Ils dépendent néanmoins d’une alimentation constante de l’appareil hôte pour fonctionner. S’ils ne sont pas alimentés, ils risquent de perdre les données stockées, mais la plupart intègrent une petite batterie permettant de conserver l’intégrité des données à l’état de veille.

Chaque type de stockage ayant ses avantages et ses inconvénients, il est essentiel de comparer les disques durs (HDD) et les solid state drives (SSD) pour déterminer quel choix convient le mieux à une charge de travail donnée.

La différence essentielle en termes d’espace de stockage, c’est que les disques SSD utilisent de la mémoire flash au lieu de plateaux magnétiques. Les SSD modernes affichent couramment des capacités de 128 Go, 256 Go, 512 Go, 1 To et 2 To. Les circuits intégrés qui réduisent la taille de l’appareil augmentent également sa densité de stockage.

Pour le grand public, la capacité maximale d’un SSD se situe autour de 8 To. En 2018, Samsung et Toshiba ont lancé sur le marché des SSD de 30,72 To au format 2,5 pouces, mais avec une épaisseur de 3,5 pouces, utilisant une interface SAS. Pour démontrer les capacités de la technologie, Nimbus Data a annoncé et livré des SSD haute capacité de 100 To, utilisant une interface SATA. La technologie SSD ne cesse de progresser et d’évoluer, ouvrant la voie à des possibilités apparemment infinies.

Les disques durs existent depuis plus longtemps, ce qui leur a permis d’augmenter considérablement leur capacité de stockage au fil des ans, soit 20 téraoctets actuellement. La plupart des ordinateurs portables et de bureau actuels proposent une capacité de stockage standard de 250 Go.

La vitesse d’accès aux données d’un SSD est bien supérieure à celle d’un disque dur. Alors qu’un disque dur atteint environ 500 Mo/s, la plupart des SSD peuvent monter jusqu’à 7 000 Mo/s. Ces vitesses accrues permettent un démarrage quasi instantané, une latence réduite lors de la connexion à un appareil et des temps de chargement bien plus courts pour les applications. De plus, les transferts et copies de fichiers sont beaucoup plus rapides sur SSD. Grâce à leur meilleure efficacité énergétique, leur consommation est de 25 à 35 % inférieure à celle d’un disque dur.

Cependant, les disques durs restent les supports préférés pour le stockage de longue durée. Les disques SDD ont tendance à être moins fiables dans ce domaine en raison des pertes de données qui peuvent survenir après environ un an sans alimentation. De plus, leur efficacité est limitée par le TBW (Total Bytes Written) : elle diminue petit à petit jusqu’à ce que le support devienne inutilisable. Le TBW est la quantité totale de données pouvant être écrites et effacées.

Sur le plan de la portabilité, SSD et HDD présentent des similitudes. Un SSD externe est plus portable qu’un SSD interne fixe. Les SSD externes sont très utiles dans les centres de données, où de grandes quantités de données doivent être transférées rapidement entre les systèmes. Un disque dur externe est plus portable que son équivalent interne, mais il est davantage utilisé pour le stockage à long terme que pour le transfert de données rapide.

Pour des disques de plus petite capacité et des données fréquemment utilisées, les SSD offrent le meilleur rapport performances/prix. Mais plus la capacité augmente, plus les disques durs deviennent avantageux. Les prix des SSD tendent à s’aligner progressivement sur ceux des HDD en termes de coût par gigaoctet. Un SSD de 500 Go coûte aujourd’hui environ 55 USD, contre environ 24 USD pour un disque dur de même capacité (au moment de la rédaction).

En résumé, les SSD sont utilisés principalement pour la recherche rapide de données et une utilisation intensive quotidienne sur ordinateurs portables ou de bureau, grâce à leur faible consommation énergétique et à leur compacité. Ils sont parfaits pour les processus du quotidien et le transfert rapide de gros fichiers, mais ne remplacent pas les disques durs pour le stockage longue durée. Les disques SSD sont les supports privilégiés lorsqu’il s’agit de déplacer rapidement et facilement des fichiers volumineux.