Hard du hard • Anatomie du PCB d'un SSD

Dis papa, comment c'est fait un SSD ?

Sur un air de Village Poeple in the navyyyyy, nous inaugurons avec grand plaisir ce nouveau type d'article, qui va peupler de plus en plus le Comptoir à l'avenir au sein de nos papiers habituels, afin de vous parler plus en détail du pourquoi du comment de certains compos. Commençons donc avec les SSD, ces fameux SSD dont nous vous parlons depuis leur arrivée sur le marché grand public, et qui auront été la dernière grande révolution matérielle de l'aire PCiste moderne. Du stockage ultra rapide prenant la relève de la, certes magnifique, mécanique des disques durs à plateaux et qui n'a pas manqué de faire couler beaucoup de transistors. Ça tombe bien, puisque cet article va vous expliquer comment sont foutues ces petites bébêtes.

• Avant l'ère moderne (de Flash Gordon)

Au début des années 1950, le mastodonte IBM chercha un moyen de stocker des informations binaires sur un support plus rapide et plus fiable que des bandes magnétiques, en place depuis des lustres. Plusieurs ingénieurs se mirent donc à plancher sur le problème, et ce fut Reynold Johnson qui présenta le premier son concept, le RAMAC (acronyme de Random Access Method of Accounting and Control) qui sera alors commercialisé en 1957.

Un RAMAC entreposé au Computer History Museum

Il s'agissait d'un système de plusieurs centaines de kilos dont la capacité totale était de 5Mo. D'une consommation électrique gargantuesque, il était constitué de 50 disques métalliques de 61 centimètres de diamètre tournant à 1200 tours/minute, avec deux têtes de lecture/écriture qui pouvaient se déplacer verticalement d’un plateau à un autre en moins d’une seconde. Les bases de ce qui allait s'appeler « disque dur » étaient posées. Ce concept fut ensuite amélioré par IBM au fil du temps jusqu'à ce que HP sorte en 1970 le premier disque dur à tête mobile, capable de se déplacer sur 2 axes à la fois, donc sur la surface même du disque et non pas uniquement à partir de sa tranche. Ce sera alors un bras de fer technologique entre les quelques gros acteurs du secteur qui durera deux décennies.

Le HP-7900A, premier disque dur « moderne » sorti en 1971 d'une capacité totale de... 4,9Mo ! (c)HP computer Museum

Cependant, la taille de ces périphériques par rapport à leurs capacités de stockage resta problématique jusqu’au milieu des années 1990, quand il fut techniquement possible d'exploiter le phénomène quantique appelé magnétorésistance géante découvert en 1988 par 2 physiciens-chercheurs (dont un Français), ce qui leur vaudra d'ailleurs l'obtention du prix Nobel de physique en 2007. Sans rentrer dans le détail, c'est un phénomène qui fait que, pour un matériau exclusivement constitué d'une alternance de couches de fer et de chrome de seulement quelques atomes d'épaisseur chacune, il se produit un forte chute de résistivité sous l'action d'un champ magnétique. Grâce à cela, on est alors passé d'une densité de stockage de quelques dizaines à plusieurs centaines de Moctets par cm². Mais on savait depuis longtemps que le fonctionnement d'un disque dur reposant sur un principe mécanique et électromagnétique imposerait à terme une limitation des vitesses de transferts des données en lecture et écriture. L'avenir du stockage informatique se devait donc d'évoluer vers autre chose.

L'avènement de la mémoire non volatile

Les disques durs traditionnels se rangent dans la catégorie des mémoires non volatiles puisqu'ils sont capables de conserver leurs données en l’absence d'alimentation électrique. Mais pour nous autres puristes, une mémoire non volatile concerne avant tout les mémoires à accès direct, en d'autre terme la RAM. Une des toutes premières formes de mémoire RAM non volatile existant dans les années 1960 était d'ailleurs à base de tores de ferrite jusqu'au début des années 1970.

Mémoire non volatile datant de 1961 constituée de tores de ferrite pouvant stocker 1024 bits de données (c)Konstantin Lanzet

Une des technologies en vigueur à l'époque était la EAROM (Electrically Alterable Read Only Memory) dont la particularité était de perdre l'information au bout de quelques années d'usage. C'était un type d'EEPROM fonctionnant sur 12V qui ne pouvait modifier ses données qu'un seul bit à la fois, et dont le processus d'écriture était très long. En 1976, à partir de cette technologie, la société américaine Dataram a produit pour le constructeur DEC ce qui ressemble au tout premier disque de type SSD (sous la dénomination de Bulk Core) dont la capacité de stockage était de 2Mo.

Et pendant une quinzaine d'années, il y a eu une succession de concepts plus ou moins différents et novateurs, tels que la Bubble Memory d'Intel, les Romdisk d'IBM fabriqués par Curtis, ou encore les premiers lecteurs Adtron de carte mémoire fabriquées par Epson et Mitsubishi. Puis un jour de 1984, Toshiba a mis au point la mémoire NOR grâce aux travaux du Dr. Fujio Masuoka, et la mémoire NAND trois ans après, plus rapide et moins coûteuse à produire, qui se rependra largement les années suivantes à travers les mémoires Flash. Tout cela coïncide aussi avec le développement de l'intégration à très grande échelle des semi-conducteurs (VLSI) durant les années 1990 et 2000 dans lesquelles des circuits de plus en plus denses furent mis au point. Et entre 2007 et 2008, il fut envisagé d'exploiter ce genre de mémoire NAND dans un système de stockage de masse dans lequel elles sont organisées en matrice de 8 ou de 16 et pilotées par un contrôleur dédié : le concept du Solid-State Drive était posé.

Un des premiers disques SSD 2,5 pouces grand public SATA sorti en 2008, et oui on s'appelait encore Puissance PC !

On trouve beaucoup d'avantages au SSD par rapport à un disque dur traditionnel : pas de bruit, résistant aux chocs physiques, une consommation moindre, des temps d'accès aux données très largement inférieurs, et une latence beaucoup plus faible. Mais dès la sortie des premiers modèles, le prix était un facteur dissuasif, et encore aujourd'hui, bien que sur une pente descendante, le prix de l'octet NAND est toujours 4 à 7 fois supérieur à celui de l'octet magnétique.

Maintenant que le décor est planté, nous allons pouvoir nous intéresser de près à tous les aspects techniques d'un SSD et aborder sa conception, son architecture et ses composants.