Nouveaux disques durs et secteurs de 4k : évolution ou régression ?

Introduction

Cela fait près d’un an que l’on a vu apparaître sur le marché des disques durs fonctionnant avec des secteurs d’une capacité de 4 ko au lieu des 512 octets conventionnels, mais cette évolution n’a pas fait grand bruit. Et pour cause : si le recours à des secteurs de plus grande taille apporte effectivement une solution à certains problèmes rencontrés par les fabricants, il est généralement totalement transparent pour l’utilisateur… pour autant que celui-ci utilise un système d’exploitation moderne, à savoir Windows 7 ou Windows Vista SP1 ou supérieur. Les versions précédentes de Windows, elles, peuvent devoir faire face à des problèmes de performances sur les disques à secteurs de 4 ko.

Dans cet article, nous allons passer en revue un scénario catastrophe et en analyser les performances, mais aussi vous fournir quelques informations essentielles et recommandations concernant ces disques durs d’un nouveau type, qui représenteront en pratique la majorité des modèles commercialisés d’ici janvier 2011.

Pourquoi être passé de 512 octets à 4 ko ?

Il aura fallu près d’une décennie aux fabricants de disques durs entre le moment où ils ont identifié cette possibilité d’évolution et celui où ils l’ont finalement mise en pratique. Le secteur est la plus petite unité de stockage disponible sur le disque dur ; jusqu’à présent, il avait toujours eu une capacité de 512 octets, ce qui était parfaitement logique à l’époque où les fichiers pesaient généralement quelques mégaoctets, ou au maximum quelques gigaoctets. Étant donné que la taille du secteur correspond à l’espace minimum consommé, même si le fichier est plus petit (un fichier de 200 octets, par exemple, occupe quand même 512 octets sur le disque dur), il était préférable de fonctionner avec une unité relativement petite afin d’éviter de gâcher de la capacité de stockage.

Cela fait cependant un moment que le secteur de 512 octets est devenu un facteur limitatif. À l’heure actuelle, la taille moyenne des fichiers est considérablement supérieure à 512 octets, ce qui renverse complètement la problématique : la correction des erreurs (ECC) est en effet calculée pour chaque secteur. Et bien évidemment, cette correction consomme de l’espace ; il va sans dire que, même sans modifier l’algorithme de calcul des corrections, il faut moins de place pour stocker les données ECC d’un seul secteur de 4096 octets que celles de huit secteurs de 512 octets. Au final, le passage aux secteurs de 4 ko permet d’augmenter la capacité de stockage disponible des disques durs rien qu’en réduisant la place réservée à ces données ECC.

Des secteurs de 4 ko pour augmenter la capacité

Les fabricants de disques durs ont visiblement compris que cette évolution allait leur permettre de faire avancer à grands pas leurs capacités de stockage. Il s’agit d’une solution élégante, dans la mesure où d’autres éléments d’architecture comme les pages de mémoire x86 ou encore un bon nombre de clusters système possèdent également une taille de 4 ko. Qui plus est, cette évolution est relativement bénigne pour l’utilisateur et ne nécessite pas, pour les fabricants, de grands bouleversements matériels comme peut le faire l’augmentation de la densité de stockage. Enfin, le nouveau format (dénommé Advanced Format) autorise l’utilisation d’algorithmes ECC plus robustes, une autre étape importante de la course à la capacité.

Pour comparer les performances des disques à secteurs de 512 octets et à secteurs de 4 ko, nous avons pris deux disques durs Toshiba SATA 2,5″ récents et avons examiné leur comportement dans un scénario catastrophe ; étant donné que les systèmes d’exploitation plus anciens sont susceptibles d’afficher des performances en retrait sur tous les disques durs à secteurs de 4 ko, les deux modèles que nous avons choisis peuvent être considérés comme tout à fait représentatifs de la réalité.

L’émulation des secteurs de 512 octets

Nous avons abordé les avantages des secteurs de 4 ko, mais il y a, comme toujours, des inconvénients potentiels. Le plus important provient de la compatibilité : pour pouvoir fonctionner avec les systèmes d’exploitation plus anciens, tous les disques « 4 ko » actuels émulent des secteurs de 512 octets. Il est en effet possible de caser huit secteurs logiques de 512 octets dans un secteurs physique de 4096 octets, mais ceux-ci peuvent être mal alignés, auquel cas un bloc système de 4 ko reposera toujours sur deux secteurs de 4 ko physiques. Vous imaginez sans peine l’incidence que cela peut avoir sur les performances : les écritures aléatoires prennent plus longtemps et la latence augmente, de même que le temps global de traitement des données. Vous trouverez plus loin un comparatif des performances en E/S affichées par le Toshiba MK7559GXSP avec des secteurs alignés et mal alignés.

Il existe plusieurs manières d’éviter cette dégradation des performances, mais une seule d’entre elles fonctionne correctement sur tous les disques durs à secteurs de 4 ko (ou de toute autre taille, d’ailleurs) : opter pour un système d’exploitation moderne comme Windows Vista SP1 ou Windows 7. Dans ce cas, vous n’avez rien à craindre : ces OS reconnaissent automatiquement la taille des secteurs et alignent les clusters du système en conséquence. Windows 7 sélectionne automatiquement un numéro de bloc LBA qui garanti un bon alignement (en règle générale, il commence au bloc 2048). Si vous travaillez sur Mac, vous aurez besoin de Tiger, Leopard ou Snow Leopard ; il est en outre nécessaire d’utiliser une table de partition GUID car l’utilitaire Apple Partition Manager (APM) aligne mal les partitions. Linux, enfin, prend en charge les tailles de secteurs autres que 512 octets depuis la version 2.6.31. Nous le répétons, la plupart du temps, utiliser un système d’exploitation compatible avec les disques durs de ce type est la seule solution simple pour éviter les problèmes de performances.

Il est toutefois possible de modifier manuellement la numérotation des secteurs. Si vous savez où se produit l’écart d’alignement, par exemple si Windows XP commence sa première partition au secteur LBA 63, il est possible de modifier la numérotation interne des secteurs, autrement dit, dans ce cas précis, de l’augmenter d’une unité et de faire en sorte que la partition commence au secteur LBA 64. Cette technique fonctionne mais comporte certains risques : si vous modifiez la numérotation LBA à l’aide d’un cavalier (jumper), il est possible de perdre des données en remettant le cavalier à sa place initiale ; et si vous la modifiez à l’aide du firmware, vous ouvrez la porte à une série de hacks qui permettent, en théorie, de compromettre vos données.

Certains fabricants, comme WD, proposent de contourner le problème à l’aide d’un utilitaire de réalignement qui déplace l’intégralité du système de fichiers afin de faire correspondre secteurs logiques et physiques. Cette solution est plus fiable mais nécessite l’outil en question, sans compter une bonne dose de patience si le disque dur à « réparer » contient déjà beaucoup de données.

512 octets : Toshiba MK6465GSX (640 Go)

Le Toshiba MK6465GSX est un disque dur 2,5″ de 640 Go, probablement le dernier de la gamme du japonais à fonctionner encore avec des secteurs de 512 octets. Doté d’une vitesse de rotation de 5400 tr/min, d’un cache de 8 Mo et d’une interface SATA 2.6 à 3 Gbits/s, il est également commercialisé en versions 160, 250, 320 et 500 Go.

Comparé au modèle MK7559GSXP (présenté à la page suivante), qui offre une capacité de 750 Go, qui est plus récent et qui utilise des secteurs de 4 ko, le MK6465GSX possède un débit du cache plus élevé : 204 Mo/s contre 183 Mo/s. Cependant, sa densité de stockage moins importante et la taille de ses secteurs lui confèrent un débit réel en retrait par rapport à son grand frère.

En termes de performances en E/S, par contre, il est très légèrement plus rapide ; l’écart n’est toutefois pas très significatif. Dans le l’ensemble, le seul cas dans lequel le modèle 640 Go affiche des performances réellement supérieures au 750 Go, c’est quand les secteurs physique de 4 ko de ce derniers sont mal alignés avec les secteurs logiques (qui font, nous le rappelons, 512 octets) ; plus de détails sur ce sujet dans la section benchmarks.

4 ko : Toshiba MK7559GSXP (750 Go)

Le MK7559GSXP est le tout dernier disque dur 2,5″ commercialisé par Toshiba ; à ce titre, il fonctionne bien entendu avec des secteurs de 4 ko. Parfait pour notre comparatif ! Son débit effectif est supérieur à celui du MK6465GSX : avec un taux de transfert en lecture de 81 Mo/s en moyenne et de 107 Mo/s en pointe, il ne se positionne en fait pas loin des disques durs 3,5″ à 5400 tr/min. Il semble que les écarts de performances entre formats se rétrécissent.

Comme nous l’avons déjà mentionné à la page précédente, ses performances en E/S sont légèrement inférieures à celles du modèle 640 Go. La différence provient essentiellement de l’augmentation de la densité de stockage et du fait que les disques durs 2,5″ sont optimisés pour une utilisation dans un ordinateur portable, segment dans lequel on considère généralement qu’un léger ralentissement est acceptable pour autant qu’il soit compensé par une hausse du rendement.

Dans les faits, les performances en E/S ne sont pas les seules être en léger retrait par rapport au MK6465GSX de 640 Go ; c’est également le cas sous PCMark Vantage. La différence se remarque toutefois à peine, ce qui peut s’expliquer par le fait qu’aucun de ces deux disques durs ne sont prévus pour le segment « performances ».

Configuration de test et courbes de débit

Courbes de débit

En terme de débit, le modèle 750 Go, plus récent, affiche des performances bien supérieures au 640 Go. Cet écart n’a toutefois pas grand-chose à voir avec le changement de taille des secteurs ; ce paramètre entrera nettement plus en jeu dans les autres tests.

Toshiba MK6465GSX 640 Go

Toshiba MK7559GSXP 750 Go

Secteurs mal alignés : performances en E/S

Contrairement aux autres résultats de cette article, où nous comparons les performances du modèle 750 Go (avec secteurs de 4 ko) à celles du modèle 640 Go (avec secteurs de 512 octets), sur cette page et la suivante, nous ne comparons que les performances du modèle 750 Go avec secteurs alignés correctement et avec secteurs mal alignés.

Profil « serveur de base de données »

Profil « serveur de fichiers »

Profil « serveur web »

Profil « station de travail »

Comme vous le voyez, un mauvais alignement des secteurs physiques et logiques peut dans certains cas provoquer une baisse des performances de près de 50 %. Les charges de travail qui ne nécessitent que des opérations de lecture (le serveur web, par exemple) ne sont toutefois pas affectées.

Secteurs mal alignés : lecture/écriture

Les opérations de lecture ou d’écriture séquentielles ne souffrent absolument pas du mauvais alignement des secteurs.

Opérations par seconde moyennes en lecture séquentielle

Débit moyen en lecture séquentielle (Mo/s)

Opérations par seconde moyennes en écriture séquentielle

Débit moyen en écriture séquentielle (Mo/s)

Temps d’accès et performances en E/S

Les pages suivantes comparent les performances des deux disques durs dans un environnement idéal, à savoir sous Windows Vista Édition intégrale SP1 avec des secteurs alignés.

Temps d’accès en lecture (y compris latence de rotation)

Profil « serveur de base de données »

Profil « serveur de fichiers »

Profil « serveur web »

Profil « station de travail »

Dans l’ensemble, le temps d’accès et les performances en E/S ne varient que peu, même si les graphiques ci-dessus montrent que le nouveau modèle, avec ses 750 Go et ses secteurs de 4 ko, affiche des performances en léger retrait.

Débits

Débit moyen en lecture (Mo/s)

Débit moyen en écriture (Mo/s)

Le débit du MK7559GSXP est nettement plus élevé que celui de son petit frère. Ce progrès est toutefois probablement plus dû à l’augmentation de la densité de stockage qu’au passage aux secteurs de 4 ko.

Débit moyen en lecture séquentielle (Mo/s)

Débit moyen en écriture séquentielle (Mo/s)

Débit du cache (Mo/s)

Le débit du cache n’a que peu d’incidence sur les performances au quotidien, les disques durs n’atteignant jamais ce type de vitesse lorsqu’il s’agit de lire/écrire sur le support proprement dit. Cela vous donne toutefois une bonne idée de la bande passant maximale qu’ils sont capables de prendre en charge.

PCMark Vantage

Les résultats enregistrés sous PCMark diffèrent quelque peu des autres : si le nouveau disque dur (750 Go) est plus rapide dans les jeux, le modèle 640 Go le dépasse dans tous les autres tests. Pour la plupart, ces résultats sont assez significatifs, même si les différences nous ont en réalité semblé plus faibles lors de nos tests.

Démarrage de Windows

Chargement des applications

Windows Defender

Édition vidéo

Applications/tâches Windows

Performances dans les jeux

Score global

Consommation et rendement énergétique

Consommation au repos

La consommation au repos est pratiquement identique sur les deux disques durs. Le nouveau modèle consomme un tout petit peu plus, mais rien de bien significatif.

Consommation en lecture séquentielle

La consommation en lecture séquentielle à vitesse maximale est identique sur les deux disques.

Consommation en lecture vidéo

La consommation en lecture vidéo du modèle 750 Go est inférieure de 0,1 watt à celle du 640 Go.

Consommation en profil « station de travail »

La consommation en mode « station de travail » (dont l’objet est de fournir un maximum d’opérations d’E/S par seconde) a également diminué de 0,1 watt sur le nouveau MK7559GSXP, c’est-à-dire le modèle 750 Go avec secteurs de 4 ko.

Performances par watt en lecture séquentielle

Les performances du modèle 750 Go ont assez fortement augmenté, alors que sa consommation est restée identique, voir a légèrement baissé. Son rendement exprimé en performances par watt augmente donc.

Performances par watt en profil « station de travail »

Même constat pour le rendement en mode « station de travail ». Lorsque ses secteurs sont correctement alignés, le modèle 750 Go affiche pratiquement les mêmes performances en E/S que le « vieux » 640 Go. Sa consommation ayant diminué, son rendement s’avère plus élevé.

Analyse et conclusion

Nos tests montrent que le nouveau Toshiba MK7559GSXP, un disque dur de 750 Go fonctionnant avec des secteurs de 4 ko, est au moins aussi rapide que son prédécesseur, le MK6465GSX 640 Go, dans tous les benchmarks théoriques. Ses performances en E/S et son temps d’accès sont comparables et son débit réel est même nettement plus élevé. Ses résultats sous PCMark Vantage, par contre, sont quelque peu moins bons. Dans ce cas, lequel choisir ?

Les scores obtenus dans les tests théoriques nous confirment que le nouveau modèle se comporte convenablement « malgré » ses secteurs de 4 ko et que la raison du léger recul de ses performances sous PCMark Vantage se trouve ailleurs. L’alignement des secteurs n’est pas non plus en cause, étant donné que Windows Vista (notre OS de test) et Windows 7 en tiennent compte lors de la création des partitions — ce que nous avons bien entendu vérifié indépendamment.

Il nous est toutefois impossible de contrôler l’exécution et l’organisation de l’écriture des données. PCMark Vantage n’a en effet jamais été optimisé pour l’écriture de blocs de données de grande taille ; dans la vie réelle, si vous écrivez surtout de gros fichiers, le nouveau disque dur de 750 Go va s’avérer plus rapide que le 640 Go et surtout que les résultats enregistrés dans notre benchmark PCMark, car ses secteurs de 4 ko seront toujours plus petits que les données à écrire. Le problème est qu’aussi longtemps que les applications continueront à effectuer des demandes d’écriture en mode « 512 octets », les performances des disques durs à secteurs de 4 ko souffrirons, et ce, tout simplement parce que les opérations d’écriture se composent en réalité du cycle Lecture-Modification-Écriture, et que celui-ci doit s’appliquer à un secteur de 4 ko comprenant huit morceaux de 512 octets destinés à préserver la compatibilité.

Le problème est important dans les écritures aléatoires, mais nettement moins lors de l’écriture de gros blocs de données, voire d’écritures séquentielles. La lecture ne pose pas non plus de problème significatif : même dans PCMark Vantage, les performances dans les jeux sont excellentes, tout simplement parce que ce test n’implique que peu d’opérations d’écriture. Les tests sous Windows Movie Maker et Media Center, par contre, comportent énormément d’écritures, qui font bien souvent moins de 4 ko.

Recommandations

Quoi qu’il en soit, les fabricants de disques durs membres de l’IDEMA (International Disk Drive Equipment and Materials Association) ont décidé que tous les nouveaux disques durs seront basés sur l’Advanced Format (4 ko) d’ici janvier 2011 ; très prochainement, il importera donc peu de savoir si cette évolution nous plaît ou non.

Les problèmes de performances en cas de mauvais alignement des secteurs physiques et des secteurs logiques sont bien réels, mais tout devrait bien se passer pour autant que vous disposiez d’un système d’exploitation moderne comme Windows Vista SP1, Windows 7, OS X 10.4 ou Linux 2.6.31 ou supérieur. Un bémol toutefois : vous devrez opter pour un utilitaire d’alignement si vos partitions ont été créées par un outil d’image disque plutôt que par l’OS ou si vous faites appel au multi-boot, sous peine de voir les performances de votre disque dur chuter considérablement.

Sur le plan matériel, nous n’avons rien contre les disques à secteurs de 4 ko tels que le Toshiba MK7559GSXP ; les utilisateurs moyens ne remarqueront pour ainsi dire aucune différence et les utilisateurs avancés préfèreront de toute façon n’utiliser les disques durs que pour le stockage pur et installer leur système d’exploitation et leurs applications sur un bon SSD.