Stockage des données : une nouvelle frontière ?


Lucien Tergal
Lundi 1 Octobre 2018

L’explosion du volume des données numériques suscite l’installation de parcs géants de serveurs — les fameux data centers — qui fonctionnent encore avec des disques durs à base de silicium. Les besoins de stockage, à long terme et sans détérioration des données, ne trouvent pas encore de réponse nouvelle, malgré des recherches prometteuses.



data center refroidi à l'eau
data center refroidi à l'eau

Toujours plus de données à stocker

Comment en effet sauvegarder toutes les données ? Le volume mondial de données numériques suit l’augmentation exponentielle du nombre d’objets connectés. À la fin de 2017, le volume total d’informations est estimé à 18 zettaoctets. Et 163 zettaoctets (soit 163 milliards de téraoctets), c’est le volume de données informatiques que l’humanité devra stocker à l’horizon 2025. 
Des disquettes magnétiques au cloud, en passant par les clés USB, les disques optiques et les disques durs, les supports de stockage ont qu’un but de mémoriser fidèlement des milliards de données. Pour l’industrie informatique comme pour le grand public, il est vital de pouvoir les stocker sur des supports toujours plus puissants et toujours plus fiables.

Les unités de stockage

Pour stocker massivement les données, le disque dur reste un support privilégié. Aujourd’hui, la plupart des disques durs d’ordinateurs proposent 1 téraoctet (To) d’espace de stockage, une capacité gigantesque comparée à celle d’un CD ou d’un DVD, mais qui peut vite être atteinte sous une masse de photos et vidéos si gourmandes en données.
La tendance est à la miniaturisation et à l’amélioration de la fiabilité.  En 1999, IBM vendait un minidisque dur de 340 Mo aussi gros qu’une pièce de monnaie, un record de miniaturisation à l’époque. Aujourd’hui, ce sont les minuscules cartes microSD des mobiles qui sont devenues la norme, avec, généralement, au moins 32 gigaoctets (Go) de capacité de stockage.
Parallèlement, la densité des disques durs ne cesse d’augmenter. Si, en 2000, la technologie d’IBM permettait d’enregistrer 35,3 milliards de bits par pouce carré sur le disque dur Ultrastar 72ZX, aujourd’hui le HGST Ultrastar He12 de Western Digital dispose d’une densité de 864 milliards de bits par pouce carré pour 12 téraoctets (To) de capacité totale. À l’intérieur d’un boîtier de disque dur classique, huit disques sont superposés, ce qui est également une prouesse. Le disque dur a aussi la particularité d’être rempli d’hélium pour réduire les frottements et la température des plateaux. Mieux encore, une équipe de l’université de Delft (Pays-Bas) a créé un disque dur stockant les données à l’échelle atomique. Sa densité de stockage serait 500 fois supérieure à celle du meilleur disque dur du marché.
Quant aux DVD et aux Blu-Ray, ils seront bientôt totalement remplacés par la mémoire flash sous différentes formes, le stockage dans le cloud et le streaming (1).

Les data centers

Les 20 milliards de pages indexées chaque jour par le moteur de recherche Google pour répondre à 3,3 milliards de requêtes quotidiennes, les 425 millions d’utilisateurs de Gmail, les 250 millions de membres sur Google+, les 500 millions d’utilisateurs d’Android, les 800 millions d’utilisateurs de Youtube qui regardent 4 milliards d’heures de vidéos chaque mois, les utilisateurs de Maps, Street View ou encore Google Books, sans oublier les nombreuses informations collectées sur les internautes… Autant de données dite "dématérialisées" qui demandent une immense capacité de stockage et une grande puissance de calcul. Les centres de données ne font qu’augmenter leur capacité de traitement en empilant toujours plus de disques durs et de serveurs, et en les renouvelant fréquemment, pouvant traiter ces informations. Résultat, ces centres consomment pratiquement 5 % de la consommation électrique mondiale ! D’après une étude de l’Université de Standford, parue en 2013, les quelque 500.000 data centers existant dans le monde consommeraient environ 30 milliards de Wh d’électricité par an, soit l’équivalent de la production de 30 centrales nucléaires.
Il est donc temps de trouver une nouvelle technologie capable de stocker un grand volume de données dans un petite espace et sans risque de dégradation rapide. En effet, la durée de vie des supports de stockage actuels à base de silicium ne dépasse pas 5 à 10 ans en moyenne, 20 ans au maximum.

Optimiser le rendement électrique du stockage de données

Sur les disques durs actuels, le stockage de données se fait à l’aide d’une petite tête magnétique, qui parcourt le disque dur, un peu à la manière d’une aiguille de lecture sur un disque en vinyle. Mais ce principe exige des courants électriques relativement élevés qui chauffent les matériaux et entraînent une importante perte d’énergie par dissipation de chaleur. On estime par exemple que 40 % de l’énergie des ordinateurs est perdue par dissipation de chaleur. D’où les projets de Google d’implanter ses serveurs sous l’eau ou dans les pays nordiques, afin de bénéficier de températures peu élevées.
Le projet SPIN-PORIC a créé, pour fabriquer des mémoires magnétiques nanoporeuses, un nouveau matériau qui peut contribuer à réduire l’énergie consommée par le traitement des données magnétiques en général. Avantages notables, l’économie d’énergie directe réalisée au niveau des ordinateurs et le gain d’autonomie des appareils mobiles (2).

Un stockage pour l’éternité ?

À l’École polytechnique fédérale de Zurich, des scientifiques ont encodé des données sur un fragment d’ADN et l’ont inséré dans une capsule de silice de 150 nanomètres de diamètre qu’ils ont exposée à des conditions extrêmes, ils ont simulé un vieillissement accéléré. Résultat : avec ce procédé, à une température de –18 °C, les informations pourraient être préservées pendant des centaines de milliers d’années. Avec l’ADN, les capacités de stockage sont en outre démultipliées : les disques durs actuels permettent de stocker jusqu’à 5 To, alors qu’une molécule d’ADN permettrait de stocker 300 000 To. Mais ce procédé reste pour le moment très coûteux et difficile à généraliser dans les dix ans qui viennent.
Des chercheurs en biologie de synthèse travaillent aussi à l’inscription d’un code binaire sur des polymères synthétiques (3).
Des scientifiques du laboratoire de Hitachi et des chercheurs de l’Université de Kyoto ont, de leur côté, conçu un support de stockage à base de quartz. Le procédé consiste à graver au laser des informations sur un bloc de quartz et de lire les données au moyen d’un microscope optique sur une plaque de quartz de 2 centimètres de large et de 2 millimètres d’épaisseur. Les chercheurs, après simulation, ont pu affirmer que la durée de stockage sur ce nouveau support atteignait des centaines de millions d’années (4).
Néanmoins, malgré ces recherches, il n’y a actuellement aucune technologie de rupture prête à rivaliser sur le marché avec le couple que constituent le disque dur et la mémoire Flash. De la mémoire à tores à la mémoire à bulles, en passant par la mémoire holographique, la mémoire vive ferroélectrique, la mémoire polymérique, la mémoire à changement de phase ou le stockage sur "mémristor", la plupart de ces technologies ne permettent pas encore de résoudre le défi que pose le stockage présent et futur (5).
 
(1) https://www.futura-sciences.com/tech/dossiers/informatique-stockage-donnees-informatiques-105/
(2) https://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/le-stockage-de-donnees-sera-t-il-moins-energivore-46473/?utm_campaign=72-WQ-YYRACTU
(3) https://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/une-premiere-mondiale-pour-le-stockage-de-donnees-sur-polymeres-24734/?utm_campaign=72-WQ-YYRACTU
(4) https://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/ladn-quartz-stocker-nos-donnees-leternite-33538/
(5) https://www.comptazine.fr/post/la-revolution-du-stockage-numerique




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