Tag: hdd

Budowa SSD. Część 1: budowa fizyczna, LBA i NAND.

Posted on 30 December 202019 February 2021 by Ilia

Dyski typu SSD coraz częściej wykorzystuje się jako podstawowy nośnik danych zarówno w urządzeniach klasy konsumenckiej, jak i specjalistycznej (np. w serwerach). Zgodnie z prognozami, w 2021 r. sprzedaż dysków SSD przewyższy sprzedaż dysków twardych typu HDD. Dzisiaj istnieje ponad 80 firm, które produkują dyski SSD (warto zwrócić uwagę na to, że dyski HDD w 1985 roku, tj. na początku ich istnienia, były produkowane przez 75 firm, z których obecnie funkcjonuje tylko 3).

Niektóre producenci komponentów do dysków SSD
Źródło: kaleron.pl

Kilka lat temu dyski SSD wyprzedziły dyski typu HDD pod względem pojemności maksymalnej. Obecny „rekordzista” wśród dysków typu HDD ma pojemność 20 terabajt – znacznie mniej niż 100 terabajtowy konkurent z rodziny SSD firmy Nimbus.

Czytaj dalej

Co ciekawe, użytkownik, kiedy ma do czynienia z dyskiem półprzewodnikowym (SSD), może o tym nawet nie wiedzieć. Na poziomie użytkownika, korzystanie z dysku SSD niczym się nie różni od korzystania ze zwykłego dysku twardego. System operacyjny rozpoznaje taki dysk jako tzw. urządzenie blokowe (ang. block device) – ciąg adresów LBA (ang. Logical Block Adres) od 0 do kilku miliardów. Każdy taki block logiczny w zależności od zastosowanej w nośniku technologii zawiera od 512 bajt do 4 KB danych. Zwracając się do każdego z nich system operacyjny odczytuje/zapisuje znajdujące się pod tym adresem dane zupełnie nie przyjmując się tym, w jaki sposób (fizycznie) dane te są zapisywane/przechowywane – troszczy o to kontroler dysku. Tak samo nic się nie zmienia dla użytkownika – posługuje się on (użytkownik) środkami systemu operacyjnego, tj. tworzy, modyfikuje lub przegląda zawartość bloków logicznych (plików). Jedyna zauważalną różnicą w przypadku dysków SSD będzie znaczący wzrost prędkości zapisu/odczytu danych oraz skrócenie czasu wyszukiwania, czyli seek time. O tym, jakie to ma znaczenie pisaliśmy w blogu o budowie dysków twardych HDD.

W celu zapewnienia kompatybilności, dyski SSD są również bardzo podobne do dysków HDD, jeśli chodzi o wymiary fizyczne, wygląd zewnętrzny czy też umiejscowienie wewnątrz komputera.

W odróżnieniu od dysków twardych HDD (ang. Hard Disk Drive – napęd z dyskiem twardym), dyski SSD (ang. Solid State Drive – napęd o stanie stałym) nie mają ruchomych elementów- talerzy, głowicy i ich ramion. W przypadku dysku SSD można bez obaw zdjąć górną pokrywę i zajrzeć do wnętrza- nie spowoduje to awarii dysku czy modyfikacji/uszkodzenia danych. SSD będzie dalej funkcjonował – jest to skutek zupełnie innej zasady działania. Dane urządzenie składa się tylko z dwóch elementów: układy scalone NAND Flash oraz kontroler pamięci.

Pamięć typu NAND Flash pełni rolę nośnika danych. Pierwsza cześć tej nazwy jest wskazaniem na zasadę logiczną (tzw. bramkę logiczną), na podstawie której działa NAND – jest to zasada „NOT AND”. Druga zaś cześć (flash) w tłumaczeniu z angielskiego oznacza „błyskawicę” i zobrazuje fizyczną stronę jej działania. Warto zwrócić jednak uwagę na to, że nazwa ta nawiązuje nie do szybkości działania – jest ona tak naprawdę niewielka, jeśli chodzi o pojedyncze kostki pamięci. Stosunkowo większa szybkość operacji (odczytu-zapisu) osiąga się dzięki połączeniu tych scalaków w jedną „macierz”, co umożliwia zapisywanie/odczyt danych w kilku z nich na raz, a więc ich prędkości się sumują. Pojedyncze komórki działają natomiast stosunkowo wolno. To są tranzystory, którzy dzięki dodatkowej „bramki pływającej” (ang. „floating gate”), zachowują ładunek elektryczny po odcięciu zasilania.

W pamięciach starego typu „NAND SLC” (ang. Single Level Cell) obecność ładunku w tranzystorze interpretowana była jako 0 w kodzie binarnym, a jego brak jako 1. Powodem jest najprawdopodobniej to, że kod binarny z reguły ma więcej jedynek niż zer. Odwrócenie sposobu reprezentacji licz binarnych (obecność ładunku symbolizuje zero, a jego brak symbolizuje jedynkę) obniża zużycie się komórek. We współczesnych pamięciach typu MLC (ang. Multi Level Cell), TLC (ang. Triple Level Cell) czy QLC (ang. Quad Level Cell) liczby binarne są kodowane przy pomocy zmiany poziomu, stopnia naładowania komórek. Dzięki temu można w nich przechowywać większe ilości danych.

W celu obniżenia kosztów produkcji, pamięci Flash projektowane są w taki sposób, że z ich komórkami można wykonać tylko 3 rodzaje operacji:

Programować (ang. „program”) – czyli ładować do nich ładunek elektryczny;
Odczytywać (ang. „read”) – czyli sprawdzać, czy jest w komórce ładunek elektryczny czy nie;
Kasować (ang. „erase”) – czyli rozładowywać komórkę pozbawiając ją ładunku elektrycznego.

Kolejnym ograniczeniem jest to, że nie wszystkie te operacje można wykonać na poszczególnych tranzystorach. Programować (program) i odczytywać (read) można tylko z tzw. „stron” (ang. page) – jednostek pamięci, które w przypadku pamięci typu SLC mogą się składać nawet z 16 tysięcy pojedynczych tranzystorów! Więc aby odczytać stan naładowania poszczególnych tranzystorów (czyli „bit”) musimy odczytać całą „stronę”. “Gorzej” wygląda operacja rozładowywania (erase). Fizyczne ograniczenia przyczyniają się do tego, że skasować (erase) można tylko tzw. blok – jednostkę rozmiarową pamięci zawierającą w pamięciach SLC około 2 000 000 pojedynczych tranzystorów = bit. We współczesnych pamięciach typu TLC, rozmiar bloku wynosi od 1.5 do 3 megabajtów, co daje w sumie od 13 do 25 mln tranzystorów!

Oznacza to, że w pamięciach typu Flash nie ma możliwości zmiany zawartości pojedynczego tranzystora (indywidualnie) ze stanu naładowanego (w kodzie binarnym „0”) do stanu rozładowanego („1”).

Jednoczesne rozładowywanie takiej ilości komórek powoduje powstanie dużego przepływu prądu. Stąd i nazwa flash, czyli błyskawica. Wyzwolony ładunek po drodze uszkadza bramki pływające wraz z pozostałymi elementami, przez to operacja rozładowywania jest najbardziej szkodliwą, jeśli chodzi o żywotność pamięci. Właśnie w liczbie cykli programowania/kasowania mierzy się żywotność pamięci NAND. Jest to też najwolniejsza operacja z trzech możliwych. Dlatego wykonuje się ją z reguły w tle, kiedy mózg dysku SSD, tj. jego kontroler, ma wolną chwilę.

Z czasem wypracowane, zmęczone komórki przestają się programować lub pojawiają się problemy z ich rozładowywaniem. Podobne komórki zostają wpisane na listę „uszkodzonych”, i więcej oprogramowanie SSD z nich nie korzysta. Przy czym, im dłużej dane pozostają w tym samym miejscu fizycznym pamięci, tym trudniej jest rozładować zajęte tymi danymi komórki (operacja erase). Dane te w pewnym sensie utrwalają się na stale w komórkach pamięci podobnie do tego, jak dawno temu pozostawały na ekranach monitorów kineskopowych (CRT) obrazki statyczne – zjawisko te otrzymało nazwę „data retention”. Dlatego też potrzebne jest ciągłe przemieszczanie danych z jednego fizycznego obszaru do drugiego w ramach tzw. Równoważenia Zużycia (ang. Wear Leveling). Operacja Wear leveling służy również innym celom, ale o tym w następnych blogach 🙂

Mechanizm działania dysków twardych HDD. Możliwości odzyskiwania danych [ARTYKUŁ]

Posted on 28 October 202019 February 2021 by Ilia

W latach 50. w Stanach Zjednoczonych wraz ze zwiększeniem ilości danych cyfrowych pojawiła się potrzeba zapewnienia szybkiego dostępu do nich. Najbardziej popularne w tym czasie nośniki danych – karty perforowane i streamery – takiego dostępu nie zapewniali. W przypadku kart perforowanych, żeby znaleźć potrzebne informacje lub kod programu należało ręcznie przeszukać zbiór kart – kartotekę, a następnie znalezioną kartę umieścić w czytniku. To znacząco wydłużało tzw. seek time, czyli czas dostępu – charakterystyka systemów przechowywania danych cyfrowych oznaczająca prędkość odnajdywania przez system potrzebnych w tej chwili danych.

4.5 MB danych w 62,500 kartach perforowanych, USA, 1955.
Źródło: Reddit.com

Czytaj dalej

Skuteczna utylizacja dysków twardych metodą Red Dot [WIDEO]

Posted on 23 October 202014 December 2020 by Ilia

Czasem mamy potrzebę szybkiej i pewnej utylizacji nośniku zawierającego określone (wrażliwe, personalne) dane. Może to być kartka z kodem PIN do naszej karty płatniczej, koperta z danymi adresowymi, imieniem i nazwiskiem, które to warto podrzeć na małe kawałki przed wyrzuceniem do śmietnika. To pozwala uniknąć wielu problemów. Nieostrożne udostępnienie naszych danych osobowych może skutkować tym, że mogą one trafić do rąk oszustów, którzy będą je wykorzystywali w celu wyłudzenia pieniędzy, uzyskania kredytu lub wyrobieniu kopii naszej karty SIM.

Sytuacja jest jednak bardziej skomplikowana w przypadku nośników komputerowych. Nawet małej pojemności pendrive może zawierać taką ilość naszych zdjęć i dokumentów, że po wydrukowaniu nie zmieściłyby się one nawet w kilku śmietnikach. W związku z tym tego typu urządzenia wymagają szczególnej uwagi i przede wszystkim należy je poprawnie utylizować.

W tym artykule pokażemy Państwu, jak szybko i bezpowrotnie uniemożliwić dostęp do danych znajdujących się na 2,5-calowym HDD.

Czytaj dalej

Najważniejszym elementem tego typu urządzeń jest talerz, którego właściwości opisywaliśmy w poprzednim artykule. O tym świadczy chociażby to, że jedynym przeznaczeniem pozostałych komponentów dysku twardego jest zapewnienie sprawnego zapisywania i odczytywania danych użytkownika. Aby umożliwić zapis i odczyt danych, ciężko pracują zespół głowic czytujące-zapisujących, elektronika dysku, silniki, a nawet jego obudowa. To powoduje, że uszkodzić talerz jest znacznie trudniej niż głowice czy obudowę dysku. Jeśli weźmiemy młotek i uderzymy nim dysk, nie jesteśmy w stanie od razu zniszczyć talerz. Znajduje się on „pod ochroną”, po pierwsze, sztywnej obudowy metalowej, a, po drugie, umieszczonych wewnątrz osi dwóch silników – znajdującego się z boku silnika głowic (VCM – od ang. voice coil motor) oraz silnika talerzy zlokalizowanego w centrum dysku, które wzmacniają obudowę podobnie jak trzpienie żelbetowe wzmacniają konstrukcję budynków.

Oczywiście obudowa nie przeżyje mocnego uderzenia młotkiem, podobnie jak zespół głowic i elektronika dysku. Dysk przestanie się uruchamiać i będzie wyglądał jako bezużyteczny odpad elektroniczny. Niemniej jednak kilka godzin pracy specjalisty w zakresie odzyskiwania danych i talerz „odda” zapisane na nim Państwa dane nieuprawnionemu odbiorcy.

Na szczęście, talerzy w laptopowych dyskach formatu 2,5 cala są robione ze szkła, a konstrukcja niektórych modeli (dysków) ma pewne wady konstrukcyjne, które umożliwiają ich szybkie i wygodne rozbicie.

Przed tym jak opiszemy Państwu metodę utylizacji takich dysków, chcemy ostrzec Państwa, że jest to niszczenie nieodwracalne. Żadne laboratorium ani w Polsce, ani w świecie nie potrafi przywrócić talerzowi stanu początkowego i odczytać zapisane na nim dane!

Producenci dysków dążąc do zmniejszenia ich grubości stosują specyficzne rozwiązanie techniczne. Wnętrze obudowy hermetyzowane jest od dołu, czyli od strony elektroniki (PCB – od ang. printed circuit board) przy pomocy (wkręcanych) śrub. Aby zabezpieczyć dysk przed przedostaniem się do jego wnętrza kurzu czy innych zabrudzeń w momencie, kiedy śruby z jakiegoś powodu, na przykład w procesie naprawy urządzenia, zostały usunięte, otwór po stronie zewnętrznej dysku, czyli po stronie talerzy, jest zabezpieczany za pomocą okrągłego kawałku przezroczystego plastyku. Najprawdopodobniej chcąc przypomnieć technikowi wykonującemu prace naprawcze o niebezpieczeństwie (pozostawienia) tych otworów, producenci wykonują ten kawałek plastyku w kolorze czerwonym. W związku z tym, odnalezienie tzw. „czerwonej kropki” jest zadaniem stosunkowo łatwym.

Właściciel takiego dysku musi zamiast standardowej śrubki wykorzystanej przez producenta do zamocowania PCB wkręcić śrubkę większej długości. Eksperymenty pokazały, że za każdym razem szklany talerz pęka, co wyklucza możliwość odzyskiwania zapisanych na nim danych.

Ta metoda jest skuteczna w przypadku większości modeli dysków Western Digital i Samsung w formacie 2.5 cala instalowanych w popularnych laptopach czy też zewnętrznych dyskach twardych wykorzystywanych do kopiowania rezerwowego i przenoszenia dużych ilości danych. O powodzeniu operacji niszczenia talerzy świadczy charakterystyczny dźwięk pękającego szkła, po czym można z powrotem wkręcić oryginalną śrubkę.

Na zastosowanie metody „czerwonej kropki” wskazywać będzie specyficzny dźwięk przemieszczających się wewnątrz obudowy szklanych kawałków. Po otwarciu obudowy wewnątrz dysku można znaleźć oderwaną okrągłą nalepkę w kolorze czerwonym.

Demonstracja metody 🙂

Co się kryje za nazwą „BAD sektor”?

Posted on 29 July 202014 December 2020 by Ilia

BAD sektory to najczęstsza przyczyna “śmierci” starych dysków twardych, kiedy nie możemy uzyskać dostęp do wcześniej zapisanych plików. Jako osoba, która na co dzień zajmuje się zawodowo odzyskiwaniem danych z uszkodzonych dysków twardych, postaram się w kilku słowach wyjaśnić przyrodę tego zjawiska.

Na początku wyjaśnijmy sobie, czym jest sektor w przypadku współczesnych HDD.

Podłoże talerzy magnetycznych we współczesnych HDD może być zrobione ze szkła lub aluminium. Na nią napylane są drobne cząsteczki materiału ferromagnetycznego. Pod mikroskopem to przypomina troszeczkę kawior (Zdjęcie 1).

Zdjęcie 1. Powierzchnia talerza magnetycznego pod mikroskopem
Źródło: Ismail-Beigi Research Group, Hard Drives Methods And Materials

Czytaj dalej

Przygotowane w ten sposób talerzy montują w dysku twardym, po czym wykonują pierwsze formatowanie. Nosi ono nazwę Servo Track Writing (w skrócie STW) i polega na tym, że zmieniając bieguny pola magnetycznego poszczególnych cząsteczek głowice zapisująco-odczytujące pozostawiają na powierzchni talerza niewidzialne koncentryczne ścieżki (ang. Track).

Zdjęcie 2. *Track’i* na powierzchni dysku twardego uwidocznione przy pomocy mikroskopu sił magnetycznych
Źródło: Matesy GmbH – Own work, CC BY-SA 3.0

Każda ścieżka zostaje podzielona na określoną liczbę sektorów. Niżej na rysunku (3) widzimy graficzne zobrazowanie jednego z takich tracków.

Rysunek 1. Struktura fizyczna pojedynczego sektora na dysku twardym
Źródło: Dmitry Postrigan, Bad Sector Recovery

Każdy track się składa z kilku sektorów z danymi (Data sector) oraz sektorów z serwo-znacznikami (Servo sector). Te ostatnie mają charakter techniczny. Dzięki nim układ sterujący dysku (układ ten, nazywany również Sterownikiem Dyskowym, składa się z procesora, pamięci operacyjnej, kontrolera silnika i kilku innych elementów) zlokalizowany na płytce drukowanej (tzw. PCB – Printed Circuit Board) może ustalić pozycję głowicy odnośnie centrum tracka. Sterownik non-stop koryguję pozycjonowanie głowicy, gdyż może ona ulegać zmianom na skutek wibracji napędu, fluktuacji aerodynamicznych oraz mikro defektów powierzchni talerza (np z tzw. efektem bicia (ang. Runout), który polega na odchyleniu rzeczywistego Track’a od idealnego okrągu, na przykład zbliżeniu go nieco formą do owalu.)

W górnej części rysunku nr 1 została pokazana (schematycznie) struktura data sectora.

Widzimy tu odstęp pomiędzy sektorami zlokalizowanymi na jednej ścieżce (tzw. gap), adres sektora (A.M. – Address Mark), obszar z danymi (data) oraz obszar z kodem korekcyjnym (ECC – error correction code).

Wiedząc już jaka jest budowa i zasada działania sektorów na dysku twardym możemy zrozumieć, czym są bad sektory. Powstają one, kiedy Sterownik Dyskowy nie potrafi odczytać (poprawnie) któregoś z wymienionych wyżej elementów – wtedy cały ten sektor zostanie oznaczony jako uszkodzony.

Podobne uszkodzenia mogą powstawać w wyniku negatywnych zmian w warstwie ferromagnetycznej lub fizycznej degradacji talerza, o której opowiemy niżej. Uszkodzenia warstwy magnetycznej zdążają się na przykład, kiedy głowica zapisująca w trakcie zapisu zamiast docelowego sektora/ścieżki nadpisuje sąsiedni sektor (sektory). Powodem tu może być silna wibracja lub uderzenie dysku. W takiej sytuacji na miejscu obszaru z danymi (Data) może się okazać, na przykład, ECC lub Data należące do innego sektora. Przy próbie odczytu Sterownik Dyskowy wykryje niezgodność ECC z danymi zapisanymi w sektorze. Taki sektor może być zaliczony do sektorów „podejrzanych”. Z uwagi na to, że warstwa magnetyczna nie jest w tym przypadku uszkadzana, Sterownik Dyskowy będzie próbował wykorzystać „podejrzany” sektor do zapisu innych danych i w razie niepowodzenia stwierdzi fizyczne uszkodzenie powierzchni. Inaczej sytuacja wygląda w przypadku nadpisania serwo-znaczników. Uszkodzone obszary wyłącza się wtedy z użytkowania, ponieważ ich rekonstrukcja wymaga powtórzenia fabrycznych procedur testowania dysku, co oznaczałoby także skasowanie danych użytkownika.

Zdjęcie 3. W dalekim 2005 do *Servo Track Writing* wykorzystywane były takie oto “potwory”
Źródło: T. Yamada et al., Servo Track Writing Technology

Uszkodzenia fizyczne powstają z tego powodu, że warstwa ferromagnetyczna posiada te same cechy co i każdy inny magnes, a więc z czasem traci właściwości magnetyczne. Z reguły, skutki tego procesu w przypadku współczesnych HDD można zauważyć już po około pięciu latach, jeśli dysk jest przechowywany na półce. Raportują o tym m. in. biegli sądowi, którzy po latach próbują odczytać dowody cyfrowe. Przejawia się to w ten sposób, że liczba hash, którą biegły oblicza za każdym razem przystępując do analizy nośnika danych cyfrowych, zaczyna się nie zgadzać z liczbą hash uzyskaną wcześniej.

Badania wykazują, że degradacja warstwy magnetycznej postępuję szybszej, jeśli mamy do czynienia ze znacznymi wahaniami temperatury. W rezultacie może to doprowadzić nawet do całkowitej utraty właściwości magnetycznych, co oznacza też, że nie da się już odczytać zapisane na dysku dane.

Wysokie temperatury w połączeniu z wilgotnością zwiększają intensywność procesów korozyjnych. Warstwa magnetyczna talerzy jest wykonana z metalu i jak każdy metal jest na tą korozję narażona. Aby się przed nią uchronić warstwa magnetyczna jest pokryta dodatkowo dwoma warstwami ochronnymi, przy czym górna warstwa ochronna ma właściwości smarujące. Kiedy głowica w wyniku wibracji lub uderzeń dysku dotyka powierzchni talerza, to kontaktuje przede wszystkim z warstwą smarującą i przez to nie uszkadza się i nie uszkadza warstwy magnetycznej. Talerz może spokojnie „przeżyć” kilka takich dotknięć. Oczywiście z czasem głowica będzie zabrudzona materiałem smarującym, a przez to zwiększy się wysokość jej lotu, a w konsekwencji również wrażliwość na zmiany pola magnetycznego (zdolność do poprawnego odczytania poszczególnych bitów). W najgorszym przypadku to prowadzi do uszkodzenia całego dysku (była to główna przyczyna wysokiej awaryjności dysków twardych Seagate serii 10).

Warto pamiętać o tym, że grubość warstw ochronnych jest bardzo mała. Producenci zawsze szukają kompromisu pomiędzy ochroną warstwy z danymi a zapewnieniem głowicom możliwości odczytu mikroskopijnych zmian pola magnetycznego. Głowica musi znajdować jak najbliżej warstwy magnetycznej, a przy tym zachowywać bezpieczną wysokość lotu nad powierzchnią talerza.

Rysunek 2. Graficzne zobrazowanie przekroju talerza magnetycznego, zrobione w 1997 roku. Grubość warstw ochronnych wtedy wynosiła ok. 16 nm (0,000016 mm)
Źródło: Kanu G. Ashar, Magnetic Disk Drive Technology

Z powyższych rozważań wynika, że każde wyjście poza zakres rekomendowanych warunków eksploatacji HDD przyśpiesza degradację warstwy z danymi. Wysokie temperatury sprzyjają szybszej demagnetyzacji warstwy roboczej. W połączeniu z wysoką wilgotnością to prowadzi do jej szybszej korozji. Rekomendujemy więc sprawdzić czy Państwa dysk twardy nie przegrzewa się i w razie konieczności zainstalować dodatkowe chłodzenie. Należy również kontrolować wilgotność powietrza w pomieszczeniu, w którym znajduje się komputer. Wysoka wilgotność może prowadzić także do innych uszkodzeń techniki komputerowej.

Jeśli macie Państwo uwagi lub życzenia, to zapraszam do pozostawienia komentarzy 🙂