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Como funcionam os dispositivos de armazenamento? | 360 Explica

por Engenharia 360 | 26/10/2020
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Entenda como funcionam os diferentes dispositivos e como as informações são armazenadas neles.

Já ficou curioso para saber como funcionam os dispositivos de armazenamento ou como peças relativamente pequenas – como cartões de memória, pen drives, HDs e SSDs podem armazenar tanta informação? Para saber mais, nós conversamos com João van Dinteren, Sr. Principal Engineer na Western Digital, que tirou todas as nossas dúvidas. Confira!

Como são projetados os dispositivos de armazenamento?

R: Os dispositivos de armazenamento são projetados visando atender os requisitos do cliente ou ainda de aplicação típica, abaixo estão os itens mais comuns a serem considerados:

  • Tipos de dados a serem armazenado: áudio/vídeo, fotos, documentos etc.
  • Perfil de utilização: barramento de dados (SATA, SAS, NVMe, Fibre Channel (FC)), ciclos de horas operação, fatores ambientais (umidade, temperatura, vibração e impacto) entre outros.
  • Perfil de configuração: Boot (OS), NAS, DAS, JBOF, JBOD, Surveillance, Storage Server, Data Center etc.
  • Perfil de dados armazenados: Quantidades de dados a serem gravados (Terabytes Written ou TBW), velocidade de resposta do dispositivo ao Host.

Os dispositivos de armazenamento consideram estas e outras características para que o projeto de seus componentes (eletromecânicos e eletrônicos) atenda aos requisitos de durabilidade, confiabilidade e performance das aplicações típicas executadas pelos clientes.

Como curiosidade, no projeto do HDD (Sistemas de Gravação, Sistemas Mecânicos do Servo e Sistemas Eletrônicos), são utilizadas diversas áreas do conhecimento humano, dentre elas podemos citar: Mecânica de Fluidos, Aerodinâmica, Resistências dos Materiais, Tribologia, Foto-Litografia, Termodinâmica, Programação e Processamentos de Sinais.

Já para o Projeto do SSD/Flash, utilizam-se os mesmos sistemas básicos, excluindo a parte de Sistemas Mecânicos do Servo, Mecânica dos Fluidos, Aerodinâmica e Tribologia, devido à ausência das partes móveis e interação entre elas.

imagem de dispositivo de armazenamento da san disk
Imagem: Western Digital

Este é um dos motivos que levou a Western Digital, líder global em soluções de armazenamento, a criar identidades baseadas em cores/nomes visando ajudar os clientes a identificarem facilmente suas necessidades:

  • WD Green – usuários que priorizam a economia ou que querem fazer um primeiro upgrade, mas não abrem mão da performance em suas tarefas diárias;
  • WD Blue – usuários que necessitam equilíbrio entre performance e custo nas aplicações que demandam uma maior performance;
  • WD Black – usuários que necessitam de altíssima performance e desempenho superior, como gamers;
  • WD Purple – usuários que necessitam de um HDD projetado para videovigilância com trabalhos de 24/7 de até 64 câmeras;
  • WD Red – usuários que necessitam de drives 24×7 para serem utilizado em NAS ou ainda em arranjos RAID de armazenamento residencial ou mesmo para pequeno/médio escritório, além de possibilitar acesso remoto;
  • WD Gold – usuários empresariais de grande porte que necessitam de alta capacidade de drives “Enterprise-Class” de reposição. Projetado para data centers;
  • UltraStar – usuários que necessitam de drives de elevada capacidade para escrita sequencial com massiva capacidade de armazenamento e baixo TCO.

Como a informação é gravada nesses dispositivos?

Vamos abordar os dispositivos de armazenamento que se utilizam das tecnologias de gravação eletromagnética (famoso HDD – Hard Disk Drive – com partes mecânicas móveis) e dos dispositivos eletrônicos (sem partes mecânicas móveis) que utilizam transistores como elementos básicos de armazenamento, mais comumente conhecidos como SSD (Solid State Drives):

SSD:

São dispositivos que fazem o armazenamento de dados em unidades básicas de memórias do tipo NAND. Vamos explicar como os dados são gravados nessa unidade básica:

  • Memórias NAND, basicamente utiliza-se de transistores na configuração do tipo “floating gate”, um tipo de Transistor MOSFET.
  • Quando o transistor está “eletricamente carregado”, indica que está armazenado “0” e quando está “eletricamente descarregado”, indica que está armazenado “1”, falando de uma forma bem simplista.
  • Existe uma matriz que controla o endereçamento dos transistores, fazendo com que os dados sejam armazenados/lidos nas unidades básicas.

O mesmo conceito é utilizado para os Flash drives (PenDrive), mas os SSDs possuem uma confiabilidade e velocidade de troca de dados ainda maior.

Originalmente, o SSD foi desenvolvido utilizando tecnologia bi-planar (2D NAnd); com o desenvolvimento dos processos de fabricação foi possível desenvolver o SSD Tri-planar (3D NAnd) muitas vezes referido como “SSD Z Type”.

Existem ainda tipos de células que podem armazenar de 1 até 4 bits. São os SSD dos tipos:

  • SLC: Célula de armazenamento de um único bit;
  • MLC: Célula de armazenamento de dois bits;
  • TLC: Célula de armazenamento de três bits;
  • QLC: Célula de armazenamento de quatro bits;

HDD:

São dispositivos eletromecânicos que possuem basicamente 5 peças:

  • Motor que faz a mídia girar no interior do HDD.
  • Mídia (alumínio ou vidro) recoberta por camadas que podem ser sensibilizadas por campos eletromagnéticos de forma a gravar e apagar os dados neles armazenados.
  • Um conjunto de leitura e escrita, por face da mídia, capaz de gerar campos eletromagnéticos de forma a ler ou escrever na Mídia, nunca tocando a mídia. A tecnologia atual faz com que a distância entre a mídia e as cabeças de gravação seja da ordem de 10nm (nanômetros).
  • Atuador é a parte do HDD que faz com que as cabeças de leitura e gravação se movimentem sobre a mídia.
  • PCBA ou placa de controle do HDD é onde toda a inteligência do HDD está colocada de forma a se comunicar entre o Host (Computador) e com o armazenamento dos dados no HDD.

Muito diferente do que a maioria das pessoas julga ser o funcionamento do Disco Rígido, o conjunto de gravação de dados não fica “flutuando” sobre a mídia devido ao efeito eletromagnético, mas sim devido ao conjunto de gravação ter formato aerodinâmico e ao fluxo interno de Ar/He no interior do HDD, fazendo ele ‘voar’ sobre a mídia.

Qual a diferença entre HDD e SSD?

A maior diferença entre estes dispositivos de armazenamento é o conceito de funcionamento. O HDD realiza gravações e leituras utilizando dispositivos eletromagnéticos. Já o SSD funciona através do armazenamento de uma carga elétrica em uma unidade de memória.

As principais diferenças entre HDD e SSD que podemos apontar são:

  • Velocidade na operação – um SSD (atualmente) pode ter taxas de transferências, nominais, de 20 vezes as de um HDD.
  • O SSD não possui partes mecânicas móveis, já o HDD possui. Isto faz que o SSD permita uso em outros nichos de aplicações que o HDD não pode ser aplicado. A recíproca é válida para aplicações que necessitam de baixo TCO. Neste caso, o HDD pode ser a melhor opção. Hoje, com o projeto apropriado, o HDD vem sendo montado em DVR automotivos com performance muito boa.

Atualmente, os HDD e SSD são tecnologias complementares para armazenamento, buscando o equilíbrio em custo e performance.

imagem de dispositivo de armazenamento da san disk
Imagem: Western Digital

Os dispositivos de armazenamento são recicláveis? Dá para reaproveitar algum componente quando eles estragam?

Do ponto de vista de reciclagem, o HDD/SSD possui vários materiais “nobres” que podem ser reciclados, como alumínio, vidro, plásticos e ouro, mas também outros que têm seu uso controlado/restrito, por este motivo é muito importante fazer o descarte adequado do material.

Quanto aos componentes serem reaproveitados, o HDD e SSD são projetados para não haver necessidade de manutenção/intervenções durante sua vida útil.

Em caso de danos ao hardware, existe alguma forma possível de recuperar os dados?

Em HDDs e SSDs, caso as unidades básicas de armazenamento estejam intactas, é possível “recuperar” dados após uma falha do hardware. Dependendo da falha, a recuperação pode ser feita por software, mas para falhas mais complexas, até mesmo a utilização de sala limpa pode ser necessária. Por esse motivo, nunca abra um HDD caso ele apresente falha, pois contaminantes externos podem piorar ainda mais a situação.

Aqui vale lembrar que se o dano for na mídia do HDD, a recuperação dos dados é parcial, limitando-se aos LBA’s (Logical Block Addressing) que não foram danificados.

Já para os SSD, a recuperação pode ser feita transferindo os chips de armazenamento para dispositivos capazes de fazer a leitura destes dados.

Caso o HDD seja escrito com “0”, não será mais possível recuperar os dados. O mesmo ocorre para o SSD, caso o comando “Trim All” esteja habilitado ou seja executado pelo usuário em toda a mídia do SSD. Seria como escrever “zeros” no HDD.

Como funciona o sistema de segurança dos dispositivos protegidos por senha?

Normalmente, os dispositivos de armazenamento que possuem segurança utilizam um algoritmo de encriptação avançado do tipo AES 128 bits ou 256 bits. Vale lembrar que os dados serão gravados no dispositivo de armazenamento de forma criptografada.

Se a solução AES utilizada for armazenada por hardware, fica internamente ao dispositivo e em caso de esquecimento da senha (que não a padrão – escrita na parte externa do Drive), não tem como ser removida e os dados não poderão ser acessados, perdendo-se todos os dados e o dispositivo.

No caso de dispositivos que utilizam a solução por software, a senha pode ser apagada, mas todo o conteúdo do dispositivo também será apagado. Este é o caso dos drives externos Western Digital que acompanham a solução.

Caso seja formatado ele perde a segurança por autenticação?

Para dispositivos Western Digital com criptografia por hardware, o dispositivo não poderá mais ser acessado, ou seja, não se consegue formatar o armazenamento.

Para dispositivos Western Digital com criptografia por software, mais especificamente falando dos drives externos com criptografia, a formatação devido ao esquecimento da senha reseta a unidade ao padrão de utilização sem criptografia implementada.

Leia também: Qual o computador ideal para Engenharia em 2020?

Você já conhecia essas informações sobre os dispositivos de armazenamento? Comente!

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