Los medios magnéticos: El disco rígido.

Curso de Perito en Informática Forense.

Un poco de historia…

• 1898: Valdemar Poulsen; empleado de la compañía de teléfonos de Copenhague, crea el TELEGRÁFONO.

Consistía en un micrófono que convertía el sonido en señales eléctricas. Estas señales, alimentaban una bobina con núcleo de hierro que «grababa» la variación de intensidad del campo magnético sobre un alambre de acero (una cuerda de piano) que se desplazaba respecto del electroimán. En el alambre quedaban registradas zonas de distinta magnetización, que podían luego ser leídas con el mismo electroimán para reconvertirlas en señales eléctricas.

Estas alimentaban un parlante que las transformaba en ondas de sonido.

La grabación magnética más antigua que aún se conserva se realizó con el telegráfono de Poulsen y corresponde al emperador Franz Josef de Austria hablando en la exposición de París de 1900.

• 1935: Las empresas AEG y BASF alemanas;

presentaron en la feria de Berlín el «magnetófono».

El cable de acero había sido reemplazado por una cinta flexible de acetato de celulosa, cubierta con una pintura de óxido férrico.

1956: Surge el primer disco rígido de la historia. Se utilizó en la computadora presentada por IBM conocida como RAMAC. Random Access Method of Accounting and Control – Método de conteo y control de acceso aleatorio).

El disco estaba dentro de un gabinete del tamaño de una heladera; y el motor que lo hacía funcionar tenía una potencia similar al de una mezcladora de cemento.

Era un paquete de 50 discos de aluminio cubiertos en ambas caras con una película de óxido de hierro. Cada disco tenía 60 cm de diámetro y giraba a 1200 rpm. La lectura y escritura se realizaba con un par de cabezas que se desplazaban verticalmente de un disco a otro con un control neumático. Moviéndose radialmente; accedían a una posición dada dentro del disco seleccionado. La unidad tenía una capacidad total de cinco megabytes.

El principio básico de funcionamiento se mantiene vigente aun en nuestros días; y es válido para explicar la funcionalidad de los discos modernos.

Principio de funcionamiento. Se utilizan tres principios de física básica:

1. Una corriente eléctrica produce un campo magnético (Ley de Ampere).

2. Las variaciones del campo magnético inducen una tensión en una bobina (Ley de Faraday-Lenz).

3. Los dominios o bits en un material magnético tienden a orientarse en la dirección del campo aplicado (Interacción Zeeman).

En el sistema Poulsen; el cabezal es un electroimán (una bobina enrollada sobre un material magnético blando). Este material sirve tanto para escribir (usando las propiedades 1 y 3) como para leer la información magnética (usando la 2). El cabezal convierte la señal eléctrica, en un campo magnético variable, que magnetiza al medio de una manera proporcional a la intensidad de la señal. Para que la información guardada dure en el tiempo el medio debe ser un material que conserve su magnetización, en presencia de campos externos. Si se pasa el cabezal sobre una zona determinada, los cambios de magnetización en el medio, producen variaciones en el campo magnético superficial que a su vez inducen una señal eléctrica en el electroimán.

¿Cómo se genera la lectoescritura?

Grabación paralela o longitudinal.

El cabezal de escritura crea campos o estados magnéticos paralelos a la superficie del material magnetizable que se corresponden con las señales binarias de datos. Si se desea grabar un ‘0’ se genera un campo magnético que quede paralelo a la región contigua. El ‘1’ corresponde a orientaciones de campo opuestas. El cabezal también detecta estos estados magnéticos que fueron previamente grabados; ya que intercepta las líneas de flujo que salen de las regiones magnetizadas y genera una señal de voltaje.

Grabación perpendicular.

El cabezal está diseñado para que genere un campo magnético perpendicular a la superficie; y por eso es necesario tener un polo de «regreso» para las líneas de campo.

El disco rígido.

Medio magnético. Transductor o cabezal de lectoescritura.

Electrónica.

El medio magnético.

Características:

• Debe ser estable magnética y térmicamente.

• Poseer granos muy pequeños cristalinamente orientados, magnéticamente aislados y de alta anisotropía magnética; es decir, que se magneticen fácilmente en alguna dirección preferencial.

• Tienen que ser resistentes a la corrosión y al uso.

En los primeros discos se utilizaron óxidos de hierro magnéticos que se depositaban con técnicas químicas; o se pintaban sobre el sustrato. A medida que se fue incrementando la densidad de información; se hizo necesario cambiar a materiales con mejor desempeño y agregar capas adicionales que ayudan, a mejorar la estabilidad magnética y evitar la corrosión.

Estructura del medio magnético en el disco moderno.

Aleación de Cr

La estructura es cada vez más compleja por el incesante aumento de bits por unidad de área. Son necesarias al menos siete capas (varias con espesores de solo algunas distancias atómicas) para lograr un disco con las características deseadas.

La capa gruesa de CoCrPtB (cobalto, cromo, platino y boro; pintada de color gris) es la que guarda la información.

Como sustrato y soporte de las capas se usa un disco de aluminio o de vidrio, generalmente de 8,9 o de 6,3cm de diámetro.

Sobre el sustrato se deposita una película de NiP (Niquel – Fósforo) para darle una mejor terminación a la superficie. En la superficie superior se deposita una capa de carbón tipo diamante que es muy delgada y cumple la función de proteger a la capa magnética de la corrosión. Sobre ella se deposita una delgadísima capa lubricante de un espesor promedio menor a una molécula. Las capas de cromo (Cr) y cromo cobalto (CoCr) tienen como objetivo lograr que la película magnética crezca en forma epitaxial, es decir, que los granos de cobalto tengan su eje de magnetización fácil paralelo al plano del film. De este modo, tanto la energía magnetostática como la cristalina favorecen que la magnetización quede en este plano.

En todos los discos que actualmente se comercializan se utiliza la grabación longitudinal.

La capa siguiente de cobalto – cromo – platino - boro (CoCrPtB) de 3nm junto con la delgadísima capa de rutenio (Ru) son para mejorar la estabilidad magnética.

El elemento magnético es el cobalto y la función de los otros elementos químicos es, fundamentalmente, la de aislar sus granos para disminuir la interacción de intercambio entre ellos y lograr que el tamaño de grano sea lo más uniforme posible.

Los granos magnéticos son separados por regiones no magnéticas, para poder magnetizar una región; sin alterar las demás.

Actualmente se busca disminuir el tamaño de cada partícula magnética; en la carrera por aumentar la densidad de bits por unidad de área.

El bit se define como la región en la que se puede invertir la magnetización, sin afectar a las regiones vecinas. Cada bit contiene algo menos de 1000 granos.

En los discos modernos el tamaño del bit es

250nm x 30nm. Y las regiones de transición

entre bits (en donde no se guarda información) son

de menos de 10nm.

Microscopía de alta resolución de un medio magnético moderno. Es la aleación de cobalto, cromo, platino y boro. Los granos oscuros corresponden al cobalto cristalino. Las regiones claras que rodean a los granos magnéticos están compuestas por el resto de los elementos.

El rectángulo indica el tamaño aproximado de un bit de información.

Escala 1:1500

Si multiplicáramos las medidas de un disco rígido por 1500; el mismo tendría el tamaño aproximado de una cancha de fútbol.

En estas condiciones; la distancia o separación entre el cabezal y el plato; es aproximadamente la mitad del diámetro de un cabello humano (25 micrómetros).

Aun a esta escala; cualquier imperfección en la superficie del plato; o cualquier partícula que se interponga; sería con consecuencias catastróficas para el disco.

¿Podemos recuperar información eliminada de un disco?

¿El mito del equipo de recuperación?

Es frecuente toparse con el comentario de la existencia de una máquina (en algunos casos llamado microscopio electrónico); en la NASA; el Instituto Balseiro; o cualquier otra entidad de renombre; capaz de recuperar cronológicamente las improntas magnéticas del disco; y disponer de un historial de la información del mismo; o posibilidades similares.

El origen. En 1996; un científico del Departamento de Ciencias de la Computación de la universidad de Auckland; de nombre Peter Gutmann; escribe un artículo haciendo mención al relato del microscopio electrónico.

En 2007; los autores Serdar Yegulalp y Daniel Feenberg; cuestionan la afirmación de Gutmann; y consultan directamente al Director Senior de Software de la firma Ontack Data Recovery. La respuesta de este fue un rotundo NO a la posibilidad de recuperación por ese medio. Sin embargo; no se había presentado evidencia a favor ni en contra de la posibilidad.

El microscopio de Fuerza Magnética (MFM)

En el Laboratorio de Resonancia Magnética del Instituto Balseiro; se dispone de un microscopio de fuerza magnética (MFM); capaz de leer los bits en un material magnético; como es el caso de los discos rígidos.

Para lograr 1 cm2 de medición de superficie; se requieren 100.000 mediciones; que demandan 10 minutos cada una.

Cada cara de un plato de disco posee aproximadamente; 20 cm2.

Es evidente que necesitaríamos de años de medición para obtener una imagen completa del disco.

Aun así; si lográramos la proeza; tendríamos que saber que formato se utilizó para codificar los bits que obtuvimos; a efectos de poder «leerlo».

Más allá de los inconvenientes que suscita el intento de recuperación mencionado anteriormente. Se puede concluir que la recuperación es posible; solo si las marcas magnéticas no fueron sobrescritas.

Si las marcas magnéticas fueron modificadas en su totalidad por nuevas; o por ejemplo; si el disco fue reescrito en su totalidad con ceros o unos (Herramientas de «Fill with zeros») ; ES IMPOSIBLE LA RECUPERACIÓN. Debido a los principios de la física involucrados en las grabaciones magnéticas; ya vistos en el presente.

• Magnetismo en films y multicapas - Alejandro Butera – Doctor en Física – Laboratorio de Resonancias magnéticas – Instituto Balseiro – Centro atómico Bariloche.

• Docente: Ariel Elias.

Bibliografía.