Der Bedarf an Datenspeicherungsmöglichkeiten steigt seit Jahren kontinuierlich. Unser zunehmend digitaler Alltag führt eben dazu, dass immer mehr Daten produziert werden. Diese Daten wollen sicher gespeichert werden und sollen auch schnell zugänglich sein.

Aus heutiger Sicht ist es daher nicht verwunderlich, dass die SSDs immer beliebter werden. Die Vorzüge bezüglich Geschwindigkeit und Mobilität liegen auf der Hand. Daten werden nicht mehr mechanisch gelesen und geschrieben, sondern elektrisch, was einen enormen Einfluss auf die Geschwindigkeit hat. Wir wagen daher die Aussage, dass die Solid State Disk in den letzten Jahren zu DEM Trend-Speichermedium geworden ist. Im Zuge dieser Entwicklung verzeichnen wir auch einen Zuwachs an Datenrettungsfällen.

Um die Dynamik und das eigentliche Problem bei der Datenrettung zu verstehen, schauen wir erst einmal auf die Geschichte der SSD.

Obwohl die Solid-State-Drives ihren Ursprung schon in den 1950er haben, erfolgte der erste Versuch die Halbleitertechnik kommerziell zu nutzen erst wirklich in den 1970ern. Die Technik war damals noch unausgereift und extrem teuer (1 GB ≈ 1 Million Dollar). Somit wurden SSDs zu dieser Zeit vorwiegend in Halbleiterspeichern der frühen Supercomputer von IBM und Cray verwendet.

In den 1980er Jahren wurde eine neue Technologie für Solid-State-Laufwerke namens Flash-Speicher erfunden. Die Entwicklung von Festkörperspeichern wurde unmittelbar fortgeführt und 1991 brachte SanDisk ein 20-MB-Speichergerät für 1.000 US-Dollar auf den Markt.

Die entscheidende Wende kam aber mit den späten 90er Jahren. SSDs waren zwar teuer und auf Nischen- oder High-End-Anwendungen ausgerichtet, aber mit der breiten Vermarktung von Digitalkameras und den ersten CompactFlash Speicherkarten gewann die Flash-Technologie an Popularität. Das steigende Interesse und Nachfrage beschleunigten die Entwicklung, was im Endeffekt schließlich die Kosten pro Mega/Giga-Byte drastisch senkte.

Im Jahr 2007 war die SSD endlich marktreif. Zwar waren die Preise zu diesem Zeitpunkt immer noch recht hoch, doch immer mehr Privatnutzer interessierten sich für die neue Technik. Ab 2010 etablierte sich die SSD als Speichermedium für die breite Masse. Im Jahr 2024 sind SSDs für jedermann erschwinglich und haben in vielen Bereichen die herkömmlichen Festplatten bereits verdrängt. Allein dies veranschaulicht welche rasante Entwicklung die Flashspeicher-Technologie in kurzer Zeit erfahren hat.

Damit wir uns der Herausforderungen bei der Datenrettung widmen können, müssen wir erst den Aufbau und die Funktionsweise der SSD erläutern.

Solid State Drives basieren auf Halbleiterbausteinen. Sie haben, im Gegensatz zu Festplatten, keine mechanischen Elemente. Eine SSD besteht somit aus der Platine mit Interface (Bsp.: SATA, PCIe, NVMe, M.2 , mSata), auf dieser sind NAND-Flash-Speicher (je nach SSD mit Cache-Speicher) und Controller mit der dazugehörigen Firmware (die sich meistens auf einem ROM-Chip befindet), angeordnet. Angesteuert wird die SSD über ein Protokoll (AHCI oder NVMe).

NAND-Flash

Es ist die Speichereinheit einer SSD und besteht aus Einzel-Speicherzellen (Floating-Gate-Transistoren oder Charge-Trapping-Speicherzellen) die seriell verschaltet sind. Beim NAND-Flash-Speicher werden Daten elektronisch geschrieben/gelesen. Das geschieht, indem Spannung erzeugt und gelesen wird. NAND-Flash zeichnet sich durch hohe Speicherdichte und nicht flüchtige Datensicherung aus. Zudem werden die Informationen “chaotisch” abgelegt. Zudem kann jede einzelne Speicherzelle nur begrenzt häufig beschrieben werden.

Tauchen wir tiefer in die Materie hinein – jetzt wird es richtig technisch.

Ein NAND Block besteht aus Bit Lines und Word Lines. Die Bit Lines bestehen aus Silizium und verlaufen parallel zueinander. Die Word Lines bestehen aus Polysilizium und verlaufen senkrecht zu den Bit Lines. Dort wo sich Bit Line und Word Line überschneiden befindet sich die Speicherzelle.

Die einzelnen Speicherzellen sind sogenannte Floating-Gate-Transistoren. Es ist eine elektrisch isolierte Halbleiterschicht, die Ladung speichert.

Die Speicherzellen sind zu einer Page zusammengefasst. Pages sind die kleinsten Einheiten auf einer SSD, die gelesen oder beschrieben werden können. Mehrere Pages werden in Blocks zusammengefasst. Ein Block ist die kleinste Einheit, die gelöscht werden kann.

Die Daten werden gespeichert, indem Elektronen auf den Floating Gate gelegt oder davon entfernt werden. Gelesen werden die Bits anhand der Spannung.  Verschiedene Ladungen an den Floating-Gate-Transistoren werden in binäre Einsen und Nullen übersetzt.

Bei den Speicherzellen werden verschiede Typen verwendet die unterschiedliche Speicherdichten erlauben. Beim Single Level Cell (SLC) wird nur ein Bit pro Speicherzelle gespeichert. Multi Level Cell (MLC) speichert zwei Bits pro Speicherzelle, Triple Level Cell (TLC) drei Bits und Quadruple Level Cell (QLC) 4 Bit pro Zelle.

Controller

Der Controller mit seiner Firmware bildet die Steuereinheit der SSD. Denn um zu funktionieren benötigen Solid State Disks sehr komplexe Kontrollmechanismen. Der Controller steuert den Datenfluss zwischen den SSD-Speicherchips und dem Betriebssystem.

SSD-Controller nutzen einen FTL (Flash Translation Layer): Darin sind logische Pfade und physikalische Speicheradressen von gespeicherten Informationen abgelegt. Die FTL sagt welche gespeicherte Datei wo abgelegt ist. Zudem steuert der Controller Prozesse wie Garbage Collection, Wear Leveling, Bad Block Management, ECC und EDC etc.

Um zu verstehen, wie wichtig der Controller für die SSD ist und welche fatalen Folgen dessen Ausfall hat, widmen wir uns nun den einzelnen Mechanismen.

Wear-Leveling

Ins Deutsche übersetzt, bedeutet Wear-Leveling „Verschleißnivellierung“. Es stellt sicher, dass keine Blocks häufiger als andere beschrieben und gelöscht werden. Da die Anzahl ausführbarer Schreibvorgänge einer Flash-Speicherzelle begrenzt ist, wird durch dieses Verfahren versucht die Lebensdauer der SSD zu verlängern.

Bad Block Management

Das Bad Block Management überwacht die Speicherzellen-Abnutzung und sorgt dafür, dass Dateien aus zu stark abgenutzten/ fehlerhaften Blocks auf funktionierende NAND Blocks aus der Reserve verschoben werden. Auch dieser Prozess soll die Lebensdauer der SSD verlängern.

Error Correction Code / Error Detection Code

Bei ECC und EDC geht es um das Erkennen und die Korrektur von Bitfehlern bei der Speicherung und Übertragung von Daten, noch bevor die Zelle durch das Bad Block Management „aussortiert“ wird. Dadurch werden Datenverlust oder inkonsistente Daten vermieden.

Garbage Collection

Dieser Prozess sorgt für eine automatische Speicherbereinigung und macht das proaktive Löschen ganzer Blöcke vor jedem Schreibvorgang überflüssig. Nicht mehr benötigte Daten werden bereits vor einer neuen Beschreibung aus den Speicherzellen gelöscht. Der Hintergrund dessen ist die Tatsache, dass die Flash-Zellen nicht direkt überschrieben werden können, die enthaltenen Informationen müssen zuerst gelöscht sein.

Firmware

Firmware ist eine wichtige Komponente von Solid-State-Laufwerken (SSDs). Im Wesentlichen handelt es sich um ein Programm, das in den nichtflüchtigen Speicher eines Hardwaregeräts geschrieben ist.  Sein Zweck besteht darin, zu bestimmen wie und wo der Controller Daten schreibt. Durch die Firmware kann die SSD auch mit dem Rest eines Computersystems kommunizieren. Der Hersteller installiert die Firmware direkt bei der Produktion.

Die meisten Solid-State-Laufwerke verfügen über einen separaten ROM-Chip für die Basis-Firmware sowie einen dedizierten Bereich für die Service-Firmware (Servicebereich). Die Service-Firmware kann auf jedem oder nur einigen NAND-Flash-Chips abgelegt sein. Seltener gibt es ein kleines Segment auf dem Controller-Chip, das Overlay genannt wird, wo sich die Firmware befindet. Beispielsweise bei den M.2-Schnittstellen-SSDs, hier ist die Firmware im Controller eingebettet.

Solid State Drives sind bei den Nutzern beliebt, da Sie gegenüber den herkömmlichen Festplatten einige Vorteile vorweisen können. Sie schützen aber, wie jeder andere Datenträger auch, nicht vor Datenverlust und sind immer noch anfällig für Ausfälle. Lediglich die Ursachen sind anders.

Warum fallen SSD aus?

SSDs können kaputt gehen und ausfallen, sei es durch physische Schäden, normalen Verschleiß oder durch logische Probleme. Zum Ausfall kommt es oft aufgrund von physischen Schäden an den Flash-Chips oder Anschlüssen, Komponentenausfällen, Fehlerhaften Sektoren oder Firmware- und Controller-Problemen.

Herausforderungen und Probleme bei der Datenrettung von Solid State Disks

Bei der Datenrettung von SSDs stehen unsere Ingenieure oft vor vielen unbekannten Faktoren, denn die Wiederherstellung der Daten ist viel komplexer als bei herkömmlichen Festplatten und erfordert ein anderes Vorgehen.

Einer der Gründe ist Proprietäres Design: Die schnelle Weiterentwicklung der SSDs um bessere Leistung, schnellere Zugriffszeiten und mehr Kapazität zu erreichen. Das führt dazu, dass sich das Design jedes Mal ändert, und zwar bei jedem Hersteller anders. Denn das Wort „proprietär“ bedeutet, dass eine Technologie oder ein Produkt ausschließlich einem einzigen Unternehmen gehört, welche das Wissen über die Technologie oder das Innenleben des Produkts sorgfältig schützt.

Dies ist schon bei dem Controller und der Firmware sichtbar, denn durch die Leistung der Controller und Firmware können sich die SSDs am stärksten unterscheiden. Es wundert daher nicht, dass sich die Hersteller betreffend der genauen Funktionsweisen bedeckt halten. Über die exakte Arbeitsweise jedes einzelnen Controllers ist daher wenig bekannt, dieses Wissen muss von unseren Ingenieuren erst ermittelt werden.

Ist die Funktionsweise des Controllers anders, sind auch die Konfiguration und das Layout der Daten sowie die Art und Weise, wie auf diese zugegriffen wird, verändert. Denn die Firmware verwendet Algorithmen um die Daten fragmentiert auf die einzelnen Speicherblöcke abzulegen.

Für die Datenrettung bedeutet dies einen zeitlichen Mehraufwand, da das Layout für jedes neue SSD-Model erst herausgefunden und abgebildet werden muss.

Ein weiterer Grund ist die immer beliebtere Verschlüsselung. Es ist ein wirksames Werkzeug, um die Daten zu schützen. Doch für die Datenrettung ist es ein enormer Aufwand und es senkt die Chancen auf Erfolg beträchtlich. Im Wesentlichen bedeutet Verschlüsselung, dass die Informationen und Dateien in Blöcke von sinnlos erscheinenden Daten umgewandelt werden. Je stärker die Verschlüsselung, desto unlesbarer die Daten. Da die Daten durch den Controller bereits fragmentiert über die Speicherchips verteilt wurden haben wir bei einer zusätzlichen Verschlüsselung einen extremen Aufwand, weil die Rohdaten bei der Verschlüsselung nicht korrekt gelesen und somit auch nicht im richtigen Layout rekonstruiert werden können. Viele Nutzer wissen nicht einmal, dass die SSD verschlüsselt ist. Viele neuere SSDs sind sogenannte SEDs, selbstverschlüsselnde Laufwerke, die eine hardwarebasierte Verschlüsselung nutzen.

Vor eine Herausforderung stellen uns auch die Geräte, bei denen SSD-Laufwerke fest auf der Platine verlötet sind. Wie beispielweise Tablets oder sehr schmale und flache Notebooks. Der NAND-Speicher sowie der Controller und die dazugehörige Elektronik sind Teil der gleichen Platine, wie alle sonstigen Komponenten des Notebooks auch. Bei solchen Geräten ist die Fehlersuche, aber auch der Datenrettungsprozess selbst, erschwert und mit vielen Reparaturarbeiten verbunden.

Im Fall einer „logischen“ Datenrettung, nach versehentlichem Löschen oder Update-Fehlern, ist die TRIM ein Problem. TRIM ist wichtig, damit eine SSD dauerhaft schnell bleibt.

TRIM ist ein ATA-Befehl (Advanced Technology Attachment), einfach erklärt eine Speicherbereinigung, die im Hintergrund läuft. Bei einer SSD muss eine Zelle erst gelöscht, also mit „00“ Werten überschrieben, werden, bevor diese neu beschrieben werden kann. Dank der TRIM gibt es keine „leichte“ logische Datenwiederherstellung. Das Zeitfenster, um eine von SSD gelöschte Datei wiederherzustellen, ist sehr knapp bemessen.

Datenrettung von Solid State Disks erfordert viel Erfahrung und die Bereitschaft ständig neue Methoden zu entwickeln.

Kaum ein Speichermedium hat in den letzten Jahren eine so rasante Weiterentwicklung durchlebt. Es gibt unzählige Hersteller und noch mehr verschiedene Modelle, selbst innerhalb der gleichen Produktreihe gibt es Unterschiede. Dazu kommt, dass Manches unzureichend getestet wird und es unerwartet zu Ausfällen kommt, beispielweise durch Firmware Bugs.

All das hat ein Einfluss auf die Komplexität der SSD-Datenrettung. Diese sollte daher nur von erfahrenen und gut ausgebildeten Ingenieuren und seriösen Datenrettungslaboren durchgeführt werden. KUERT Datenrettung Deutschland verfügt über spezielle Werkzeuge, Hardware wie Software und entwickelt selbst Methoden der Datenwiederherstellung von defekten SSDs. Das Wichtigste aber sind die Erfahrung, die Kenntnisse und das Fachwissen unserer Mitarbeiter die bereits seit vielen Jahren erfolgreich Daten von SSDs retten und wiederherstellen.

Bei einer Datenrettung ist der erste Versuch entscheidend, vertrauen Sie daher Ihre wertvollen Daten nur den Experten an.

 Bei Fragen rund ums Thema SSD-Datenrettung stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. Telefonisch, per E-Mail oder über unser Kontaktformular können Sie uns jederzeit erreichen.