Почему на новые SSD ставят вентиляторы. Термотроттлинг

ineo M.2 2280 SSD Rocket Heatsink с вентилятором, источник ^[1]

Динамический термотроттлинг ^[2] — функция современных SSD, когда контроллер специально замедляет/приостанавливает свою работу, чтобы снизить температуру ячеек памяти NAND. Он делает это ради сохранения данных, чтобы накопитель не перегрелся и не сработали контуры отключения питания.

С каждым поколением PCIe пропускная способность линий PCIe обычно удваивается. В PCIe 4.0 скорость SSD приближалась к теоретическому максимуму 8 ГБ/с. Сегодня SSD PCIe Gen 5.0 x4 разгоняются до 10−14 ГБ/с, при этом сильно нагревается контроллер (неудивительно, что эти микросхемы вообще долго не живут ^[3]).

Огромное количество операций на крошечном устройстве форм-фактора M.2 приводит к повышению температуры не только контроллера, но и флэш-памяти NAND, поскольку они с контроллером физически расположены на одной маленькой подложке:

Стандартная архитектура SSD

Следовательно, у них примерно одинаковая температура. А вот это уже проблема.

Дело в том, что NAND в массовых SSD оптимально работает в температурном диапазоне до 60−70° C ^[4], а вот идти дальше уже нежелательно. При температуре более 80−90° C встроенные механизмы безопасности SSD могут принудительно отключить питание устройства, чтобы предотвратить его повреждение. А непосредственно перед этим запрограммирована процедура термотроттлинга с резким падением производительности накопителя. Контроллер SSD принудительно приостанавливает операции, чтобы предотвратить нагрев и потерю данных.

Нагрев ячейки NAND повышает риск потери данных из-за утечки электронов, источник ^[5]

Увеличение количества ошибок NAND при повышении рабочей температуры, источник ^[6]

В этом одна из причин, по которой некоторые SSD продаются в комплекте с алюминиевыми и даже медными радиаторами. Охлаждение действительно важно. Например, Crucial T700 ^[7] идёт с предустановленным пассивным радиатором, а в интернете можно найти обзоры лучших радиаторов для SSD M.2 ^[8].

Компания продаёт и версию без радиатора, но она предназначена для тех, кто хочет использовать встроенный радиатор материнской платы или радиатор стороннего производителя (при этом обязательно требуется какой-нибудь сторонний вентилятор в корпусе, чтобы воздух двигался).

SSD Crucial T700

Радиаторами оснащались даже старые модели PCIe 4.0, а для нового поколения PCIe 5.0 нелишним будет и активное охлаждение, учитывая рост производительности и, следовательно, тепловыделения и температуры SSD. Проблема особенно остро стоит в ноутбуках с их ограниченными возможностями воздушного охлаждения.

Последнее поколение M.2 SSD нагревается уже до такой степени, что для него разрабатывают даже системы водяного охлаждения и супермощные вентиляторы на 20 тыс. оборотов в минуту. Пожалуй, самый экстремальный пример такого рода — Project NeonStorm ^[9] от компании Adata. Это автономная система жидкостного охлаждения, которая включает в себя:

• насос;
• резервуар с жидкостью;
• радиатор;
• пару вентиляторов.

Система многократно больше по размеру, чем маленький SSD формата M.2.

Adata Project NeonStorm

Adata утверждает, что в современных накопителях PCIe 5.0 пассивный отвод тепла уже не справляется с перегревом, поэтому необходимо использовать активное охлаждение. И это далеко не единственный такой пример. Компании TeamGroup и Inland также устанавливают вентиляторы на свои SSD.

Inland TD510 2TB PCIe Gen5 NVMe SSD, источник ^[10]

▍ Аргументы против активного охлаждения

Справедливости ради нужно отметить, что не все производители едины в таком мнении. Например, компания Micron (делает SSD для Crucial) пока не видит необходимости ^[11] в активном охлаждении накопителей.

При пиковых нагрузках SSD потребляют не более 11,5 Вт. Но это именно при пиковой нагрузке, которую SSD всё равно не в силах поддерживать длительное время (пока не заполнится быстрый кэш). Скорость передачи данных, указанная на большинстве потребительских SSD-накопителей, рассчитана на относительно кратковременные нагрузки. После заполнения кэшей DRAM и SLC скорость падает до среднего уровня. Поэтому маловероятно, что накопитель будет работать с полной нагрузкой в течение длительного времени.

Конечно, кулер на SSD не принесёт никакого особого вреда, но это потенциальная точка отказа и ненужный источник шума, если наш SSD действительно не нагревается до такой степени, чтобы включался термотроттлинг. Это можно сравнить с установкой сверхмассивного кулера на слабенький Celeron — красиво, но смысла особого нет. Почему-то в связи с этим вспоминаются вентиляторы-монстры ThermaLake из 2000-х ^[12]:

Представьте, как начнёт шуметь вентилятор на 20 000 оборотов в минуту, когда его подшипник износится через пару лет.

Кроме того, во многих материнках есть встроенные радиаторы для M.2, которые несовместимы с дополнительной системой внешнего или воздушного охлаждения. Да и вообще, активное охлаждение M.2 не предусмотрена проектировщиками, поэтому может банально мешать соседним компонентам на материнской плате и в корпусе ПК.

▍ Твердотельный кулер

Для охлаждения SSD можно использовать разные методы, в том числе пассивное (радиаторы) и активное (вентиляторы) воздушное охлаждение. Кстати, в этой области тоже происходят инновации. Например, на недавней выставке Computex 2023 на Тайване было представлено оригинальное устройство AirJet ^[13] для активного охлаждения. Девайс размером 42×28×3 мм выглядит как неподвижная микросхема, но на самом деле снимает с охлаждаемой поверхности до 5,25 Вт тепла за счёт «вибрации микромембран».

Разработчик устройства — американский стартап Frore Systems ^[14]. Такие штучки можно прикреплять к любым горячим поверхностям: CPU, GPU, SSD, оперативная память, планшеты, ноутбуки и др.

Это первый в мире так называемый «твердотельный кулер» (solid-state thermal solution). Мембраны внутри устройства генерируют мощный поток воздуха, который поступает в AirJet через входные отверстия в верхней части. Внутри воздушный поток преобразуется в «высокоскоростные пульсирующие струи», сказано в описании устройства. Воздух проходит через теплообменник в основании, то есть корпус AirJet забирает на себя часть тепла с охлаждаемой поверхности и выдувает горячий воздух.

К сожалению, разработчики пока не раскрыли, из какого материала сделаны мембраны. По слухам ^[15], среди сотрудников компании есть специалисты по авиации, а некоторые принципы работы AirJet основаны на методах охлаждения передних кромок лопаток турбин реактивного двигателя.

Схема работы модуля AirJet

Маленькая версия AirJet Mini ^[13] работает с уровнем звука 21 дБА (по шкале уровня шума это сравнимо с шелестом страниц книги (20 дБА) или шёпотом (30 дБА)), потребляет всего 1 Вт, создавая при этом противодавление в 1750 Па, что в десять раз выше, чем у вентилятора. Генерируемый воздушный поток: 0,21 CFM.

Версия AirJet Pro ^[16] (72×32×3 мм) снимает 10,5 Вт тепла с тем же показателем противодавления. Энергопотребление 1,75 Вт, уровень шума 24 дБА.

Разработчики надеются, что AirJet позволит создавать более элегантные компьютеры и ноутбуки, без засасывания пыли и шума вентиляторов, но с эффективным охлаждением.

Охлаждение SSD — одно из основных потенциальных применений AirJet. Сейчас разработчики размышляют, как разместить AirJets на корпусе SSD или на самих микросхемах памяти. Одним из факторов, ограничивающих применение этой технологии, является необходимость в воздухозаборнике.

На самом деле энергопотребление (и тепловыделение) SSD бывает даже больше, чем у HDD ^[17], в расчёте на терабайт. Всё зависит от типа задачи, объёма накопителя и производительности.

Так, первые экспериментальные SSD PCI-E 5.0, работавшие близко к максимально теоретически возможной скорости 16 ГБ/с, имели потребляемую мощность до 25 Вт в пике. Современные устройства примерно на 12 ГБ/с — максимум 11−12 Вт, что кажется разумным компромиссом.

▍ Выводы

В последние годы разработка SSD демонстрирует огромный прогресс, цены тоже снижаются. Открытым остаётся вопрос: смогут ли они вытеснить с рынка HDD? Тут мнения экспертов кардинально расходятся. Одни считают, что дни жёстких дисков сочтены. Другие говорят полностью противоположное. Например, по прогнозу Coughlin Associates ^[18], в ближайшие годы SSD не смогут составить никакой конкуренции продажам HDD. Более того, объёмы продаж HDD (в экзабайтах) будут расти бурными темпами, даже опережая SSD ^[19].

Рынок хранения данных ждёт процветание в связи с растущим спросом на эти услуги для приложений ИИ, интернета вещей, медиа и развлечений, а также медицинских и других приложений, которые используют дата-майнинг. В связи с этим вырастет спрос на все типы накопителей, включая SSD, HDD и ленточные накопители (LTO), которые не имеют равных по стоимости хранения гигабайта.

Единственное, с чем согласны аналитики, так это что форм-фактор 3,5" постепенно исчезает, уступая место 2,5" и более компактным носителям: перелом случился в 2022 году ^[20].

С каждым новым поколением накопители SSD становятся всё быстрее и горячее. Сам факт нагрева намекает, что неплохо бы отводить лишнее тепло: поставить радиатор или что-то помощнее. В любом случае, есть смысл следить за температурой ^[21].

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️ ^[22]

Автор:
ru_vds

Источник ^[23]