Динамический термотроттлинг — 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).
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, 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
Увеличение количества ошибок NAND при повышении рабочей температуры, источник
В этом одна из причин, по которой некоторые SSD продаются в комплекте с алюминиевыми и даже медными радиаторами. Охлаждение действительно важно. Например, Crucial T700 идёт с предустановленным пассивным радиатором, а в интернете можно найти обзоры лучших радиаторов для SSD M.2.
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 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
▍ 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 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 Thermaltake из 2000-х:
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 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. 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, 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 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 (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, 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, 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.
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.
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.
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️
