Динамичният термичен тротлинг е една нова функция на съвременните флаш дискове, при която контролерът умишлено забавя или дори спира работата си, за да намали температурата на клетките на NAND паметта. Това се прави, за да се запазят данните, като не се допусне прегряване на диска или задействане на циклите за изключване на неговото захранване.

С всяко следващо поколение PCIe честотната лента на PCIe линиите обикновено се удвоява. В PCIe 4.0 скоростите на SSD се доближават до теоретичния максимум от 8 GB/s. Днес SSD дисковете с PCIe Gen 5.0 x4 интерфейс са с овърклок до 10-14 GB/s, като вследствие от това контролерът става много горещ (нищо чудно, че тези чипове изобщо не живеят дълго).

Самият брой операции на миниатюрното устройство с M.2 форм-фактор води до по-високи температури не само за контролера, но и за NAND флаш паметта, тъй като тя и контролерът са физически разположени на една и съща малка подложка:

Следователно температурата им е приблизително еднаква. И това е проблемът.

Факт е, че NAND паметта в масовите SSD дискове работи оптимално в температурния диапазон до 60-70°С, но никак не е желателно да се стига по-далеч. При температури над 80-90°С вградените в SSD устройства механизми за безопасност могат принудително да изключат захранването, за да предотвратят повредата на устройството. А това може да доведе до загуба на цялата информация. Ето защо точно преди да се случи подобно нещо е програмирана процедура за термично изключване, която води до рязко намаляване производителността на устройството. Контролерът на SSD диска принудително спира операциите, за да предотврати нагряването и загубата на данни.

Това е една от причините някои SSD дискове да се продават в комплект с алуминиеви и дори медни радиатори. Охлаждането е наистина важно. Така например Crucial T700 се доставя с предварително инсталиран пасивен радиатор, а в интернет можете да намерите ревюта и отзиви за най-добрите радиатори за M.2 SSD дискове.

Компанията продава и версия без радиатор, но тя е предназначена за тези, които искат да използват вградения в дънната платка радиатор или радиатор на трета страна (което задължително изисква някакъв вентилатор на тази трета страна в кутията, който да поддържа движението на въздуха).

Дори по-старите модели PCIe 4.0 бяха оборудвани с радиатори, а за новото поколение PCIe 5.0 активното охлаждане не е неоправдано, като се има предвид увеличаването на производителността и следователно на разсейването на топлината и температурата на SSD. Проблемът е особено остър при лаптопите с техните ограничени възможности за въздушно охлаждане.

Последното поколение M.2 SSD дискове се нагряват толкова много, че за тях се разработват дори системи за водно охлаждане и супермощни вентилатори с 20 хил. оборота в минута. Може би най-екстремният пример от този вид е проектът NeonStorm на Adata. Това е самостоятелна система за течно охлаждане, която включва:

• помпа;
• резервоар с течност;
• радиатор;
• чифт вентилатори.

Размерът на системата е многократно по-голям от този на един малък M.2 SSD диск.

Adata твърди, че при съвременните PCIe 5.0 дискове пасивното отвеждане на топлината вече не може да се справи с прегряването, така че трябва да се използва активно охлаждане. И това в никакъв случай не е единственият подобен пример. TeamGroup и Inland също инсталират вентилатори на своите SSD дискове.

Аргументи против активното охлаждане

За да бъдем справедливи, трябва да отбележим, че не всички производители са на едно и също мнение. Например Micron (която произвежда SSD дискове за Crucial) все още не вижда необходимост от активно охлаждане на дисковете.

При максимални натоварвания SSD дисковете консумират не повече от 11,5 W. Но това е само при максимално натоварване, което SSD дисковете така или иначе не могат да поддържат дълго време (докато се запълни бързият кеш). Скоростите на трансфер на данни, посочени на повечето потребителски SSD дискове, са предназначени за сравнително краткотрайни натоварвания. След като DRAM и SLC кешовете се запълнят, скоростта пада до средно ниво. Затова е малко вероятно дискът да работи при пълно натоварване за продължителни периоди от време.

Разбира се, един охладител на SSD няма да навреди особено, но той е потенциална точка на повреда и ненужен източник на шум, освен ако SSD дискът ни действително не се нагорещи достатъчно, за да предизвика термично изключване. Това може да се сравни с инсталирането на супер масивен охладител на слаб Celeron – хубаво е, но няма особен смисъл. По някаква причина в тази връзка се сещаме за чудовищните вентилатори ThermaLake от 2000-те години:

Представете си колко шумен ще бъде един вентилатор с 20 000 оборота в минута, когато след няколко години лагерът му се износи.

Освен това много дънни платки имат вградени радиатори за M.2, които са несъвместими с допълнителна външна или въздушна система за охлаждане. И като цяло активното охлаждане на M.2 не е предвидено от дизайнерите, така че може да пречи на съседните компоненти на дънната платка и в кутията на компютъра.

Твърдотелен охладител

За охлаждане на SSD дисковете могат да се използват различни методи, включително пасивно (радиатори) и активно (вентилатори) въздушно охлаждане. Между другото, в тази област също се правят нововъведения. Например, на неотдавнашното изложение Computex 2023 в Тайван беше представено оригиналното устройство AirJet за активно охлаждане. Устройството с размери 42×28×3 mm изглежда като неподвижен чип, но всъщност премахва до 5,25 W топлина от охлажданата повърхност благодарение на „вибрациите на микромембраните“.

Разработчик на устройството е американският стартъп Frore Systems. Тези неща могат да се прикрепят към всякакви горещи повърхности: CPU, GPU, SSD, RAM, таблети, лаптопи и други.

Това е първият в света така наречен „твърдотелен охладител“ (solid-state cooler, solid-state thermal solution). Мембраните във вътрешността на устройството генерират мощен въздушен поток, който навлиза в AirJet през входните отвори в горната част. Вътре въздушният поток се превръща във „високоскоростни пулсиращи струи“, се казва в описанието на устройството. Въздухът преминава през топлообменник в основата, което означава, че корпусът на AirJet поема част от топлината от охлажданата повърхност и издухва горещия въздух.

За съжаление разработчиците все още не са разкрили от какъв материал са направени мембраните. Според слуховете, сред служителите на компанията има авиационни специалисти, а някои от принципите на работа на AirJet се основават на методите за охлаждане на предните ръбове на турбинните лопатки на реактивните двигатели.

По-малката версия на AirJet Mini работи при ниво на шума от 21 dBA (по скалата на нивото на шума това е сравнимо с шумоленето на страници на книга (20 dBA) или шепота (30 dBA)), консумира само 1 W, като същевременно генерира противоналягане от 1750 Pa, което е десет пъти по-високо от това на вентилатор. Генериран въздушен поток: 0,21 CFM.

Версията AirJet Pro (72×32×3 мм) отнема 10,5 W топлина при същото противоналягане. Консумация възлиза на 1,75 W, а нивото на шума е 24 dBA.

Разработчиците се надяват, че AirJet ще даде възможност за създаването на по-елегантни компютри и лаптопи, без засмукване на прах и без шум от вентилаторите, но с ефективно охлаждане.

Охлаждането на SSD дисковете е едно от основните потенциални приложения на AirJet. В момента разработчиците обмислят как да поставят AirJet върху корпуса на SSD или върху самите чипове памет. Един от факторите, ограничаващи приложението на тази технология, е необходимостта от раздвижване на въздуха в компютърната кутия, за да може топлината да се разсее навън. Но тази технология дава възможност за създаването на компактни и на практика почти безшумни компютърни устройства.

Да напомним, че в края на миналата година стартиращата компания Frore Systems заяви, че ще представи на пазара първите AirJet охлаждания за Intel и Qualcomm най-късно до края на 2023 година. Навярно тогава ще се появят и компютърни устройства, в които се използва новия тип охлаждане, както и SSD с AirJet.

Всъщност консумацията на енергия (и разсейването на топлина) на SSD дисковете може да бъде дори по-висока от тази на HDD дисковете на ниво терабайт. Всичко зависи от вида на задачата, размера на диска и производителността.

Така например първите експериментални PCI-E 5.0 SSD дискове, работещи с максимална теоретично възможна скорост от 16 GB/s, имаха максимална консумация на енергия до 25 вата. Днешните устройства със скорост около 12 GB/s са с максимална консумация от 11-12 W, което изглежда като разумен компромис.

Изводи

През последните години развитието на SSD демонстрира огромен напредък, като едновременно с това цените се понижават. Въпросът остава открит: ще успеят ли те да изместят твърдите дискове от пазара? Тук мненията на експертите драстично се различават. Някои смятат, че дните на твърдите дискове са преброени. Други пък твърдят точно обратното. Например според прогнозата на Coughlin Associates през следващите години SSD няма да могат да се конкурират с продажбите на хард дискове. Нещо повече, продажбите на твърди дискове (в екзабайти) бързо ще нарастват и дори ще изпреварят SSD.

Пазарът за съхранение на данни е на път да процъфти поради нарастващото търсене на тези услуги за нуждите на изкуствения интелект, интернет на нещата, медийните и развлекателните приложения, както и на медицинските и други приложения, които използват извличане на данни. Поради тази причина ще нараства търсенето на всички видове устройства за съхранение, включително SSD, HDD и на лентовите устройства (LTO), които са ненадминати по отношение на цената на гигабайт памет.

Единственото нещо, за което анализаторите са съгласни, е, че 3,5-инчовият форм-фактор изчезва, отстъпвайки място на 2,5-инчови и по-малки носители: критичната точка е настъпила през 2022 г.

SSD дисковете стават все по-бързи и по-горещи с всяко ново поколение. Самият факт на наличието на топлина подсказва, че е добра идея да се разсее излишната топлина: трябва да се постави радиатор или нещо по-мощно. Така или иначе, има смисъл да държите температурата под око, за да не изгубите данните си, които са най-ценното нещо.