So können Sie SSD-Überhitzung verstehen und vermeiden

Ursachen und Bedeutung einer SSD-Überhitzung

Die meisten der häufig verwendeten SSDs in kommerziellen und privaten Anwendungen sind überhitzungsgefährdet. SSDs können aus einer Vielzahl von Gründen heiß werden. Das Hauptproblem ist die Eigenschaft des elektrischen Widerstands, ein allgegenwärtiges Problem in der gesamten Elektronik. SSDs sind da keine Ausnahme.

Hitze war nicht immer ein Problem für SSDs. Frühere Generationen der Technologie, wie zum Beispiel einfache, leistungsschwache SATA-SSDs, hatten kein großes thermisches Problem. Wenn heute von überhitzenden SSDs die Rede ist, sind damit fast immer Hochleistungs-SSDs gemeint, die die NVMe-Schnittstellenspezifikation verwenden. Aktuelle Hochleistungs-NVMe-SSDs bieten höhere Datenübertragungsraten als ihre Vorgänger. Sie verfügen über eine weitaus größere Verarbeitungsleistung als ältere Modelle. All diese zusätzliche, dichte Hardware und die höhere Speicheraktivität schlagen sich in Wärme nieder.

Wie heiß ist heiß? Ein typischer NAND-Speicherchip für Endverbraucher funktioniert bei Temperaturen zwischen 0 und 70 bis 85 Grad Celsius. Ohne Kühlkörper erreicht eine Gen3x4-SSD bei einer Umgebungstemperatur von 25 Grad Celsius innerhalb von drei Minuten 70 Grad Celsius. Eine Gen4x4-SSD erreicht 70 Grad in 40 Sekunden. Wenn der Chip 70 Grad Celsius erreicht, beginnen die Probleme.

Dieses Problem wird immer ernster, da die SSDs mit der Entwicklung der PCIe-Technologie, die jetzt auf Gen5 zusteuert, immer schneller werden. Die Herausforderung für SSD-Hersteller besteht darin, die Leistung weiter zu steigern und gleichzeitig mit der vom SSD-Controller und anderen Komponenten erzeugten Wärme fertig zu werden.

Gründe für eine SSD-Überhitzung

Der elektrische Widerstand ist der Hauptgrund für die Überhitzung von SSDs. Andere Faktoren können dieses grundlegende physikalische Gesetz noch verschärfen. Eine M.2-NVMe SSD kann Millionen von Prozessen gleichzeitig ausführen. Dies nimmt mit jeder SSD-Generation zu.

Außerdem funktioniert der NAND-Flash nicht in Isolation. Das Laufwerk ist in der Regel in einem Stück Hardware untergebracht, das auch einen integrierten Schaltkreis für den Controller und andere wärmeerzeugende Elektronik enthält, die auf einer begrenzten Leiterplattenfläche untergebracht sind.

Die SSD kann mit mehreren gestapelten DIEs pro Chip konstruiert werden. In einigen Fällen ist das Design doppelseitig, was gut für die Raumeffizienz ist, aber wie eine Sandwich-Isolierung für die innere Kupferleiterplatte wirkt.

Wenn die SSD in einem Gehäuse untergebracht ist, das nur einen begrenzten oder gar keinen Luftstrom hat, wird das Wärmeproblem noch größer. Wenn die Plattform keinen Lüfter hat, werden die Kühlungsprobleme weiter verschärft. Die Umgebungstemperatur des Geräts, in dem sich die SSD befindet, sowie die Temperatur des Raums, in dem sie untergebracht ist, tragen ebenfalls zu den thermischen Problemen der SSD bei.

Während dies in einem gut gekühlten Rechenzentrum kaum ein Problem sein mag, kann die Umgebungstemperatur leicht 50 Grad Celsius erreichen, wenn die SSD in einem Hochgeschwindigkeits-PC mit anderen Geräten auf dem Motherboard läuft, die Wärme erzeugen. Bei dieser Temperatur ist das Laufwerk kurz davor, seine Wärmegrenzwerte zu überschreiten, selbst im Leerlaufzustand.

Weitere Ursachen, die zu einer SSD-Überhitzung führen, sind die folgenden:

• Höhere Datendichte: Moderne SSDs haben eine höhere Datendichte, was zu häufigeren Lese-/Schreibvorgängen führt und mehr Wärme erzeugt.
• Übermäßige Arbeitsbelastung: Kontinuierliche Lese- und Schreibvorgänge, insbesondere bei intensiven Aufgaben, können zur Überhitzung von SSDs führen.
• Ausfall des Kühlsystems: Schlechte Belüftung, Staubansammlungen oder das Fehlen einer angemessenen Kühlung können zu einer Überhitzung der SSD führen.
• Elektrische Probleme: Unregelmäßige Stromversorgung, fehlerhafte Komponenten oder schlecht konzipierte Schaltkreise können zur Wärmeentwicklung beitragen.
• Firmware-Probleme: Veraltete oder beschädigte Firmware kann dazu führen, dass SSDs an Leistung und Stromsparfunktionen verlieren, was zu einer Überhitzung führen kann.
• Begrenzter Luftstrom: SSDs, die in Gehäusen mit eingeschränktem Luftstrom oder in lüfterlosen Systemen untergebracht sind, sind anfälliger für Überhitzung.
• Umgebungstemperatur: Hohe Raumtemperaturen oder die Nähe zu anderen wärmeerzeugenden Komponenten können die thermischen Probleme von SSDs verschlimmern.

Auswirkungen einer SSD-Überhitzung

Überhitzung verschlechtert die Leistung eines M.2-NVMe-SSDs und beeinträchtigt die Datenvorhaltung und -ausdauer. SSDs bewahren Daten auf, indem sie Elektronen im Transistor-Gate einfangen. Durch die Erkennung der Anzahl der Elektronen unterscheidet die SSD zwischen Nullen und Einsen, die die digitalen Daten ausmachen.

Übermäßige Hitze führt zu einer Erhöhung der Energie der Elektronen in der Charge Trap/Floating Gate des Laufwerks, wodurch sie leichter entweichen können, was zu einer höheren Anzahl von Bitfehlern führt. Wenn es zu viele Bitfehler gibt, treten Fehler auf, die nicht mehr zu korrigieren sind.

Außerdem können die Temperaturschwankungen während des Betriebs des SSD-Geräts zu einem „Cross-Temperature“-Effekt führen, bei dem das Laufwerk bei einer niedrigen Temperatur schreibt, aber bei einer hohen Temperatur liest. Wenn die Temperatur von niedrig auf hoch oder von hoch auf niedrig wechselt, verschiebt sich die Schwellenspannung erheblich, was zu fehlerhaften Bits führt.

Die wichtigsten Negativauswirkungen der SSD-Überhitzung sind:

• Leistungsverschlechterung: Überhitzung kann dazu führen, dass das System langsamer wird und die Lese- und Schreibgeschwindigkeit der SSD sinkt.
• Probleme mit der Datenspeicherung: Übermäßige Hitze kann zu Elektronenlecks im NAND-Flash-Speicher führen, die Bitfehler und möglicherweise nicht korrigierbare Fehler verursachen.
• Geringere Ausdauer: Hohe Temperaturen können die Lebensdauer der SSD verkürzen und ihre allgemeine Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
• Physische Schäden: Länger anhaltende Überhitzung kann zu physischen Verformungen und Schäden an den SSD-Komponenten führen.
• Datenverlust: In schweren Fällen kann die Überhitzung zu Byte-Beschädigungen und Datenverlust führen.

Wärmedrosselung und ihre Effekte auf SSDs

Um SSDs vor einer schlechten Speicherqualität aufgrund von Überhitzung zu schützen, wurde der Mechanismus der thermischen Drosselung entwickelt und in der Firmware des Controllers weitgehend implementiert. Wenn der Chip eine Temperatur von 70 Grad Celsius erreicht, aktiviert die SSD seinen thermischen Drosselungsmechanismus, der die Leistung verringert, damit die Chips abkühlen können. Dies kann die Speicherqualität und -ausdauer verbessern, aber die Benutzererfahrung leidet unter der Verlangsamung der Leistung.

Ein gutes Design der thermischen Drosselung kann zu einer SSD mit der geringsten Leistungsreduzierung in Balance zu maximaler Kühlung führen.

So kühlen Sie eine SSD herunter

Da 80 Grad Celsius die Obergrenze für die Temperatur einer SSD sein sollte, müssen die Hersteller einen Kühlmechanismus für die SSD vorsehen. Ohne einen solchen Mechanismus erhitzt sich das Laufwerk schnell über 70 Grad Celsius hinaus, was die Datenintegrität und die Ausdauer beeinträchtigt. Es sind mehrere Optionen verfügbar.

In einigen Fällen, zum Beispiel bei geringer Nutzungsintensität, reicht der Luftstrom im Computergehäuse oder um die Hauptplatine herum aus, um akzeptable Temperaturen zu erreichen. Bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb dient ein Kühlkörper dazu, die Wärme vom Laufwerk abzuleiten.

Kühlkörper gibt es in zwei grundlegenden Varianten. Ein aktiver Kühlkörper wird direkt an der SSD angebracht. Er verwendet Lüfter, um sie zu kühlen.

Im Gegensatz dazu kühlt ein passiver Kühlkörper die SSD durch Wärmeübertragung, zum Beispiel durch eine Platte aus leitfähigem Metall, die an der SSD angebracht ist. Dieser Aufbau nimmt die erzeugte Wärme kontinuierlich auf und gibt sie an die Luft ab. Dies wird manchmal auch als Wärmespreizer bezeichnet.

Passive Kühlkörper bieten mehrere Vorteile gegenüber ihren aktiven Gegenstücken. Sie erzeugen keine Geräusche, sind nicht sperrig und in der Regel auch preiswerter. Die Einschränkung des passiven Kühlkörpers besteht darin, dass er nicht auf eine höhere Wärmereduktionsrate umgeschaltet werden kann, wenn die SSD in einen Hochgeschwindigkeitsmodus wechselt. Seine Kühlungsmöglichkeiten sind festgelegt.

Ein unauffälliger Mechanismus zur Wärmeableitung ist ein Metallfolienetikett, das die Wärme vom Chip abzieht. Kupfer ist dem Aluminium vorzuziehen.

Eine Kombination aus ausreichendem, gleichmäßigem Luftstrom und einem Kühlkörper ist der beste Ansatz. Dies setzt natürlich voraus, dass die Eingangslufttemperatur niedrig genug ist, um die Wärme auf der SSD zu reduzieren.

Einige Motherboard-Anbieter stellen integrierte Kühlkörper aus massiven Aluminiumblöcken für M.2-NVMe-SSDs her. Sie fungieren als Wärmepuffer und nicht als Kühlkörper, da das dichte Material Wärme aufnehmen kann, ohne eine ausreichende Oberfläche zu haben, um sie abzuleiten. Dieses Design gibt dem Laufwerk mehr Zeit, bevor es gedrosselt werden muss.

Die Hersteller von Hauptplatinen haben die Optionen der passiven Kühlungsmöglichkeiten und sogar einige hochgradig angepasste aktive Kühler erhöht. Günstigere Hauptplatinen werden jetzt oft mit passiven Kühlern ausgeliefert, aber die Anbieter haben einen Upgrade-Pfad zu aktiver Kühlung bereitgestellt, damit anhaltende Arbeitslasten ununterbrochen mit hohen Geschwindigkeiten laufen können.

Die wichtigsten Kühlmethoden im Kurzüberblick:

• Verbessern Sie den Luftstrom: Installieren Sie zusätzliche Lüfter in Ihrem Computergehäuse, um die Luftzirkulation um das SSD zu verbessern.
• Sorgen Sie für eine angemessene Belüftung: Platzieren Sie die SSD entfernt von anderen Wärmequellen und stellen Sie sicher, dass sie ausreichend Platz für den Luftstrom hat.
• Verwenden Sie Kühlkörper: Verwenden Sie Kühlkörper oder Wärmepads, um die Wärme von der SSD abzuleiten.
• Überwachen Sie die Temperaturen: Verwenden Sie Software-Tools, um die SSD-Temperaturen zu verfolgen und Warnungen zu erhalten, wenn sie sichere Grenzen überschreiten.
• Verwalten Sie die Arbeitslast: Vermeiden Sie eine Überlastung der SSD, indem Sie intensive Aufgaben verteilen oder mehrere Laufwerke für hohe Arbeitslasten verwenden.
• Halten Sie die Firmware auf dem neuesten Stand: Aktualisieren Sie regelmäßig die Firmware des SSD, um eine optimale Leistung und Energieverwaltung zu gewährleisten.
• Sorgen Sie für eine saubere Umgebung: Reinigen Sie Ihren Computer/systemumgebung regelmäßig, um Staubansammlungen zu vermeiden, die den Luftstrom behindern können.
• Berücksichtigen Sie die Platzierung der SSD: Bei Laptops sollten Sie die SSD möglichst in einem kühleren Bereich und nicht in der Nähe von wärmeerzeugenden Komponenten unterbringen.
• Optimieren Sie die Umgebungstemperatur: Halten Sie Ihren Computer in einer kühlen Umgebung und fern von externen Wärmequellen.
• Verwenden Sie professionelle Kühllösungen: Für Hochleistungssysteme sollten Sie spezielle SSD-Kühler oder Flüssigkühlungslösungen verwenden.

Für und Wider einer SSD-Kühlung

Angesichts der Risiken der Überhitzung einer SSD scheint eine Kühlung eine natürliche Gegenmaßnahme zu sein. Allerdings bringt die Kühlung ihre eigenen Probleme mit sich.

Einerseits eliminiert die Kühlung die thermische Drosselung und ermöglicht so nachhaltige Schreib- und Lesegeschwindigkeiten sowie eine längere Lebensdauer des Laufwerks und eine bessere Datenspeicherung. Dies gilt auch bei längerer Nutzung. Zu den Nachteilen gehören die Kosten und der Platz, den diese Kühlprodukte einnehmen können.

Über den Autor:
Rick Wang ist technischer Marketingingenieur bei Phison. Zu seinen Aufgaben gehören Marketing, Planung und Geschäftsentwicklung von Lösungen für die Automobilindustrie. Darüber hinaus ist Wang bei Phison für die Marktanalyse in den Bereichen eingebettete und neu entstehende Speicherangebote zuständig, zu denen Industrie, Smart TVs, Drohnen, virtuelle/erweiterte Realität und Blockchain gehören. Wang hat einen Master-Abschluss in Materialwissenschaft und Technik von der National Taiwan University.

Die Autoren sind für den Inhalt und die Richtigkeit ihrer Beiträge selbst verantwortlich. Die dargelegten Meinungen geben die Ansichten der Autoren wieder.