Erfahren Sie mehr über die Überhitzung von SSDs und was Sie dagegen tun können

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Auch wenn Speicheranbieter ihre Produkte gerne als „cool“ positionieren, ist die Wahrheit, dass Speicherhardware Wärme erzeugt – und zwar eine Menge davon. Zu viel Hitze in einer SSD kann ihre Leistung und Ausdauer schwächen.

Es gibt mehrere Gründe, warum eine SSD überhitzt. Ein Kühlkörper ist nur eine Möglichkeit, das Problem zu mildern.

Bei den meisten der in kommerziellen und Verbraucheranwendungen häufig verwendeten SSDs besteht die Gefahr einer Überhitzung. SSDs können aus verschiedenen Gründen heiß werden. Das Grundproblem ist die Eigenschaft des elektrischen Widerstands, ein allgegenwärtiges Problem in der gesamten Elektronik. SSDs sind keine Ausnahme.

Hitze war für SSDs nicht immer ein Problem. Frühere Generationen der Technologie, wie beispielsweise einfache, leistungsschwache SATA-SSDs, hatten keine großen thermischen Probleme. Wenn man heute von überhitzten SSDs spricht, meint man fast immer Hochleistungs-SSDs, die die NVMe-Schnittstellenspezifikation verwenden. Aktuelle Hochleistungs-NVMe-SSDs bieten höhere Datenübertragungsraten als ihre Vorgänger. Sie verfügen über eine weitaus größere Verarbeitungskapazität als die Vorgängermodelle. All diese zusätzliche, dichte Hardware und höhere Speicheraktivitätsraten führen zu Wärme.

Wie heiß ist heiß? Ein typischer NAND-Speicherchip für Verbraucher funktioniert bei Temperaturen zwischen 0 und 70 bis 85 Grad Celsius (158 bis 185 Grad Fahrenheit). Ohne Kühlkörper erreicht eine Gen3x4-SSD bei einer Umgebungstemperatur von 25 Grad Celsius innerhalb von drei Minuten 70 Grad Celsius. Eine Gen4x4-SSD erreicht in 40 Sekunden 70 Grad. Wenn der Chip 70 Grad Celsius erreicht, beginnen die Probleme.

Dieses Problem ist noch gravierender, da SSDs mit der Entwicklung der PCIe-Technologie, die nun auf Gen5 zusteuert, immer schneller werden. Die Herausforderung für SSD-Hersteller besteht darin, die Leistung weiter zu steigern und gleichzeitig die vom SSD-Controller und anderen Komponenten erzeugte Wärme in den Griff zu bekommen.

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

Außerdem funktioniert der NAND-Flash nicht isoliert. Das Laufwerk ist normalerweise in einer Hardware untergebracht, die auch einen integrierten Controller-Schaltkreis und andere wärmeerzeugende Elektronik enthalten kann, die auf begrenztem Platz auf der Leiterplatte (PCB) untergebracht sind. Die SSD kann mit mehreren Chip-Stacking pro Chip ausgelegt sein. In einigen Fällen ist das Design doppelseitig, was der Platzeffizienz zugute kommt, aber gleichzeitig als Sandwich-Isolator zur inneren Kupferplatine dient.

Wenn die SSD in einem Gehäuse untergebracht ist, in dem die Luftzirkulation eingeschränkt oder gar nicht möglich ist, verschlimmert sich das Hitzeproblem. Wenn die Plattform lüfterlos ist, werden die Kühlprobleme noch größer. Die Umgebungstemperatur des Geräts, das die SSD enthält, sowie die Temperatur des Raums, in dem es sich befindet, tragen ebenfalls zu thermischen Problemen der SSD bei. Während dies in einem gut gekühlten Rechenzentrum möglicherweise weniger problematisch ist, kann die Umgebungstemperatur leicht 50 Grad Celsius erreichen, wenn die SSD in einem Hochgeschwindigkeits-PC läuft und andere Geräte auf dem Motherboard Wärme erzeugen. Bei dieser Temperatur ist das Laufwerk bereits im Leerlauf kurz davor, seine Hitzegrenzen zu überschreiten.

Überhitzung verschlechtert die Leistung einer M.2-NVMe-SSD und beeinträchtigt die Datenspeicherung und Lebensdauer. SSDs speichern Daten, indem sie Elektronen im Transistor-Gate einfangen. Durch die Erkennung der Anzahl der Elektronen unterscheidet die SSD zwischen den Nullen und Einsen, aus denen digitale Daten bestehen.

Übermäßige Hitze führt zu einem Anstieg der Energie der Elektronen in der Ladungsfalle/Floating-Gate des Laufwerks, wodurch sie leichter entkommen können, was zu einer höheren Anzahl von Bitfehlern führt. Bei zu vielen Bitfehlern kommt es zu nicht korrigierbaren Fehlern.

Darüber hinaus können die Temperaturänderungen während des SSD-Gerätebetriebs auch zum „Cross-Temperature“-Effekt führen, bei dem das Laufwerk bei niedriger Temperatur schreibt, aber bei hoher Temperatur liest. Wenn die Temperatur von niedrig auf hoch oder von hoch auf niedrig steigt, verschiebt sich die Schwellenspannung erheblich, was zum Auftreten von Fehlerbits führt.

Um SSDs vor schlechter Datenspeicherung aufgrund von Überhitzung zu schützen, wurde der thermische Drosselmechanismus entwickelt und in der Controller-Firmware umfassend implementiert. Wenn der Chip 70 Grad Celsius erreicht, aktiviert die SSD ihren thermischen Drosselmechanismus, der die Leistung verringert, damit die Chips abkühlen können. Dies kann die Datenaufbewahrung und -ausdauer verbessern, das Benutzererlebnis leidet jedoch aufgrund der Leistungsverlangsamung.

Ein gutes thermisches Drosselungsdesign kann jedoch zu einer SSD mit der geringsten Leistungsreduzierung im Austausch für maximale Kühlung führen.

Da 80 Grad Celsius die Obergrenze für die Temperatur einer SSD sein sollten, müssen Hersteller einen Kühlmechanismus für die SSD bereitstellen. Ohne sie erwärmt sich das Laufwerk schnell auf über 70 Grad Celsius, was die Datenintegrität und -lebensdauer beeinträchtigt. Es stehen mehrere Optionen zur Verfügung.

In manchen Fällen, beispielsweise bei geringer Nutzungsintensität, reicht die Luftzirkulation im Computergehäuse oder um das Motherboard aus, damit ein Laufwerk eine akzeptable Temperatur aufrechterhält. Bei schnelleren Vorgängen dient ein Kühlkörper dazu, die Wärme vom Laufwerk abzuleiten.

Kühlkörper gibt es in zwei Grundvarianten. Ein aktiver Kühlkörper wird direkt an die SSD angeschlossen. Zur Kühlung werden Ventilatoren eingesetzt.

Im Gegensatz dazu kühlt ein passiver Kühlkörper die SSD durch Wärmeübertragung, beispielsweise über eine an der SSD befestigte Platte aus leitfähigem Metall. Dieser Aufbau zieht kontinuierlich die von ihm erzeugte Wärme ab und gibt sie an die Luft ab. Dies wird manchmal als Wärmeverteiler bezeichnet.

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

Ein unter dem Radar verborgener Mechanismus zur Wärmeableitung ist ein Metallfolienetikett, das dem Chip Wärme entzieht. Kupfer ist Aluminium vorzuziehen.

Der beste Ansatz ist eine Kombination aus ausreichender, gleichmäßiger Luftzirkulation und einem Kühlkörper. Dies setzt natürlich voraus, dass die Temperatur der Eingangsluft niedrig genug ist, um die Hitze auf der SSD zu reduzieren.

Einige Motherboard-Anbieter fertigen integrierte Kühlkörper aus massiven Aluminiumblöcken für M.2-NVMe-SSDs. Sie fungieren als Wärmepuffer statt als Wärmesenke, da so viel Material Wärme absorbieren kann, ohne über genügend Oberfläche zu verfügen, um sie abzuleiten. Dieses Design gibt dem Antrieb mehr Zeit, bevor er drosseln muss.

Motherboard-Hersteller haben mit einer erhöhten Dichte an passiven Kühlfunktionen und sogar einigen hochgradig angepassten aktiven Kühlern direkt von den Fabriken aus eine führende Rolle übernommen. Billigere Motherboards werden heutzutage oft mit passiven Kühlern ausgeliefert, aber die Motherboard-Hersteller haben einen Upgrade-Pfad zur aktiven Kühlung bereitgestellt, damit anhaltende Arbeitslasten unterbrechungsfrei mit hohen Geschwindigkeiten ausgeführt werden können.

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

Auf der positiven Seite eliminiert die Kühlung thermische Drosselung und ermöglicht so nachhaltige Schreib- und Lesegeschwindigkeiten sowie eine längere Lebensdauer des Laufwerks und eine bessere Datenspeicherung. Dies hält auch bei längerem Gebrauch an.

Zu den Nachteilen zählen die Kosten und der Platzbedarf, den diese Kühlprodukte beanspruchen können.

Über den Autor Rick Wang ist technischer Marketingingenieur bei Phison. Zu seinen Aufgaben gehören Marketing, Planung und Geschäftsentwicklung für Automobillösungen. Darüber hinaus ist Wang bei Phison für die Marktanalyse in den Bereichen eingebettete und neue Speicherangebote verantwortlich, darunter Industrie, Smart-TVs, Drohnen, Virtual/Augmented Reality und Blockchain. Wang hat einen Master-Abschluss in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen von der National Taiwan University.