Comprendre la surchauffe du SSD et quoi faire à ce sujet

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Même si les fournisseurs de stockage aiment positionner leurs produits comme "cool", la vérité est que le matériel de stockage génère de la chaleur - en grande partie. Trop de chaleur dans un SSD peut affaiblir ses performances et son endurance.

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles un SSD surchauffe. Un dissipateur de chaleur n'est qu'un moyen d'atténuer le problème.

La plupart des SSD couramment utilisés dans les applications commerciales et grand public risquent de surchauffer. Les SSD peuvent devenir chauds pour diverses raisons. Le problème fondamental est la propriété de la résistance électrique, un problème omniprésent dans tous les appareils électroniques. Les SSD ne font pas exception.

La chaleur n'a pas toujours été un problème pour les SSD. Les générations précédentes de la technologie, telles que les SSD SATA simples et peu performants, n'avaient pas vraiment de problème thermique. Aujourd'hui, lorsque les gens parlent de surchauffe des SSD, ils font presque toujours référence à des SSD hautes performances qui utilisent la spécification d'interface NVMe. Les SSD NVMe hautes performances actuels offrent des taux de transfert de données plus élevés que leurs prédécesseurs. Ils ont une capacité de traitement bien supérieure à ce qui était auparavant. Tout ce matériel supplémentaire et dense et les taux d'activité de stockage plus élevés se traduisent par de la chaleur.

À quel point est-il chaud ? Une puce mémoire NAND grand public typique fonctionne à des températures comprises entre 0 et 70 à 85 degrés Celsius (158 à 185 degrés Fahrenheit). Sans dissipateur thermique, un SSD Gen3x4 atteindra 70 degrés Celsius en trois minutes, en supposant une température ambiante de 25 degrés Celsius. Un SSD Gen4x4 atteindra 70 degrés en 40 secondes. Lorsque la puce atteint 70 degrés Celsius, les problèmes commencent.

Ce problème est d'autant plus sérieux que les SSD s'accélèrent avec l'évolution de la technologie PCIe, qui se dirige désormais vers la Gen5. Le défi pour les fabricants de SSD est de continuer à augmenter les performances, tout en gérant la chaleur générée par le contrôleur SSD et d'autres composants.

La résistance électrique est la principale raison de la surchauffe des SSD. D'autres facteurs peuvent exacerber cette loi physique fondamentale. Un SSD M.2 NVMe peut exécuter des millions de processus simultanément. Cela augmente à chaque génération de SSD.

De plus, le flash NAND ne fonctionne pas de manière isolée. Le lecteur est généralement logé dans un élément matériel qui peut également contenir un circuit intégré de contrôleur et d'autres composants électroniques générant de la chaleur emballés dans un espace limité de carte de circuit imprimé (PCB). Le SSD peut être conçu avec plusieurs puces empilées par puce. Dans certains cas, la conception est à double face, ce qui est bon pour l'efficacité de l'espace mais agit comme un isolant en forme de sandwich pour le circuit imprimé en cuivre intérieur.

Si le SSD est logé dans un boîtier dont le flux d'air est limité ou nul, le problème de chaleur s'aggravera. Si la plate-forme est sans ventilateur, cela aggravera encore les problèmes de refroidissement. La température ambiante de l'appareil contenant le SSD, ainsi que la température de la pièce où il se trouve, contribuent également aux problèmes thermiques du SSD. Bien que cela puisse être moins problématique dans un centre de données bien refroidi, si le SSD fonctionne dans un PC à grande vitesse avec d'autres appareils sur la carte mère générant de la chaleur, l'environnement ambiant peut facilement atteindre 50 degrés Celsius. À cette température, le disque est sur le point de dépasser ses limites de chaleur, même à l'état inactif.

La surchauffe détériore les performances d'un SSD M.2 NVMe et endommage sa conservation et son endurance des données. Les SSD conservent les données en piégeant les électrons dans la grille du transistor. En détectant le nombre d'électrons, le SSD fait la distinction entre les zéros et les uns qui composent les données numériques.

Une chaleur excessive provoque une augmentation de l'énergie des électrons dans le piège à charge/grille flottante du lecteur, ce qui facilite leur fuite, ce qui signifie un nombre plus élevé d'erreurs sur les bits. S'il y a trop d'erreurs sur les bits, des erreurs non corrigibles se produisent.

En outre, les changements de température pendant le fonctionnement du périphérique SSD peuvent également entraîner l'effet de "température croisée", où le lecteur écrit à basse température mais lit à haute température. Lorsque la température passe de bas en haut ou de haut en bas, la tension de seuil se décale considérablement, provoquant l'apparition de bits d'échec.

Pour protéger les SSD d'une mauvaise rétention des données causée par une surchauffe, le mécanisme de limitation thermique a été conçu et largement implémenté dans le micrologiciel du contrôleur. Lorsque la puce atteint 70 degrés Celsius, le SSD active son mécanisme de limitation thermique, ce qui réduit les performances pour permettre aux puces de refroidir. Cela peut améliorer la conservation et l'endurance des données, mais l'expérience utilisateur en souffre en raison de la décélération des performances.

Cependant, une bonne conception de limitation thermique peut conduire à un SSD avec la moindre réduction de performances en échange d'un refroidissement maximal.

Étant donné que 80 degrés Celsius devrait être la limite supérieure de température d'un SSD, les fabricants doivent fournir un mécanisme de refroidissement pour le SSD. Sans un, le disque chauffera rapidement au-delà de 70 degrés Celsius, ce qui diminue l'intégrité et l'endurance des données. Plusieurs options sont disponibles.

Dans certains cas, comme une utilisation à faible intensité, le flux d'air dans le boîtier de l'ordinateur ou autour de la carte mère est suffisant pour qu'un disque maintienne des températures acceptables. Pour des opérations plus rapides, un dissipateur thermique sert à dissiper la chaleur du disque.

Les dissipateurs thermiques se déclinent en deux variétés de base. Un dissipateur thermique actif se fixe directement sur le SSD. Il utilise des ventilateurs pour le refroidir.

En revanche, un dissipateur thermique passif refroidit le SSD par transfert de chaleur, par exemple via une plaque de métal conducteur fixée au SSD. Cette configuration aspire en permanence la chaleur qu'elle génère et la dissipe dans l'air. Ceci est parfois appelé un dissipateur de chaleur.

Les dissipateurs thermiques passifs offrent plusieurs avantages par rapport à leurs homologues actifs. Ils ne génèrent pas de bruit, ils ne sont pas encombrants et ils ont aussi tendance à être moins chers. La limitation du dissipateur thermique passif est qu'il ne peut pas être commuté sur un taux de réduction de chaleur plus élevé si le SSD passe en mode de fonctionnement à grande vitesse. Ses capacités de refroidissement sont fixes.

Un mécanisme sous le radar pour la dissipation de la chaleur est une étiquette en feuille de métal, qui extrait la chaleur de la puce. Le cuivre est préférable à l'aluminium.

Une combinaison d'un flux d'air suffisant et constant et d'un dissipateur de chaleur est la meilleure approche. Cela suppose, bien sûr, que la température de l'air d'entrée soit suffisamment basse pour réduire la chaleur sur le SSD.

Certains fournisseurs de cartes mères fabriquent des dissipateurs thermiques intégrés à partir de blocs solides en aluminium pour les SSD M.2 NVMe. Ils fonctionnent comme un tampon thermique au lieu d'un dissipateur thermique car une telle quantité de matériau peut absorber la chaleur sans avoir une surface suffisante pour la dissiper. Cette conception donne au lecteur plus de temps avant de devoir accélérer.

Les fabricants de cartes mères ont joué un rôle de premier plan directement depuis les usines avec une densité accrue des capacités de refroidissement passif et même certains refroidisseurs actifs hautement personnalisés. Les cartes mères moins chères sont désormais souvent livrées avec des refroidisseurs passifs, mais les fabricants de cartes mères ont proposé une voie de mise à niveau vers le refroidissement actif pour que les charges de travail soutenues fonctionnent à des vitesses élevées sans interruption.

Compte tenu des risques de surchauffe d'un SSD, le refroidissement semblerait être une contre-mesure naturelle. Cependant, le refroidissement a ses propres problèmes.

Du côté professionnel, le refroidissement élimine la limitation thermique pour permettre des vitesses d'écriture et de lecture durables, ainsi qu'une durée de vie accrue du disque et une meilleure rétention des données. Cela tient même pendant les périodes d'utilisation prolongée.

Les inconvénients incluent les coûts et l'espace que ces produits de refroidissement peuvent occuper.

A propos de l'auteur Rick Wang est ingénieur marketing technique chez Phison. Ses responsabilités comprennent le marketing, la planification et le développement commercial des solutions automobiles. En outre, Wang est responsable de l'analyse de marché chez Phison dans les domaines des offres de stockage embarquées et émergentes qui incluent les téléviseurs industriels, intelligents, les drones, la réalité virtuelle/augmentée et la blockchain. Wang est titulaire d'une maîtrise en science et ingénierie des matériaux de l'Université nationale de Taiwan.