SSD の過熱とその対処法を理解する

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ストレージ ベンダーは自社製品を「クール」であると位置づけたがりますが、実際にはストレージ ハードウェアが大量の熱を発生します。 SSD の熱が高すぎると、パフォーマンスと耐久性が低下する可能性があります。

SSD が過熱する理由はいくつかあります。 ヒートシンクは問題を軽減するための 1 つの方法にすぎません。

商用および民生用アプリケーションで一般的に使用される SSD のほとんどは、過熱の危険にさらされています。 SSD はさまざまな理由で熱くなることがあります。 根本的な問題は電気抵抗の特性であり、あらゆるエレクトロニクスに共通する問題です。 SSDも例外ではありません。

SSD にとって熱は必ずしも問題になるわけではありません。 シンプルで低パフォーマンスの SATA SSD などの以前の世代のテクノロジには、熱の問題はあまりありませんでした。 今日、SSD の過熱について話すとき、ほとんどの場合、NVMe インターフェイス仕様を使用する高性能 SSD のことを指します。 現在の高性能 NVMe SSD は、以前のものよりも高いデータ転送速度を提供します。 以前のものよりもはるかに優れた処理能力を備えています。 この追加の高密度ハードウェアとストレージ アクティビティの高速化により、熱が発生します。

暑いってどのくらい暑いの？ 一般的な民生用 NAND メモリ チップは、摂氏 0 度から摂氏 70 ～ 85 度 (華氏 158 ～ 185 度) の範囲の温度で機能します。 ヒートシンクがない場合、Gen3x4 SSD は、周囲温度が摂氏 25 度であると仮定すると、3 分以内に摂氏 70 度に達します。 Gen4x4 SSD は 40 秒で 70 度に達します。 チップが摂氏 70 度に達すると、問題が発生します。

PCIe テクノロジーの進化に伴い SSD が加速し、現在 Gen5 に向かうにつれて、この問題はより深刻になります。 SSD メーカーにとっての課題は、SSD コントローラーやその他のコンポーネントから発生する熱に対処しながら、パフォーマンスを向上し続けることです。

SSD が過熱する主な原因は電気抵抗です。 他の要因によって、この基本的な物理法則が悪化する可能性があります。 M.2 NVMe SSD は、数百万のプロセスを同時に実行できます。 これは SSD の世代ごとに増加します。

また、NAND フラッシュは単独では機能しません。 ドライブは通常、限られたプリント基板 (PCB) スペースに詰め込まれたコントローラー集積回路やその他の発熱電子機器を含むハードウェアに収容されます。 SSD は、チップごとに複数のダイ スタッキングを使用して設計される場合があります。 場合によっては、設計が両面になっており、スペース効率には優れていますが、内部の銅 PCB に対するサンドイッチ状の絶縁体として機能します。

空気の流れが制限されているエンクロージャに SSD が収容されている場合、熱の問題はさらに悪化します。 プラットフォームがファンレスの場合、冷却の課題はさらに複雑になります。 SSD を搭載したデバイスの周囲温度と、それが設置されている部屋の温度も、SSD の熱問題の原因となります。 これは、十分に冷却されたデータセンターではそれほど問題ではありませんが、マザーボード上の他のデバイスが熱を発生している高速 PC で SSD が実行されている場合、周囲環境は簡単に摂氏 50 度に達する可能性があります。 この温度では、ドライブはアイドル状態であっても熱制限を超える寸前です。

過熱すると、M.2 NVMe SSD のパフォーマンスが低下し、データ保持と耐久性に損傷を与えます。 SSD は、トランジスタのゲートに電子をトラップすることでデータを保持します。 SSD は電子の数を検出することで、デジタル データを構成する 0 と 1 を区別します。

過剰な熱により、ドライブの電荷トラップ/フローティング ゲート内の電子のエネルギーが増加し、電子が逃げやすくなり、ビット エラーの数が増加します。 ビットエラーが多すぎると、訂正不能なエラーが発生します。

さらに、SSD デバイスの動作中の温度変化は、ドライブが低温で書き込みを行うが高温で読み取りを行う「クロス温度」効果を引き起こす可能性もあります。 温度が低温から高温、または高温から低温に変化すると、しきい値電圧が大幅に変化し、フェイル ビットが発生します。

過熱によるデータ保持の低下から SSD を保護するために、サーマル スロットル メカニズムが設計され、コントローラーのファームウェアに広く実装されています。 チップが摂氏 70 度に達すると、SSD はサーマル スロットル メカニズムをアクティブにし、チップを冷却できるようにパフォーマンスを低下させます。 これにより、データの保持と耐久性が向上しますが、パフォーマンスの低下によりユーザー エクスペリエンスが低下します。

ただし、適切なサーマル スロットリング設計を使用すると、最大限の冷却と引き換えに SSD のパフォーマンス低下を最小限に抑えることができます。

摂氏 80 度が SSD の温度の上限であるはずであるため、メーカーは SSD に冷却機構を提供する必要があります。 これがないと、ドライブはすぐに摂氏 70 度を超えて熱くなり、データの整合性と耐久性が低下します。 いくつかのオプションが利用可能です。

低強度の使用など、場合によっては、コンピューター ケース内またはマザーボード周囲の空気の流れだけで、ドライブが許容可能な温度を維持するのに十分です。 より高速な動作を実現するには、ヒートシンクがドライブからの熱を放散する役割を果たします。

ヒートシンクには 2 つの基本的な種類があります。 アクティブ ヒートシンクは SSD に直接取り付けられます。 ファンを使用して冷却します。

対照的に、パッシブ ヒート シンクは、SSD に取り付けられた導電性金属のスラブなどを介した熱伝達によって SSD を冷却します。 このセットアップは、生成する熱を継続的に引き出し、空気中に放散します。 これはヒートスプレッダと呼ばれることもあります。

パッシブ ヒートシンクには、アクティブ ヒートシンクに比べていくつかの利点があります。 騒音も発生せず、かさばらず、価格も安価になる傾向があります。 パッシブ ヒートシンクの制限は、SSD が高速動作モードになった場合、より高い熱削減率に切り替えることができないことです。 冷却能力は固定されています。

熱放散のための知られていないメカニズムの 1 つは、チップから熱を引き出す金属箔ラベルです。 銅はアルミニウムよりも好ましい。

十分で安定したエアフローとヒートシンクを組み合わせるのが最良のアプローチです。 もちろん、これは、SSD の熱を低減するのに十分なほど入力空気温度が低いことを前提としています。

一部のマザーボード ベンダーは、M.2 NVMe SSD 用にアルミニウムの固体ブロックから統合ヒートシンクを製造しています。 多くの材料は熱を放散するのに十分な表面積を持たずに熱を吸収する可能性があるため、それらはヒートシンクではなく熱バッファとして機能します。 この設計により、ドライブがスロットルを必要とするまでの時間が長くなります。

マザーボード メーカーは、パッシブ冷却機能の密度を高め、さらには高度にカスタマイズされたアクティブ クーラーを搭載することで、工場から直接主導的な役割を果たしています。 現在、安価なマザーボードにはパッシブ クーラーが付属していることがよくありますが、マザーボード メーカーは、持続的なワークロードを中断なく高速で実行するためのアクティブ冷却へのアップグレード パスを提供しています。

SSD が過熱するリスクを考慮すると、冷却するのは自然な対策であるように思えます。 ただし、冷却には独自の問題が伴います。

プロ側では、冷却によりサーマルスロットリングが排除され、持続可能な書き込み速度と読み取り速度が可能になるだけでなく、ドライブの寿命が延び、データ保持が向上します。 これは、長時間の使用でも持続します。

短所としては、コストや、これらの冷却製品が占有するスペースが挙げられます。

著者について Rick Wang は Phison のテクニカル マーケティング エンジニアです。 彼の職務には、自動車ソリューションのマーケティング、計画、事業開発が含まれます。 さらに、Wang は Phison で、産業用、スマート TV、ドローン、仮想/拡張現実、ブロックチェーンなどの組み込みおよび新興ストレージ製品の分野での市場分析を担当しています。 Wang は国立台湾大学で材料科学と工学の修士号を取得しています。