Comprender el sobrecalentamiento de SSD y qué hacer al respecto

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Aunque a los proveedores de almacenamiento les gusta posicionar sus productos como "geniales", la verdad es que el hardware de almacenamiento genera mucho calor. Demasiado calor en un SSD puede debilitar su rendimiento y resistencia.

Hay varias razones por las que un SSD se sobrecalienta. Un disipador de calor es solo una forma de mitigar el problema.

La mayoría de los SSD de uso común en aplicaciones comerciales y de consumo corren el riesgo de sobrecalentarse. Los SSD pueden calentarse por una variedad de razones. La raíz del problema es la propiedad de la resistencia eléctrica, un problema omnipresente en toda la electrónica. Los SSD no son una excepción.

El calor no siempre fue un problema para los SSD. Las generaciones anteriores de la tecnología, como los SSD SATA simples y de bajo rendimiento, no tenían muchos problemas térmicos. Hoy en día, cuando la gente habla de sobrecalentamiento de los SSD, casi siempre se refiere a los SSD de alto rendimiento que utilizan la especificación de interfaz NVMe. Los SSD NVMe de alto rendimiento actuales ofrecen tasas de transferencia de datos más altas que sus predecesores. Tienen una capacidad de procesamiento mucho mayor que la anterior. Todo este hardware adicional y denso y las mayores tasas de actividad de almacenamiento se traducen en calor.

¿Qué tan caliente es caliente? Un chip de memoria NAND de grado de consumo típico funciona a temperaturas que van desde 0 hasta entre 70 y 85 grados Celsius (158 a 185 grados Fahrenheit). Sin un disipador de calor, una SSD Gen3x4 alcanzará los 70 grados centígrados en tres minutos, suponiendo una temperatura ambiente de 25 grados centígrados. Un SSD Gen4x4 alcanzará los 70 grados en 40 segundos. Cuando el chip alcanza los 70 grados centígrados, comienzan los problemas.

Este problema es más serio a medida que los SSD se aceleran con la evolución de la tecnología PCIe, que ahora se dirige a Gen5. El desafío para los fabricantes de SSD es seguir aumentando el rendimiento mientras se enfrentan al calor generado por el controlador SSD y otros componentes.

La resistencia eléctrica es la razón principal por la que los SSD se sobrecalientan. Otros factores pueden exacerbar esta ley física básica. Un SSD M.2 NVMe puede ejecutar millones de procesos simultáneamente. Esto aumenta con cada generación de SSD.

Además, la memoria flash NAND no funciona de forma aislada. La unidad generalmente se aloja en una pieza de hardware que también puede contener un circuito integrado de controlador y otros componentes electrónicos que generan calor empaquetados en un espacio limitado de placa de circuito impreso (PCB). El SSD puede diseñarse con múltiples apilamientos de troqueles por chip. En algunos casos, el diseño es de doble cara, lo que es bueno para la eficiencia del espacio pero actúa como un aislante tipo sándwich para la PCB de cobre interior.

Si la SSD está alojada en una carcasa que tiene un flujo de aire limitado o nulo, el problema del calor empeorará. Si la plataforma no tiene ventilador, eso complicará aún más los desafíos de enfriamiento. La temperatura ambiente del dispositivo que contiene la SSD, junto con la temperatura de la habitación donde se encuentra, también contribuye a los problemas térmicos de la SSD. Si bien esto puede ser un problema menor en un centro de datos bien refrigerado, si la SSD se ejecuta en una PC de alta velocidad con otros dispositivos en la placa base generando calor, el entorno ambiental puede alcanzar fácilmente los 50 grados centígrados. A esa temperatura, la unidad está a punto de superar sus límites de calor incluso en estado inactivo.

El sobrecalentamiento empeora el rendimiento de un SSD M.2 NVMe y daña su retención y resistencia de datos. Los SSD retienen datos al atrapar electrones en la puerta del transistor. Al detectar la cantidad de electrones, el SSD distingue entre los ceros y los que componen los datos digitales.

El calor excesivo provoca un aumento en la energía de los electrones en la trampa de carga/compuerta flotante de la unidad, lo que facilita que escapen, lo que significa un mayor número de errores de bits. Si hay demasiados errores de bits, se producen errores incorregibles.

Además, los cambios de temperatura durante el funcionamiento del dispositivo SSD también pueden provocar el efecto de "temperatura cruzada", donde la unidad escribe a baja temperatura pero lee a alta temperatura. A medida que la temperatura se mueve de baja a alta o de alta a baja, el voltaje de umbral cambia significativamente, provocando que ocurran bits de falla.

Para proteger los SSD de una mala retención de datos causada por el sobrecalentamiento, el mecanismo de regulación térmica se ha diseñado e implementado ampliamente en el firmware del controlador. Cuando el chip alcance los 70 grados centígrados, la SSD activará su mecanismo de estrangulamiento térmico, lo que reduce el rendimiento para permitir que los chips se enfríen. Esto puede mejorar la retención y la resistencia de los datos, pero la experiencia del usuario sufre debido a la desaceleración del rendimiento.

Sin embargo, un buen diseño de estrangulamiento térmico puede dar lugar a una SSD con la menor reducción de rendimiento a cambio de una refrigeración máxima.

Al ver que 80 grados centígrados debería ser el límite superior de temperatura de un SSD, los fabricantes deben proporcionar un mecanismo de enfriamiento para el SSD. Sin uno, la unidad se calentará rápidamente más allá de los 70 grados centígrados, lo que disminuye la integridad y la resistencia de los datos. Hay varias opciones disponibles.

En algunos casos, como el uso de baja intensidad, el flujo de aire en la carcasa de la computadora o alrededor de la placa base es suficiente para que una unidad mantenga temperaturas aceptables. Para operaciones de más alta velocidad, un disipador de calor sirve para disipar el calor del variador.

Los disipadores de calor vienen en dos variedades básicas. Un disipador de calor activo se conecta directamente a la SSD. Utiliza ventiladores para enfriarlo.

Por el contrario, un disipador de calor pasivo enfría la SSD a través de la transferencia de calor, por ejemplo, a través de una losa de metal conductor adherida a la SSD. Esta configuración extrae continuamente el calor que genera y lo disipa en el aire. Esto a veces se llama un disipador de calor.

Los disipadores de calor pasivos ofrecen varias ventajas sobre sus contrapartes activas. No generan ruido, no son voluminosos y además suelen ser menos costosos. La limitación del disipador de calor pasivo es que no se puede cambiar a una tasa más alta de reducción de calor si la SSD entra en un modo de operación de alta velocidad. Sus capacidades de enfriamiento son fijas.

Un mecanismo oculto para la disipación de calor es una etiqueta de lámina metálica, que extrae el calor del chip. El cobre es preferible al aluminio.

Una combinación de flujo de aire suficiente y constante y un disipador de calor es el mejor enfoque. Esto supone, por supuesto, que la temperatura del aire de entrada es lo suficientemente baja como para reducir el calor en la SSD.

Algunos proveedores de placas base fabrican disipadores de calor integrados con bloques sólidos de aluminio para SSD M.2 NVMe. Funcionan como un amortiguador de calor en lugar de un disipador de calor porque esa cantidad de material puede absorber calor sin tener suficiente área de superficie para disiparlo. Este diseño le da a la unidad más tiempo antes de tener que acelerar.

Los fabricantes de placas base han asumido un papel de liderazgo directamente desde las fábricas con una mayor densidad en las capacidades de enfriamiento pasivo e incluso algunos enfriadores activos altamente personalizados. Las placas base más baratas ahora a menudo se envían con enfriadores pasivos, pero los fabricantes de placas base han brindado una ruta de actualización a la refrigeración activa para que las cargas de trabajo sostenidas funcionen a altas velocidades sin interrupciones.

Dados los riesgos de sobrecalentar un SSD, el enfriamiento parece ser una contramedida natural. Sin embargo, el enfriamiento viene con sus propios problemas.

En el lado positivo, el enfriamiento elimina el estrangulamiento térmico para permitir velocidades de escritura y lectura sostenibles, así como una mayor vida útil de la unidad y una mejor retención de datos. Esto se mantiene incluso durante períodos de uso prolongado.

Las desventajas incluyen los costos y el espacio que pueden ocupar estos productos de enfriamiento.

Sobre el Autor Rick Wang es ingeniero técnico de marketing en Phison. Sus responsabilidades incluyen marketing de soluciones automotrices, planificación y desarrollo comercial. Además, Wang es responsable del análisis de mercado en Phison en los campos de las ofertas de almacenamiento integradas y emergentes que incluyen televisores industriales, inteligentes, drones, realidad virtual/aumentada y blockchain. Wang tiene una maestría en ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad Nacional de Taiwán.