Почему на высокоскоростные твердотельные накопители устанавливают радиаторы? Зачем в PlayStation 5 предусмотрена система активного охлаждения слота M.2? Что будет, если NVMe SSD перегреется? Давайте разбираться.
Как устроен NVMe SSD?
Чтобы понять, зачем NVMe SSD нужен радиатор, сперва следует разобраться, а как, собственно, устроены твердотельные накопители. В качестве подопытного возьмем WD_BLACK SN850 емкостью 1 ТБ — топовый игровой SSD, способный похвастаться скоростью до 7 ГБ/с в операциях последовательного чтения и до 5,3 ГБ/с при записи файлов. Данный накопитель доступен в двух вариантах — с радиатором и без.
Производитель рекомендует использовать модификацию с радиатором в игровых ПК и в качестве дополнительного SSD для некстген-консоли PlayStation 5, тогда как версия без радиатора, напротив, предназначена для установки на материнские платы, оснащенные собственной системой охлаждения слота M.2. Таким образом, для нормальной работы WD_BLACK SN850 в любом случае понадобится адекватный теплоотвод. Но почему это так важно? Прежде, чем ответить на этот вопрос, давайте снимем с твердотельного накопителя радиатор и внимательно осмотрим печатную плату.
Массивный чип слева — это восьмиканальный контроллер SanDisk 20-82-1003, который ответственен за чтение и запись информации, выявление и коррекцию ошибок, управление кэшированием и функцией выравнивания износа флеш-памяти. Чуть правее расположился гигабайтный кристалл DDR4-буфера, в котором хранится таблица адресов ячеек с данными. Наконец, в «хвосте» SSD распаяны два кристалла флеш-памяти TLC 3D NAND BiCS, на которых, собственно, и хранятся записанные файлы.
Проще говоря, WD_BLACK SN850 представляет собой настоящий микрокомпьютер, оснащенный многоядерным процессором (контроллер), оперативной памятью (DDR4-буфер) и подсистемой хранения данных (флеш-чипы), главная задача которого заключается в чтении и записи информации. Ну а раз SSD является подобием ПК в миниатюре, логично предположить, что, как и у полноценного компьютера, каждый из его компонентов будет обладать определенным уровнем тепловыделения и TDP (Thermal Design Power, или же, говоря по-русски, требования к теплоотводу). Давайте проверим эту гипотезу, проведя небольшой эксперимент.
Установим «голый» WD_BLACK SN850 в ПК, поддерживающий стандарт PCI Express Gen 4, и воспользуемся AIDA64 Disk Benchmark, чтобы максимально нагрузить наш SSD, а спустя минуту сделаем снимок с помощью тепловизора и посмотрим, что получится.
Впечатляет, не так ли? Если температура материнской платы практически совпадает с комнатной, то SSD буквально раскалился докрасна, причем самая горячая точка контроллера прогрелась до рекордного 101 °C, а чипы флеш-памяти — до 93 °C. При этом, согласно официальной документации, диапазон рабочих температур накопителя лежит в пределах от 0 до 70 °C, а максимально допустимая температура не должна превышать 88°C (именно такой порог задан в прошивке SSD). Легко догадаться, что без хорошего радиатора достичь таких показателей никак не получится, да и кулер, который будет постоянно обдувать его поверхность, явно не станет лишним (об этом стоит заранее побеспокоиться, выбирая подходящий корпус для вашего ПК).
Возникает логичный вопрос: почему же в таком случае радиаторы не устанавливают на те же WD Blue SN570? Объяснение этому лежит на поверхности. SSD линейки WD_BLUE относятся к среднебюджетному сегменту (рекомендованная розничная цена флагмана на 1 ТБ составляет всего $110), рассчитаны в первую очередь на рабочие ПК и обладают меньшей производительностью — до 3,5 ГБ/с в операциях чтения и до 3 ГБ/с при записи данных, чего вполне хватит для обработки фото или видеофайлов, но будет явно недостаточно для современных игр.
Среднее энергопотребление таких накопителей составляет около 90 милливатт, тогда как максимальная температура на чипе под нагрузкой не превышает 61 °C даже без обдува. Вполне очевидно, что такой SSD не нуждается в радиаторе, поскольку сам по себе является достаточно холодным.
Чем опасен перегрев SSD?
Итак, теперь мы знаем, что главными источниками тепла у твердотельного накопителя являются контроллер и чипы флеш-памяти, температура которых под нагрузкой в случае топовых моделей может превышать 100 °C. Но каким образом это отражается на работе SSD? Сразу спешим успокоить: накопитель не может попросту взять и сгореть, поскольку защищен с помощью механизма дросселирования тактов, или, как еще его называют, троттлинга. Вот, как это работает.
Каждый NVMe SSD оснащен встроенными датчиками, которые собирают информацию о нагреве контроллера и чипов памяти. Как только температура достигает критической отметки (так называемая Tjmax, или максимальная температура перехода), контроллер начинает пропускать рабочие такты, не давая температуре подняться еще выше. Чем больше тепловая нагрузка на чип, тем больше рабочих тактов он пропускает, что помогает удерживать постоянную температуру независимо от нагрузки на накопитель.
Вернемся к нашему WD_BLACK SN850 на 1 ТБ с демонтированным радиатором и посмотрим, как будет меняться его температура в смешанном режиме работы.
Под нагрузкой контроллер и чипы памяти разогреваются до 91–93 °C примерно за 40 секунд. В таком режиме SSD функционирует около 2 минут, после чего начинается троттлинг: благодаря пропуску тактов, температура контроллера снижается до максимально допустимого порога 88 °C и более не поднимается.
Хотя система защиты функционирует безупречно, это вовсе не означает, что перегрев SSD можно игнорировать. Прежде всего продолжительная работа на предельной температуре негативно отражается на сроке службы накопителя и способна привести к так называемому отвалу чипа. Возможно, вы слышали этот термин применительно к видеокартам, однако данная проблема актуальна для любых электронных устройств, подверженных сильному нагреву. Например, характерной поломкой материнских плат является отвал южного моста — контроллера-концентратора ввода-вывода, поскольку данный чип также испытывает сильные нагрузки и может перегреваться в процессе работы компьютера.
Фундаментальной причиной отвала является сама конструкция современных чипов, выполненных в виде поверхностно монтируемых интегральных микросхем. Несмотря на скромные размеры, контроллер SSD имеет буквально сотни контактных площадок, расположенных на его нижней грани чрезвычайно близко друг к другу. Из-за высокой плотности размещения единственно возможным способом соединения чипа и печатной платы становится метод пайки BGA (расшифровывается как «Ball Grid Array», что дословно означает «массив шариков в виде сетки»). Соединение микросхемы и печатной платы в данном случае осуществляется с помощью шариков припоя, нанесенных на контактные площадки.
При монтаже чип располагают на материнской плате согласно маркировке, а затем прогревают с помощью инфракрасной паяльной станции до тех пор, пока припой не начнет плавиться, фиксируя чип. За счет поверхностного натяжения расплавленный припой фиксирует микросхему ровно над тем местом, где она должна находиться на плате, при этом не позволяя шарикам деформироваться и спаивать соседние контакты.
При всех преимуществах, BGA-пайка имеет и существенный недостаток: выводы в виде шариков припоя чрезвычайно чувствительны к тепловому расширению, поэтому если чип будет регулярно нагреваться до предельных 90 °C во время работы, а затем остывать до комнатной температуры после выключения компьютера, со временем в них начнут появляться микротрещины и контакт между контроллером SSD и печатной платой нарушится, что и приведет к выходу твердотельного накопителя из строя. Хороший радиатор помогает решить эту проблему, минимизируя перепады температур и, как следствие, предотвращая повреждение шариков припоя
Другой проблемой является сам механизм защиты от перегрева. Пропуская такты, контроллер начинает выполнять меньше операций в единицу времени, из-за чего производительность SSD заметно падает. Это может повлечь за собой кучу негативных последствий — начиная со снижения скорости копирования файлов и заканчивая фризами и долгой прогрузкой текстур в играх с открытым миром.
Все дело в том, что в современных AAA-играх подгрузки необходимых для построения кадра ассетов происходят «на ходу», поэтому стабильность фреймрейта определяет не только производительность процессора и видеокарты, но и скорость накопителя. Какими бы мощными ни были CPU и видеоподсистема вашего компьютера, они будут простаивать до тех пор, пока в оперативную и видеопамять не будут загружены все файлы, необходимые для построения 3D-сцены, и просто перестанут подготавливать новые кадры. Из-за этого вы будете наблюдать падение FPS, наложение текстур на объекты буквально на ваших глазах, скачущие тени, «мыло» и прочие прелести, которые неизбежно испортят впечатление даже от самой атмосферной игры.
Это особенно заметно на консолях. В силу технических особенностей, приставки используют для хранения игровых ассетов общий, неразделяемый пул памяти, компенсируя ее недостаток за счет стриминга текстур с SSD непосредственно во время игры. В таких условиях твердотельный накопитель способен оказаться тем самым «бутылочным горлышком», в которое и упрется производительность всей системы. Именно поэтому в официальных рекомендациях Sony указана не только минимальная производительность твердотельного накопителя 5,5 ГБ/с, но и обязательное наличие радиатора.
Инженеры Sony прекрасно знают, что во время троттлинга накопитель никак не сможет выйти на максимальную производительность и обеспечить нужную для комфортной игры скорость передачи данных. Поскольку слот M.2 PlayStation 5 не обдувается турбиной напрямую, а охлаждается лишь за счет создаваемого кулером в отсеке SSD пониженного давления, радиатор в данном случае становится жизненно необходим. И благодаря оригинальной конструкции последнего, WD_BLACK SN850 оказывается наиболее оптимальным выбором для игровой консоли. Не случайно именно этим SSD пользуется даже сам Марк Церни, занимающий пост главного архитектора PlayStation 5.
И дело тут не только в превосходных скоростных характеристиках SSD, но и в самой его конструкции. Во время работы турбины приставки воздух циркулирует параллельно печатной плате SSD, проходя сквозь боковые отверстия радиатора, напоминающие по форме соты. За счет этого удается достичь более эффективного охлаждения чипов памяти и контроллера накопителя, избежать троттлинга и обеспечить стабильную работу игровой консоли.
Подведем итоги, резюмируя все вышесказанное:
- Современные высокоскоростные SSD способны нагреваться под нагрузкой до 100 °C и более, поэтому нуждаются в хорошем теплоотводе.
- Работа на предельных температурах чревата падением производительности твердотельного накопителя вследствие троттлинга и даже его поломкой.
- Топовые SSD без радиатора подходят для установки на материнские платы со встроенной системой охлаждения слота M.2. Если таковая отсутствует в вашем ПК, лучше приобрести модель с радиатором или докупить совместимый радиатор отдельно.
#ssd #твердотельные накопители #ssd накопитель #nvme ssd