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May 27, 2023

Comprenda el sobrecalentamiento de SSD y qué hacer al respecto

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

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Aunque a los proveedores de almacenamiento les gusta posicionar sus productos como "cool", la verdad es que el hardware de almacenamiento genera calor, 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 sólo una forma de mitigar el problema.

La mayoría de los SSD utilizados habitualmente en aplicaciones comerciales y de consumo corren el riesgo de sobrecalentarse. Los SSD pueden calentarse por diversas razones. La raíz del problema es la propiedad de la resistencia eléctrica, un problema omnipresente en todos los productos electrónicos. Los SSD no son una excepción.

El calor no siempre fue un problema para los SSD. Las generaciones anteriores de esta tecnología, como las SSD SATA simples y de bajo rendimiento, no tenían muchos problemas térmicos. Hoy en día, cuando la gente habla de sobrecalentamiento de SSD, casi siempre se refiere a SSD de alto rendimiento que utilizan la especificación de interfaz NVMe. Los SSD NVMe de alto rendimiento actuales ofrecen velocidades 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 mayores tasas de actividad de almacenamiento se traducen en calor.

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

Este problema es más grave 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 y, al mismo tiempo, lidiar con el 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 está alojada en una pieza de hardware que también puede contener un circuito integrado de controlador y otros componentes electrónicos generadores de calor empaquetados en un espacio limitado en una placa de circuito impreso (PCB). El SSD puede diseñarse con apilamiento de múltiples matrices 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 el SSD está alojado en una carcasa que tiene un flujo de aire limitado o nulo, el problema del calor empeorará. Si la plataforma no tiene ventilador, eso agravará aún más los desafíos de refrigeración. La temperatura ambiente del dispositivo que contiene el SSD, junto con la temperatura de la habitación donde se encuentra, también contribuye a los problemas térmicos del SSD. Si bien esto puede ser un problema menor en un centro de datos bien refrigerado, si el SSD se ejecuta en una PC de alta velocidad con otros dispositivos en la placa base generando calor, el ambiente puede alcanzar fácilmente los 50 grados Celsius. A esa temperatura, la unidad está a punto de exceder sus límites de calor incluso en estado inactivo.

El sobrecalentamiento empeora el rendimiento de un SSD NVMe M.2 y daña su retención y resistencia de datos. Los SSD retienen datos atrapando 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/puerta flotante del variador, lo que les facilita escapar, lo que significa un mayor número de errores de bits. Si hay demasiados errores de bits, se producen errores que no se pueden corregir.

Además, los cambios de temperatura durante el funcionamiento del dispositivo SSD también pueden provocar el efecto de "temperatura cruzada", en el que la unidad escribe a baja temperatura pero lee a alta temperatura. A medida que la temperatura pasa de baja a alta o de alta a baja, el voltaje umbral cambia significativamente, lo que provoca que se produzcan bits fallidos.

Para proteger los SSD de la mala retención de datos causada por el sobrecalentamiento, se ha diseñado e implementado ampliamente el mecanismo de limitación térmica en el firmware del controlador. Cuando el chip alcanza los 70 grados Celsius, el SSD activará su mecanismo de estrangulación térmica, 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 se ve afectada debido a la desaceleración del rendimiento.

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

Dado que 80 grados Celsius 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 a más de 70 grados Celsius, lo que disminuye la integridad y resistencia de los datos. Hay varias opciones disponibles.

En algunos casos, como en 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 mayor 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 al SSD. Utiliza ventiladores para enfriarlo.

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

Los disipadores de calor pasivos ofrecen varias ventajas sobre sus homólogos activos. 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 el SSD entra en un modo de funcionamiento de alta velocidad. Sus capacidades de enfriamiento son fijas.

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

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

Algunos proveedores de placas base fabrican disipadores de calor integrados a partir de bloques sólidos de aluminio para SSD NVMe M.2. Funcionan como un amortiguador de calor en lugar de un disipador de calor porque esa gran cantidad de material puede absorber calor sin tener suficiente 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 capacidades de enfriamiento pasivo e incluso algunos refrigeradores activos altamente personalizados. Las placas base más baratas ahora suelen venir con refrigeradores pasivos, pero los fabricantes de placas base han ofrecido una ruta de actualización hacia la refrigeración activa para que cargas de trabajo sostenidas funcionen a altas velocidades de forma ininterrumpida.

Dados los riesgos de sobrecalentar un SSD, la refrigeración parece ser una contramedida natural. Sin embargo, la refrigeración tiene sus propios problemas.

En el lado positivo, la refrigeración elimina la limitación térmica 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 refrigeración.

Sobre el Autor Rick Wang es ingeniero técnico de marketing en Phison. Sus responsabilidades incluyen marketing, planificación y desarrollo empresarial de soluciones automotrices. Además, Wang es responsable del análisis de mercado en Phison en los campos de 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.