Thermische Drosselung in PCle SSDs

Die thermische Drosselung ist ein Mechanismus zum Schutz von Komponenten wie CPU, GPU und Speichermodule vor Beschädigung durch hohe Temperaturen. Wenn die maximale Temperatur einer Komponente erreicht ist, für das sie ausgelegt ist, wird die Geschwindigkeit gedrosselt, um damit die Temperatur zu senken. Bei SSDs ist die thermische Drosselung absolut notwendig, da eine Beschädigung zu Datenverlusten führen kann. Wenn die Geschwindigkeit gedrosselt wird, werden die Lese- und Schreibvorgänge automatisch verlangsamt.

Die meisten PCIe-SSDs verwenden einen sehr rudimentären Algorithmus zur thermischen Drosselung. Durch Senken und Erhöhen der Systemfrequenzen wird die Temperatur gesteuert. Wenn die Temperatur beispielsweise +85°C erreicht, wird die flash-Taktfrequenz auf eine vordefinierte Geschwindigkeit gesenkt, damit sich das System abkühlen kann. Sobald die Temperatur auf ein bestimmtes Niveau sinkt, wird die Geschwindigkeit wieder entsprechend erhöht. Diese Methode eignet sich gut für Consumer Anwendungen. Sie ist aber für industrielle Anwendungen nicht geeignet.

Industrielle Applikationen benötigen eine stabile Übertragungsgeschwindigkeit. Die herkömmlichen Methoden der thermischen Drosselung können manchmal dazu führen, dass die Geschwindigkeit in schneller Folge nach oben oder unten springt. Stabile Geschwindigkeiten und ausgeklügelte Algorithmen zur thermischen Drosselung sind wichtig für industrielle Anwendungsfälle, bei denen Geräte eine bestimmte Aufgabe haben, die sich immer wiederholt, und plötzliche größere Geschwindigkeitsreduzierungen nicht akzeptabel sind.

Zu den Anwendungen gehören unter anderem intelligente Sicherheitsanwendungen, bei denen große Video- und Bilddateien ständig und mit hoher Geschwindigkeit geschrieben und gelesen werden müssen, um die Gesichtserkennung und die Verarbeitung von hochwertigem Sicherheitsmaterial zu erleichtern.

Bei industriellen Anwendungen kommt es nicht immer auf die schnellsten Geschwindigkeiten an. Stattdessen bevorzugen Entwickler konstante Geschwindigkeiten, auf die sie sich verlassen können. Es ist besser, wenn ein Prozess immer in 10 Sekunden abgeschlossen ist, als wenn er manchmal nur 5 Sekunden und manchmal 20 Sekunden dauert. Der Grund dafür ist, dass in industriellen Umgebungen einzelne Lese-/Schreibvorgänge Teil einer Reihe von Aktionen sein können, und dass es andere Prozesse geben kann, die Informationen benötigen, wann Lese-/Schreibvorgänge abgeschlossen sein werden, damit sie für den nächsten Schritt bereit sind.

Die thermische Drosselungstechnologie von Innodisk Europe B.V.http://www.innodisk.com/ verwendet einen innovativen Algorithmus, um eine präzisere Temperaturkontrolle zu erreichen. Der Algorithmus berechnet die Differenz zwischen der aktuellen Temperatur und der Zieltemperatur und erhöht oder reduziert daraufhin die Anzahl der an den NAND-flash gesendeten Befehle. Dadurch wird eine stabilere Temperatur erreicht. Darüber hinaus reduziert der Algorithmus von Innodisk im Gegensatz zur traditionellen thermischen Drosselungstechnologie die Geschwindigkeit nicht sofort, wenn der Temperaturschwellenwert überschritten wird, sondern reduziert die Geschwindigkeit sanft im Laufe der Zeit. Das führt zu weniger unkalkulierbaren Geschwindigkeitsschwankungen.

Das Firmware-Entwicklungsteam von Innodisk fand heraus, dass neben der Frequenzreduzierung auch die Kontrolle der Anzahl der an den NAND-flash gesendeten Befehle eine Abkühlung bewirken kann. Aus diesem Grund wird die neu entwickelte Firmware durch die Differenz zwischen Ist- und Zieltemperatur gesteuert. Wenn beispielsweise die Zieltemperatur auf +110°C eingestellt ist und die aktuelle Temperatur der SSD +80°C beträgt, kann das Laufwerk die an den NAND-flash gesendeten Befehle erhöhen, was zu einem Anstieg der Temperatur und der Geschwindigkeit führt. Im Gegensatz zum alten thermischen Drosselungsmechanismus verfügt die Firmware von Innodisk über unzählige Abbrems- und Beschleunigungspunkte, so dass bei einem Temperaturanstieg eine sanfte Verlangsamung der Geschwindigkeit erreicht werden kann. Dieser thermische Drosselungsalgorithmus ist nur bei neueren Controllern möglich, da diese über eine unabhängige Engine zur Steuerung der Anzahl der an den NAND-flash gesendeten Befehle verfügt.

Für die Verwendung des neuen thermischen Drosselungsalgorithmus ist kein Setup erforderlich. Alle Innodisk PCIe SSDs, die die neue Firmware unterstützen, sind bereits mit dieser Technologie vorkonfiguriert. Die Produktlinien M.2 (P80) 4TG2-P mit PCIe Gen. IVx4, NVMe 1.4 und M.2 (P80) 3TG6-P mit PCIe Gen. III x4, NVMe 1.3 verfügen über sehr gute Datenübertragungsgeschwindigkeiten bei stabilen, nachhaltigen Leistungen und einem wärmespreizenden Design. Beide Linien besitzen LDPC ECC-Engine (Low-Density Parity-Check ECCs).

Der thermische Drosselungsalgorithmus von Innodisk eignet sich sehr gut für Anwendungen mit hohen Geschwindigkeits- und Temperaturanforderungen, wie beispielsweise bei 5G- und AIoT-Netzwerken und anderen industriellen Applikationen. Der Algorithmus ist auch bei Applikationen in rauen Umgebungen geeignet, wo unkontrollierbare Geschwindigkeitsschwankungen und Inkonsistenzen keinen Einfluss haben dürfen.