Ssd koeling: nuttig of alleen voor de show?

Steeds meer M.2-ssd’s worden geleverd met koellichamen en ook bij moederborden wordt de ssd koeling vaak meegeleverd. We hebben getest of koeling voor ssd’s nuttig is.

Moderne M.2-ssd’s met PCIe-aansluiting zijn razendsnel en compact. Omdat ze zo compact zijn, willen moederbordfabrikanten ze graag wegstoppen tussen de cpu en de grafische kaart of andere PCIe-slots. Dat bespaart ruimte en houdt de datalijnen kort.

De ssd’s worden op die plek echter behoorlijk warm. Niet alleen de omringende onderdelen zorgen ervoor dat ze het warm krijgen, maar vaak waait er slechts een zacht briesje langs ze dat nauwelijks warmte afvoert.

Aanvankelijk was dat niet echt een probleem, aangezien de oudere PCIe-ssd’s slechts licht opwarmden. Maar met PCIe 4.0 en de steeds snellere PCIe-ssd’s voor high-end pc’s moeten de controllers hard aan de bak. Die moeten tot 5 GB/s over de PCIe-lijnen pompen en de gegevens veilig over verschillende flash­cellen verdelen.

Onder continue belasting bereiken sommige controllers temperaturen van 80 graden en meer. Om zich te beschermen tegen oververhitting trappen ze af en toe op de rem. De fabrikanten monteren zelf al vaak een koellichaam op veel snelle ssd’s en dure moederborden worden vaak geleverd met een eenvoudige ssd-koeler.

Aparte ssd-koelers zijn er ook, voor montage achteraf. Maar wat is het nut van zo’n stuk aluminium of koper, hoe sterk is het koeleffect en levert de koeling echt meer op dan alleen maar een strakke look buiten de benchmarks om?

We hebben bij deze test niet gekozen voor ssd’s die een gemonteerde koeler meekrijgen vanuit de fabriek. Niemand zal die achteraf zelf verwijderen, of ze nu effectief zijn of niet.

Het doel van de vergelijking is meer om te weten te komen of extra koeling van een ssd onder bepaalde voorwaarden zinvol is. Het is belangrijk om op te merken dat elke controller en elk ssd-­model zich anders gedraagt.

Sommige ssd’s worden heter bij het lezen, andere bij het schrijven en sommige hebben sowieso al geen warmteproblemen. Een bekend heethoofd uit ons testarsenaal is de al wat oudere Sam­sung 950 Pro (256 GB), die vooral tijdens het lezen erg warm wordt.

We hebben de meeste tests voor dit ­artikel met deze ssd uitgevoerd. Een Mushkin ­Pilot-E, die de neiging heeft om op te warmen tijdens het schrijven, lieten we ook meedraaien ter controle.

In principe zijn moderne ssd’s relatief ongevoelig voor warmte. De flashcellen (meestal NAND-geheugen) worden niet zo sterk verhit dat de levensduur onder normale omstandigheden aangetast wordt, ondanks het toenemende aantal lagen. Bij het schrijven van gegevens is een beetje warmte in orde.

De standaardisatieorganisatie JEDEC specificeert 40 graden als normale temperatuur. Die temperatuur wordt gebruikt om de theoretische levensduur van een ssd te berekenen.

Aanzienlijk koelere temperaturen tijdens gebruik verkorten juist de levensduur van de flashcellen omdat er meer energie nodig is om de lading te verplaatsen bij het wissen en schrijven van de cellen.

Sommige wetenschappers hebben daarom zelfs verwarmingselementen voor flashgeheugen voorgesteld. Naar onze mening is dat bij standaard desktopsystemen niet nodig omdat de ssd-temperaturen sowieso rond de 40 graden liggen, zelfs als ze zitten te niksen.

Voor de koeling van ssd’s in het onderste M.2-slot werd er bij het moederbord een plat stuk aluminium meegeleverd.

Bij hogere temperaturen verliezen de NAND-­cellen echter hun opgeslagen gegevens ook sneller. Beter gezegd verliezen ze de opgeslagen lading sneller bij hoge temperaturen, waardoor een bitwaarde kan omslaan en de gegevens kunnen beschadigen.

Meestal levert dit geen problemen op omdat de controller de cellen regelmatig ververst. Bovendien detecteren de ssd-controllers defecte blokken. De meeste worden hersteld via correctiecodes zonder dat je daarvan iets merkt als gebruiker.

Wanneer ssd’s echter niet onder spanning staan, leiden hoge temperaturen sneller tot gegevensverlies. Volgens verschillende studies biedt een bewaartemperatuur van 25 graden enkele jaren houdbaarheid, maar is dat bij 70 graden slechts circa 70 dagen.

Blijf op de hoogte van de nieuwste informatie en tips,

Schrijf je in voor de nieuwsbrief:

Tijdens gebruik zijn temperaturen tot 70 graden onschadelijk, vooral omdat het zelden permanent zo blijft. Bovendien neemt het probleem af naarmate de capaciteit toeneemt: hoe meer flashcellen beschikbaar zijn, hoe beter de controller de schrijftoegang kan verdelen en hoe minder de afzonderlijke chips opwarmen.

In de meeste gevallen wordt de controller heter dan de flashcellen. Om zichzelf en de ssd te beschermen, verminderen de meeste controllers de snelheid flink vanaf van ongeveer 75 tot 80 graden. Volgens een studie (pdf) leidt dit tot minder ssd-uitval, dus het is zeker nuttig.

Om die trap op de rem te voorkomen, lijkt het logisch om de ssd te koelen. Als we de nogal exotische water­koeling buiten beschouwing laten, blijven er twee beproefde koelopties over: een fan en koellichaam.

De algemene regel voor beide is: veel helpt veel. Een groot koellichaam kan door zijn grotere ­oppervlakte meer warmte aan de omgeving afgeven dan een kleine. Evengoed kan een grote fan door een hogere luchtverplaatsing meer warme lucht wegblazen dan een kleine.

Fans hebben echter twee nadelen: ze zijn lawaaierig en omdat ze mechanisch zijn, zijn ze onderhevig aan slijtage. Op het eerste gezicht zijn koel­lichamen beter geschikt voor warmteafvoer.

Verschillende high-end ssd’s hebben een opvallend groot koellichaam. Bij sommige is het koel­lichaam op het eerste gezicht niet zichtbaar. Samsung gebruikt bijvoorbeeld een koperfolie om de warmte van de controller af te voeren. Aan de bovenzijde ziet de folie er echter uit als een standaard sticker. Het is dus beter om dergelijke stickers niet te verwijderen.

Veel metaal: de M.2-adapter van Aqua Computer heeft een groot koellichaam en prik je in een PCIe-slot.

Ssd’s die aan beide zijden flashcellen hebben zijn een bijzonder geval, omdat hun onderkant minder goed te koelen is. Er zit slechts een klein gat tussen ssd en moederbord, wat misschien net genoeg is voor een dun koellichaam.

Omdat koeling door een luchtstroom beter werkt aan de bovenzijde, zitten de ssd-controllers meestal aan de bovenzijde. Bij SATA-­ssd’s hoef je je niet druk te maken. Of het nu gaat om M.2-modellen of om 2,5”-versies: ze halen aanzienlijk lagere snelheden, zodat ze nauwelijks heet worden.

We gebruikten voor onze test de gesloten Corsair Obsidian 1000D pc-behuizing met één casefan aan de voor- en achterkant. Daarin zit het MSI MPG Z390 Gaming Pro Carbon-moederbord met een Intel Core i9-9900K, die gekoeld wordt door een grote Scythe Mugen.

De ventilator trekt warme lucht aan uit de richting van de grafische kaart en zit dus 90 graden gedraaid vergeleken met de casefans. De grafische kaart schakelt zijn fans uit bij lage belasting, wat bij onze experimenten goed uitkomt. Dan belemmert hij namelijk de ventilatie en maakt het moeilijk om de ssd’s eronder en erboven te koelen, zonder zelf voor een extra briesje te zorgen. De opstelling is gericht op zo veel mogelijk stilte.

De testconfiguratie met twee M.2-ssd’s: links naast de blauwe Mushkin-ssd zit tijdens de test de grafische kaart. Deze vormt een barrière voor luchtstroom vanaf de cpu-koeler richting de Samsung-ssd die een stuk verder naar links zit.

Het MSI-moederbord heeft twee M.2 slots: eentje tussen de cpu en de grafische kaart, en eentje in het onderste derde deel tussen de PCIe-slots. De onderste kan worden afgedekt met het meegeleverde relatief grote koellichaam met een warmtegeleidende pad.

Daarnaast hebben we de KryoM.2 evo ssd-koeler van Aqua Computer  (zie een stukje terug) ook nog meegenomen, die ontworpen is als PCIe-adapter. Deze heeft een eigen M.2-slot en veel koeloppervlak aan de voor- en achterkant.

We hebben de benchmarktool IOmeter gebruikt voor het opwarmen. Daarmee kun je een controller zo lang als je wilt tot de bovengrens van zijn kunnen laten werken.

HWInfo werd gebruikt voor de gegevensregistratie. Die tool gebruikten we voor de temperatuur en de lees- en schrijfsnelheid van alle betrokken ssd’s. De testrun duurde minimaal dertien minuten. Tien minuten daarvan hebben we de ssd gemarteld met IOmeter, daarna hebben we het afkoelgedrag nog eens drie minuten vastgelegd. We vertrouwden op de SMART-waarden om de ssd-temperatuur te bepalen.

Het is niet verwonderlijk dat de ssd’s zonder koeling al snel tegen hun limieten aanlopen. Zo verminderde de Samsung-ssd in het onderste slot zonder ventilatie de leessnelheid na 80 seconden van 2,1 naar 1,4 GB/s. De ssd bleef ondanks het continu trager werken vrij warm gedurende de rest van de tijd (74 graden).

In het bovenste slot, dat een beetje wordt geventileerd door de cpu-fan, duurde het 120 seconden voordat de snelheid werd verlaagd. Tussendoor zakte de temperatuur daar steeds weer voor een paar seconden en sprong de transfersnelheid kort omhoog.

De subtiele ondersteuning van de cpu-fan hielp ook de ssd van Mushkin. Die maakt gebruik van een SLC-cache voor het schrijven om het eigenlijk nogal trage flashgeheugen te versnellen.

Met behulp van de cpu-fan kon de SLC-cache op volle snelheid volgeschreven worden, daarna daalde de snelheid en steeg de temperatuur tot 74 graden. In het M.2-slot zonder ventilatie bereikte de ssd echter al na enkele seconden een temperatuur van 77 graden, waarna de controller de schrijfsnelheid verlaagde ook al was de SLC-cache nog niet gevuld.

Daarna moesten de koellichamen hun efficiëntie bewijzen. Eerst werd de meegeleverde ssd-koeler van MSI gebruikt in het minder geventileerde onderste slot. Die koeler bestaat uit 3 tot 4 millimeter dik metaal en heeft geen oppervlaktevergrotende koel­ribben.

Toch was het verschil duidelijk: in plaats van 74 graden bereikte de ssd van Samsung na tien minuten een maximum van 67 graden. De transfersnelheid bleef dus ook constant hoog.

De PCIe-adapter biedt ruimte voor een M.2-ssd, maar alleen voor ssd’s die aan een enkele kant zijn voorzien van flashgeheugencellen. Aan de onderzijde van de ssd wordt er gekoeld met een dunne metalen strip. Het grote blok aan de bovenzijde zorgt voor het meeste effect.

Zonder afkoelende luchtstroom zakt de transferrate rap in en kwam ook niet
meer terug op het oude niveau (MB/s in oranje vs temperatuur in blauw)

Zonder belasting hield deze koeler de ssd in eerste instantie zeer koel. Ondanks de door de grafische kaart geblokkeerde luchtstroom was de idle temperatuur van 28 graden beduidend lager dan in de andere scenario’s.

De temperatuur steeg wel tijdens de test, maar met een maximum van 44 graden werd de ssd nauwelijks warmer dan idle zonder koellichaam.

Zelfs langdurige belastingspieken worden door de grote koeler geabsorbeerd. De temperatuur daalde niet meer naar het beginniveau door het gebrek aan airflow. De ssd bleef echter relatief koel met 38 graden en van snelheidsvermindering was geen sprake.

Uit de benchmarktests blijkt duidelijk dat koellichamen een verschil kunnen maken. Maar hoe ziet dit er in het dagelijks leven uit, waar scenario’s als tien minuten continue belasting niet of nauwelijks voorkomen?

De tests tot nu toe tonen aan dat zelfs een minimale luchtcirculatie voldoende is om de ssd’s in een gezonde temperatuurrange te laten werken.

Bij normaal gebruik onder Windows waren de temperaturen continu laag, zelfs in een slecht geventileerd slot zonder koeler. Het starten van een programma hier en daar, het laden van een spel of het verplaatsen van bestanden, niets leidde tot ook maar een beetje in de buurt komen van kritische temperaturen.

In de meeste scenario’s waren de snelle ssd’s sowieso niet maximaal belast. Zo bereikte de Samsung-ssd niet eens 60 graden in GTA V.

Met een kleine luchtstroom dankzij de cpu-koeler schroefde de Samsung 950
Pro zijn snelheid terug, maar pakte tussendoor de oude snelheid weer op.

Bestandsoperaties, met name het lezen en schrijven van grote hoeveelheden data, blijven daarom de enige uitdaging. We namen een map met games van ongeveer 250 GB groot en verplaatsten die heen en weer tussen de ssd’s. Op die manier haalden we ook de met de benchmarks gemeten snelheden. Dit is overigens alleen haalbaar met twee snelle PCIe-ssd’s in je computer of extreem snelle externe usb-ssd’s met USB 3.2 Gen 2×2.

In combinatie met SATA-ssd’s, harde schijven of usb-sticks die doorgaans worden gebruikt voor gegevensopslag, kom je niet in de buurt van transfersnelheden die leiden tot de temperatuurlimiet.

Bij de eerste poging werd de Samsung-ssd in het niet-geventileerde onderste slot geplaatst, de Mushkin Pilot-E in het bovenste slot. Vanaf de 950 Pro werd naar de Pilot-E gekopieerd.

Met een vastgeschroefd koellichaam bleef de ssd koel genoeg om continu de transferrate vast te houden.

Zoals verwacht was een te hoge temperatuur niet de reden dat de schrijfsnelheid van de Mushkin ssd werd afgeremd. In plaats daarvan daalde die als gevolg van de volgelopen SLC-­cache. De Samsung-ssd werd dus ook nauwelijks op volle kracht gebruikt – de maximumtemperatuur was 60 graden.

We hebben de ssd’s en de taken in de tweede poging omgedraaid. Toen daalde de overdrachtssnelheid daadwerkelijk, de Mushkin-ssd was de schuldige. Die werd zo heet dat de leessnelheid werd teruggeschroefd door de ssd-controller.

We konden de licht geventileerde Samsung-ssd niet dwingen om de snelheid terug te schroeven, zelfs niet door hem extra taken te laten uitvoeren.

Is een ssd-koeler nuttig? In sommige extreme scenario’s zeker, zoals de vergelijkingen van de benchmarks laten zien. Als een ssd de gegevens over lange perioden met een maximale overdrachtssnelheid moet verplaatsen, ligt zonder koeling het terugschroeven van de snelheid op de loer.

Zijn ssd-koelers nodig? Dat kan voor de meeste ssd’s worden beantwoord met een nee. Dergelijke scenario’s zijn in de praktijk uiterst zeldzaam. Alleen als je grote hoeveelheden bestanden gegevens tussen twee snelle PCIe-ssd’s wilt verplaatsen, loop je het risico de temperatuurgrenzen te bereiken. En zelfs dan heb je niets om je zorgen over te maken, behalve een tijdelijk lagere transfersnelheid.

Het koelblok van Aqua Computer hield de ssd zeer koel, zelfs zonder directe
luchtstroom van een casefan.

Deze test laat ook heel goed zien dat er maar weinig nodig is om effectief te koelen. Zelfs de luchtstroom van de cpu-koeler was voldoende om de geheugencontrollers in bedwang te houden. Dat werkt nog beter met de koellichamen die bij sommige moederborden worden meegeleverd. Die zorgen met relatief weinig materiaal voor continu aangename temperaturen.

Als ze worden meegeleverd, is er niets op tegen om ze te gebruiken. Naar onze mening is een monsterkoeler als de kryoM.2 evo in een doorsnee desktopsysteem echter niet nodig.

Met een verdere toename van de transfersnel­heden, bijvoorbeeld met de relatief nieuwe PCIe 4.0-ssd’s, zullen heatsinks in de toekomst echter vaker nuttig worden. Veel fabrikanten zullen ze ook graag gebruiken om in elk geval mooie benchmarkresul­taten te kunnen halen.

(Informatie afkomstig uit het artikel van Alexander Spier, Lutz Labs en Alieke van Sommeren, c’t magazine 12/2020, p. 104)