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M.2 SSDに最適なヒートシンクはセパレートタイプ？970 EVO Plusで冷却効果を検証
3形状のヒートシンクで温度を測定 text by 坂本はじめ
2019年9月13日 00:01
高性能NVMe SSD「Samsung SSD 970 EVO Plus/SSD 970 EVO」に対応した特製セパレートヒートシンク「SMOP-SHS」がITGマーケティングより販売される。
このヒートシンクは市販品の流用ではなく、ITGマーケティングと長尾製作所のコラボレーションによるこだわりの設計を採用したモデルだ。
今回、このヒートシンクと、その完成に至る過程で試作された試作品を借用できたので、温度測定を通し、なぜヒートシンクが今回の形状に決まったのか、そのこだわりに迫ってみよう。
リードもライトも3GB/sec超えの高性能SSD「Samsung SSD 970 EVO Plus」でテスト
温度の測定に入る前に、SSD本体であるSamsung SSD 970 EVO Plusについて簡単に紹介しよう。
Samsung SSD 970 EVO Plusは、Samsung製のV-NAND 3bit MLC (いわゆる3D TLC NAND)とSamsung Phoenix コントローラを搭載したM.2型のNVMe SSD。インターフェイスはPCIe Gen3.0 x4で、フォームファクターはM.2 2280。
容量は250GBから2TBまでの4モデルがラインナップ。500GBモデル以上ではリードとライトがともに3GB/sを超え、最大でリード3.5GB/s、ライト3.3GB/secという、PCIe Gen3.0 x4接続のNVMe SSDではトップクラスの性能を実現している。
今回のテストでは、Samsung SSD 970 EVO Plusの1TBモデルである「MZ-V7S1T0B/IT」を使用する。ベース機材にはCore i9-9900Kを搭載したIntel Z390環境を用意した。
ヒートシンクを搭載しないプレーンな状態で実行したベンチマークテストでも、スペックに違わぬパフォーマンスを発揮していることから、その実力の高さが伺える。
なお、Samsung SSD 970 EVO Plusには、Intelligent TurboWriteという容量可変型のSLCバッファ機能が搭載されている。250GBモデルは標準4GB/最大13GB、500GBモデルは標準4GB/最大22GB、1TBモデルは標準6GB/最大42GB、2TBモデルは標準6GB/最大78GBとなっている。
その領域内であれば公称値での連続書き込みが可能だが、バッファ容量が増えるほどフルスピードで動作する時間が長くなるため、動作時の温度上昇にも気を配る必要がある。
SSDは高速になればなるほど発熱も増える傾向があり、動作温度が一定以上になると、熱暴走を防ぐため速度を落として動作温度を低下させるサーマルスロットリングの機能がメーカーを問わず搭載されている。今回テストしているSamsung SSD 970 EVO Plusであれば、動作温度は0～70℃とされており、この温度範囲内であれば最高性能が発揮できる。
SSDの最大性能を発揮しつつ長時間使用したいのであれば、いかに動作温度を抑えつつ運用するのかといった部分が重要となり、今回紹介しているようなSSDヒートシンクが最大性能を維持するためのキーアイテムになるケースもあるというわけだ。
コントローラとNANDで別々の温度制御を行うSamsungのSSDヒートシンクは部品毎に分けた形状がベスト？
Samsung SSD 970 EVO Plusは、NANDフラッシュとコントローラに温度計を備えている。これは、NANDフラッシュとコントローラの動作可能な上限温度が異なるためだ。
記憶素子であるNANDフラッシュは発熱量が少ないものの、高温に弱い。一方、コントローラは発熱量が大きいものの高温での動作が可能であり、Samsung SSD 970 EVO Plusのコントローラもかなり高温になっても正常に動作する。耐熱性能の異なる部品の温度を個別に管理することで、安全性を確保しつつもサーマルスロットリングの作動を最小限に抑え、高いパフォーマンスを発揮できるようにしているという訳だ。
当然、Samsung SSD 970 EVO Plusの動作温度は0℃～70℃とされているので、この範囲内に収めるのが望ましく、NAND側がしっかりと冷却できる方がSSDの性能をより引出せる。
このNANDフラッシュとコントローラの発熱量と動作温度の仕様に注目して設計されたのが、長尾製作所が製作したセパレートヒートシンクなのである。
実際にどのような工夫がなされているのか、2種類の試作ヒートシンクと製品版ヒートシンクの設計の違いをチェックしてみよう。なお、以下で紹介している「ヒートシンクC」が製品版となった「SMOP-SHS」だ。
オーソドックスな一枚板タイプの試作品「ヒートシンクA」
借用したヒートシンクの中で最もシンプルなのが、一枚板タイプの試作品「ヒートシンクA」だ。
ヒートシンクAは、M.2 2280サイズのSSD全体を覆うサイズのヒートシンクであり、SSD上のコンポーネント全てを一枚でカバーする仕様を採用している。大きさの違いはあれど、マザーボードなどのM.2スロットに付属するSSD冷却用ヒートシンクなどもこのタイプの仕様だ。
中央二分割タイプの試作品「ヒートシンクB」
もう一つの試作品である「ヒートシンクB」は、ヒートシンクAを中央で二分割にした形状のヒートシンクだ。
半分のヒートシンクはNANDフラッシュのみを放熱し、もう半分はコントローラとDRAMキャッシュの放熱を担当する形となっており、コントローラからの熱がヒートシンクを通じてNANDフラッシュへと伝わるのを防ぐことができる。
コントローラ専用にヒートシンクを分離した製品版「ヒートシンクC」
2つの試作品を踏まえて設計されたのが、コントローラ部分専用にヒートシンクを分離した製品版「ヒートシンクC」だ。このモデルが「SMOP-SHS」として製品化されたモデルになる。
ヒートシンクCは、コントローラ用の小型ヒートシンクと、NANDフラッシュとDRAMキャッシュの冷却を行う大型ヒートシンクの2枚組となっている。
高発熱なコントローラを分離するというヒートシンクBの設計を踏襲しつつ、NANDフラッシュ側ヒートシンクの放熱面積を広くとることで、NANDフラッシュ冷却性能の強化を図った設計だ。
最も熱に弱いのはNAND、コントローラとNANDは分けて冷却するのがオススメヒートシンクで動作温度は大幅に低下
それでは、各ヒートシンクによってSSDの温度がどのように変化するのか検証した結果を紹介しよう。
テストサイズ32GiBでCrystalDiskMarkを実行した際のピーク温度をモニタリングソフトのHWiNFOで計測した結果が以下の表だ。
製品版であるヒートシンクCを搭載することで、コントローラの温度は114℃から88℃(－26℃)、NANDフラッシュの温度は81℃から62℃(－19℃)へと大幅に低下している。特にNANDフラッシュ温度の62℃は比較したヒートシンクの中で最も低く、NANDフラッシュ側の冷却を重視した設計通りの結果となっている。
一方、コントローラの温度に関しては、一枚板タイプの試作品であるヒートシンクAが最も低い80℃を記録している。ただし、その代償としてヒートシンク経由でコントローラと熱的に接続されたNANDフラッシュの温度は、ヒートシンクCより5℃高くなっている。
コントローラの熱がNANDフラッシュに伝わっていることは、サーモグラフィ画像からも確認することができる。この熱の伝播を避け、NANDフラッシュの温度を1℃でも低くしようという意図で設計されたものが、製品版のヒートシンクC(SMOP-SHS)という訳だ。
高温でもサーマルスロットリングが発生しにくいSamsung SSD 970 EVO Plusヒートシンクがあればより長い時間最高性能を引き出すことも可能
最後に、ヒートシンクの有無による温度やパフォーマンスの変化をCrystalDiskMark実行中のモニタリングデータから確認してみよう。
以下のグラフは、ヒートシンクなしとヒートシンクC(SMOP-SHS)搭載時のモニタリングデータをまとめた推移グラフだが、このグラフからは大幅な温度の低下が確認できるものの、リードやライトの転送レートが大きく変化する様子はみられない。
つまり、コントローラ温度が114℃に達するヒートシンクなしの状態であっても、Samsung SSD 970 EVO Plusはサーマルスロットリングによる大きな速度低下が発生していないということだ。これはコントローラの耐熱性が高いことに加え、部品ごとに温度を監視するSamsung SSD 970 EVO Plusの高度な温度制御があってこその動作であると言える。
今回のテストでは解消すべき大きな性能低下が発生していなかったが、実際の利用シーンではさらなる温度上昇でサーマルスロットリングによる大きな速度低下が発生する可能性は十分に考えられる。
Samsung SSD 970 EVO Plusの高度な温度制御に、コントローラとNANDフラッシュの温度を20度前後引き下げられるヒートシンクCの冷却能力が加われば、多くの環境でサーマルスロットリングの発生を防いで高いパフォーマンスを維持できるだろう。
NANDフラッシュを労わるセパレートヒートシンク高性能なSSDを求めるユーザーは要チェック
熱に弱いNANDフラッシュを重点的に冷却できるこだわりのセパレートヒートシンク「SMOP-SHS」は、Samsung SSD 970 EVO Plusに搭載されているNANDの温度上昇を抑制し労ることのできるアイテムだ。
Samsung SSD 970 EVO Plusは高度な温度制御でPCIe Gen3.0 x4接続のNVMe SSDとしてはトップクラスの性能を発揮するモデルではあるが、こうしたアイテムを活用することでより安定させて使用することができる。
ヒートシンクの付属しないM.2スロットに搭載予定の場合はもちろん、マザーボード付属ヒートシンクが簡素なものであるのなら、NANDフラッシュを労わって使えるセパレートヒートシンクを活用してみると良いだろう。
[制作協力：ITGマーケティング株式会社]