可預(yù)測的性能：固件級(jí)熱節(jié)流如何優(yōu)化PCIe SSD運(yùn)行表現(xiàn)

在工業(yè)應(yīng)用中，傳統(tǒng)基于溫度閾值的熱控制機(jī)制所導(dǎo)致的固態(tài)硬盤（SSD）性能不穩(wěn)定，一直是系統(tǒng)集成商面臨的主要障礙。這種不穩(wěn)定性不僅難以保障生產(chǎn)計(jì)劃的如期推進(jìn)，還可能引發(fā)意外停機(jī)，干擾關(guān)鍵業(yè)務(wù)運(yùn)行，并帶來高昂的更換成本。固件級(jí)熱節(jié)流技術(shù)通過在 SSD 內(nèi)部直接部署動(dòng)態(tài)性能調(diào)節(jié)算法，有效緩解了上述問題。該算法能夠以秒級(jí)粒度進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，在極端溫度環(huán)境下依然維持穩(wěn)定的性能輸出。

INTRODUCTION

熱節(jié)流（Thermal Throttling）是一種當(dāng)設(shè)備溫度接近其額定最高溫度時(shí)自動(dòng)降低運(yùn)行速度的機(jī)制，旨在防止因過熱而導(dǎo)致元器件損壞。

在固態(tài)硬盤（SSD）中，熱節(jié)流通過在高負(fù)載、散熱不良或環(huán)境溫度過高等情況下主動(dòng)降低性能，來避免硬盤損壞和數(shù)據(jù)丟失。這一機(jī)制在觸發(fā)時(shí)自然會(huì)導(dǎo)致傳輸速度暫時(shí)下降。

大多數(shù) PCIe SSD 采用較為簡單的熱節(jié)流算法，即在預(yù)設(shè)的溫度閾值處通過降低系統(tǒng)頻率來控制溫度。例如，當(dāng)溫度達(dá)到 85°C 時(shí)，閃存時(shí)鐘頻率會(huì)被調(diào)低，以幫助系統(tǒng)降溫；一旦溫度回落至設(shè)定的安全水平，運(yùn)行速度便會(huì)恢復(fù)。盡管這種“開關(guān)式”（on/off）的控制策略在消費(fèi)級(jí)設(shè)備中或許足夠，但在工業(yè)應(yīng)用場景中，往往缺乏所需的精度與穩(wěn)定性。

CHALLENGES

速度與溫度之間的權(quán)衡

傳統(tǒng)熱節(jié)流機(jī)制所引發(fā)的性能波動(dòng)，可能干擾對時(shí)序要求嚴(yán)苛的工作負(fù)載。工業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)集成商通常依賴穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸速率，尤其是在嵌入式環(huán)境中，可靠性至關(guān)重要。在許多嵌入式應(yīng)用中，存儲(chǔ)操作與其他任務(wù)緊密協(xié)同，精確的時(shí)序控制是確保整個(gè)流程可靠協(xié)調(diào)的關(guān)鍵。

“可預(yù)測性比純粹的速度更有價(jià)值?！?/strong>

對制造廠商而言，穩(wěn)定的吞吐量遠(yuǎn)比波動(dòng)的峰值性能更為重要。例如，始終如一的 10 秒讀寫時(shí)間，比在 5 至 20 秒之間波動(dòng)的不可預(yù)測性能更具實(shí)用價(jià)值——因?yàn)樾阅懿▌?dòng)會(huì)顯著增加系統(tǒng)行為規(guī)劃與性能管理的難度。

此類應(yīng)用場景包括但不限于智能安防領(lǐng)域：在該場景中，系統(tǒng)需持續(xù)以高速讀寫大量視頻與圖像文件，以支持人臉識(shí)別及高質(zhì)量安防視頻的實(shí)時(shí)處理。在這些關(guān)鍵任務(wù)中，精準(zhǔn)調(diào)校的熱管理機(jī)制對于維持系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和可預(yù)測性至關(guān)重要。

傳統(tǒng)熱節(jié)流 

圖1采用傳統(tǒng)熱節(jié)流算法時(shí)，隨著溫度升高，SSD 速度會(huì)出現(xiàn)劇烈且不規(guī)則的下降。*免責(zé)聲明：本圖僅用于示意，不代表實(shí)際測試數(shù)據(jù)。

解決方案

面向工業(yè)市場的專利算法

Innodisk 專有的動(dòng)態(tài)熱節(jié)流算法是一項(xiàng)已獲專利的技術(shù)，專為滿足工業(yè)級(jí)熱管理需求而設(shè)計(jì)。該算法通過智能化的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制，有效應(yīng)對工業(yè)應(yīng)用中嚴(yán)苛的溫度挑戰(zhàn)，確保 SSD 在各種工況下均能提供穩(wěn)定、可預(yù)測的性能表現(xiàn)。

多級(jí)動(dòng)態(tài)熱節(jié)流

 圖2采用 Innodisk 熱節(jié)流算法時(shí)，SSD 速度變化平穩(wěn)有序。如圖所示：T = 當(dāng)前溫度 ? 目標(biāo)閾值。*免責(zé)聲明：本圖僅用于示意，不代表實(shí)際測試數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)方法在達(dá)到固定溫度閾值時(shí)突然大幅降低速度不同，Innodisk 采用多級(jí)漸進(jìn)式控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)更平滑的熱管理。該方案不會(huì)立即削減性能，而是由固件根據(jù)實(shí)時(shí)溫度偏差（即當(dāng)前溫度與設(shè)定熱邊界之間的差值）動(dòng)態(tài)調(diào)整 NAND 命令的數(shù)量。  

如圖所示，這種分級(jí)控制邏輯可顯著減少速度的劇烈波動(dòng)，即使在長時(shí)間高負(fù)載高溫工況下，也能有效維持 SSD 的可靠性。相較于舊式熱節(jié)流機(jī)制所引發(fā)的性能驟降，Innodisk 的動(dòng)態(tài)算法設(shè)置了多個(gè)精細(xì)的減速與加速節(jié)點(diǎn)，使系統(tǒng)能夠隨溫度變化逐步響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)平滑過渡而非突兀的性能下跌。當(dāng)系統(tǒng)溫度回落至安全范圍時(shí)，性能也會(huì)同樣平穩(wěn)地恢復(fù)，避免因速度驟升而干擾對時(shí)序敏感的關(guān)鍵任務(wù)流程。

圖3Innodisk 動(dòng)態(tài)熱節(jié)流算法流程示意圖

Innodisk 高端產(chǎn)品

4TG2-P 系列

? 支持 PCIe Gen 4 x4，NVMe 1.4

? 多種外形規(guī)格：M.2 2280 M Key / M.2 22110 M Key / U.2 SSD / E1.S

? 提供帶 DRAM 緩存的解決方案

? 卓越的數(shù)據(jù)傳輸速度? 穩(wěn)定持久的持續(xù)性能

? 內(nèi)建 LDPC ECC 糾錯(cuò)引擎，提升數(shù)據(jù)可靠性

? 工作溫度范圍寬達(dá) -40°C 至 85°C，結(jié)合動(dòng)態(tài)熱節(jié)流技術(shù)，有效保障 SSD 在嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境下的長期穩(wěn)定運(yùn)行

4TE2 系列

? 支持 PCIe Gen 4 x4，NVMe 1.4

? 多種外形規(guī)格：M.2 2242 M Key / M.2 2280 M Key / CFexpress

? 卓越的數(shù)據(jù)傳輸速度

? 穩(wěn)定持久的持續(xù)性能

? 采用高效散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化熱管理表現(xiàn)

? 工作溫度范圍寬達(dá) -40°C 至 85°C，結(jié)合動(dòng)態(tài)熱節(jié)流技術(shù)，確保 SSD 在極端工況下仍能穩(wěn)定可靠運(yùn)行

CONCLUSION

對于從事 5G、AIoT、網(wǎng)絡(luò)通信及工業(yè)等高要求、高性能且高溫應(yīng)用場景的系統(tǒng)集成商而言，Innodisk 先進(jìn)的熱節(jié)流算法提供了精準(zhǔn)可靠的熱管理能力。憑借智能化的固件控制，集成商可在嚴(yán)苛環(huán)境中放心部署創(chuàng)新解決方案，徹底擺脫傳統(tǒng)熱控制機(jī)制所帶來的性能波動(dòng)與不可預(yù)測性問題。