[Kaufberatung] Welche M.2 SSD ist besonders sparsam und bleibt auch unter Last relativ kühl?

[VJoe2max]

Nachdem mein alter CNC-Steuerrechner den Geist aufgegeben hat, suche ich für den neuen passiven Barebone-Rechner (Shuttle DL10J) nach einer möglichst sparsamen SSD im M.2 2280-Format mit min. 240 GB Kapazität, welche auch unter Last nicht sehr heiß wird. Da in dem Gehäuse keine Möglichkeit besteht die SSD besser zu kühlen, wäre die vorgenannte Eigenschaften mitunter die wichtigste. Hohe Transferraten, viele IOPS usw. sind hier auch angesichts der geringen Systemleistung eher nachrangig und auch nicht sonderlich relevant. Allerdings schadet eine vernünftige SSD-Performance natürlich grundsätzlich nicht (sollte zur Not auch mal in einer anderen Kiste einsetzbar sein).
Da in dem M.2 Slot mit M-Key laut Hersteller sowohl SATA als auch PCIe mit NVMe betrieben werden können, gibt es leider eine kaum überschaubare Palette an möglichen Modellen. Die Frage ist nun - welches Modell würdet ihr mir mit dem Fokus auf geringem Verbrauch bzw. geringer Abwärme empfehlen?

Interessant finde ich z.B. die Intel SSD 760p Baureihe, da diese mit sehr geringen Idle-Verbräuchen angegeben wird. Leider fehlen mir hier klare Angeben zu den Last-Verbräuchen und den erwartbaren Temperaturen im realen Einsatz.
Thermisches throttling ist für mich dabei weniger das Thema - mehr die Tatsache, dass die Wärmeabgabe aus dem Gehäuse einfach ziemlich eingeschränkt ist, weshalb jedes eingesparte Watt die Situation entspannt. Zuverlässigkeit spielt bei der Kiste die bedeutend größere Rolle als Leistung. Da kann ich Temperaturprobleme einfach nicht brauchen.
Angesichts der nur noch geringen Preisunterschiede zwischen PCIe-SSDs zu SATA-SSDs im M.2 Format tendiere ich zwar schon zu einer PCIe-Version, aber wenn eine SATA-Version erheblich besser hinsichtlich der Abwärmethematik abschneidet, kann ich mir auch das vorstellen. Allerdings konnte ich dazu bisher wenig Erhellendes finden. Abgeshen davon kann ich dann auch einfach eine 2,5-SSD nehmen - den Platz dafür würde ich mir jedoch gern frei halten.

Vielleicht stand ja jemand schon mal vor einer ähnlichen Fragestellung und kann hier seine Erfahrungen kund tun.
Freue mich auf eure Beiträge !

 

[Andi 669]

Thermische Probleme gibt es eigentlich nur bei PCIe/NVMe SSDs, mit einer SATA M.2 sollte es da keine Probleme geben,

außerdem gibt es die Temp Probleme praktisch nur beim Schreiben, bei dir sollte es dann ja im laufenden Betrieb praktisch nur noch lesen sein.

 

[VJoe2max]

Kann man das bezüglich der SATA M.2 SSDs irgendwo nachlesen? Hab bis jetzt ausschließlich PCIe SSDs in dem Format im Einsatz gehabt, aber in einigen Tests die ich bisher gelesen habe wird auch für SATA M.2-SSDs oft Extra-Kühlung empfohlen.
Was das Thema Lese- und Schreibbetrieb angeht, stimme ich dir teilweise zu, allerdings können schon auch mal größere Files zu übertragen werden, da ich in der Regel auch die Modellvorbereitung für dem Steuerrechner mache. Während des Fräsens gibt es aber in der Tat fast nur Lese-Zugriffe.

 

[MoBo 01/04]

Generell hängen Verbrauch und Wärmeentwicklung von der Zugriffslast ab. Bei SATA-SSD wird die max. mögliche Zugriffslast auf ca. 500 MB/s und bei PCIe-3.0x4-SSD auf ca. 3800 MB/s durch das Interface limitiert. Insofern können Verbrauch und Temperatur bei PCIe-SSD deutlich höher ausfallen.

Üblicherweise wird die max. Zugriffslast nur bei synthetischen Benchmarks oder bestimmten Serveranwendungen generiert. Bei vielen praktischen Nutzungsfällen tritt die max. mögliche Zugriffslast nicht annähernd auf, so dass die tatsächlichen Verbrauchs- und Temperaturwerte von SATA- und PCIe-M2-SSD wahrscheinlich oft auf vergleichbaren Niveau liegen. Um abzuklären, welche Zugriffslast bei deiner Anwendung erzeugt wird, müssten die auftretenden I/O Zugriffsmuster genauer ermittelt werden. Diese Aufgabe kann sich durchaus aufwändig darstellen. Nach meiner bescheidenen Erfahrung mit programmier-baren Steuerungen, ist bei einer einzelnen Fräse eher eine Last zu erwarten, die überwiegend im KB/s- Bereich liegt.

Empfehlenswert für eine tiefgründigere Verbrauchsanalyse sind die Reviews von Anandtech. Dort werden zumindest für unterschiedliche synthetische Zugriffsmuster (random, sequential, mixed read/write) Verbrauchsgraphen ermittelt. Die Limitierung des max. Verbrauchs bei SATA-M2-SSD durch das Interface ist aus diesen Graphen auch ersichtlich.

Sequential Performance - The Toshiba XG6 1TB SSD Review: Our First 96-Layer 3D NAND SSD

@ Andi 669
Die Verbrauchsgraphen in den SSD-Tests von Anandtech weisen bei parallelen Zugriffen mit vielen Threads z. T. höhere Werte bei Lesen als beim Schreiben auf. Insofern würde ich nicht davon ausgehen, dass Temperaturprobleme nur beim Schreiben auftreten können. In üblichen Reviews wird dieses Phänomen nur nicht beachtet.

 

[Andi 669]

Die Verbrauchsgraphen in den SSD-Tests von Anandtech weisen bei parallelen Zugriffen mit vielen Threads z. T. höhere Werte bei Lesen als beim Schreiben auf. Insofern würde ich nicht davon ausgehen, dass Temperaturprobleme nur beim Schreiben auftreten können. In üblichen Reviews wird dieses Phänomen nur nicht beachtet.

Wider was Gelernt


@ VJoe2max, was verstehst du unter größeren Files, im zweistelligen GB Bereich ?
weil 500MB werden die SSD nicht sonderlich erwärmen.

 

[VJoe2max]

Sorry erst mal für die späte Rückmeldung.
Habe zwischenzeitlich einige Versuche mit einer Samsung SSD PM981 256GB in dem kleinen Rechner gemacht (die kann man technisch als OEM-Pendant der Samsung SSD 970EVO betrachten). Diese SSD ist für die Kiste natürlich völlig übertrieben - zumal der M.2-Slot nur PCIe Gen2 unterstützt. Die volle Leistung konnte sie also gar nicht entfalten. Trotzdem wird insb. der Controller bereits im ganz normalen Idle-Betrieb bei offenem Gehäuse über 52-55°C warm (lt. CrystalDiskInfo). Bei geschlossenem Gehäuse pendelt sich die Temperatur bei 62-64°C im Idle ein. Liegt eine reale Last wie z.B. Windows-Updates an, geht die Temperatur schnell bis 79-80°C rauf und sinkt auch nach dem Update nur langsam wieder ab. Letzteres dürfte der Tatsache geschuldet sein, dass in dem Passiv-Gehäuse so gut wie kein Luftaustausch stattfindet. Ein Lasttest mit AS SSD wurde durch den Temp-Limiter nur unwesentlich darüber durch Throttling begrenzt.
Aus meiner Sicht kommt es nicht in Frage so eine leistungsfähige SSD dauerhaft in dem Gehäuse zu betreiben, denn unabhängig davon, dass derartige Lasten nicht dauerhaft auftreten werden, wird sie mir auch im Idle zu warm und ich kann die Leistung andernorts besser ausnutzen.

@MoBo 01/04:
Erst mal danke für die Quelle! Das spricht auf jeden Fall dafür es mit einer SATA-SSD zu versuchen. Habe mir inzwischen eine WD Green 240GB M.2 SSD mit SATA-Interface bestellt. Die zieht in der Spitze max. 2,8W.

Abgesehen davon war diese SATA-SSD ne gute Ecke billiger als die günstigsten sparsamen PCIe-SSDs. Die SATA-SSD WD Blue mit dem Marvell-Controller im M.2-Format wäre auch in Frage gekommen, aber letztlich ist der Rechner an sich eh so langsam, dass es auf derartige kleine Unterscheide dann auch nicht mehr ankommt und die WD Green mit dem SiliconMotion-Controller ist halt einfach noch ein Quäntchen sparsamer im Betrieb.

Was die Zugriffslast angeht stimme ich dir grundsätzlich natürlich zu. Bei gleicher Dateigröße liegt die hohe Last bei höheren Transferraten allerdings auch kürzer an. Insofern wären bei normalem Betrieb kurze hohe Temperaturspitzen bei schnellen NVMe-SSDs zu erwarten, auf die eine Abkühlung wegen geringer Last folgt. Bei der eingeschränkten Kühlsituation fürchte ich aber, dass das letztlich nicht reicht, um mit so einer schnellen SSD im Durchschnitt in einem vernünftigen Temperaturbereich zu landen.
Der Knackpunkt ist aus meiner Sicht tatsächlich der Energieumsatz. Eine SSD die auch in der Spitze wenig verbraucht (und dafür ggfls. langsamer ist) kann nicht so heiß werden, da trotz längerer Lastzyklen aufgrund der geringerer Transferraten, einfach keine so hohe Leistung in Wärme umgesetzt wird.

@Andi 669: Die Files die ich einspeise werden in der Regel eher kleiner als 500MB sein, aber wie meine ersten Tests gezeigt haben, gibt es durchaus auch Lasten wie Windows-Updates die die SSD trotzdem ordentlich belasten. Da sie kann in dem Gehäuse aber einfach nicht effektiv gekühlt werden kann, ist das zumindest suboptimal.

Ein Kühlkörper würde hier auch nicht viel nützen, da er allenfalls den Hotspot am Controller etwas mehr verteilt - das ändert aber nichts daran, dass die Abwärme nicht schnell abgeführt werden kann.


Wenn ich die WD Green drin habe, werde ich dasselbe was ich mit der PM981 geprüft habe nochmal wiederholen und hier berichten. Hoffe das bringt den gewünschten Erfolg, denn ich habe keine Lust eine 2,5"-SSD zu verbauen, die dann ihrerseits wieder die Konvektion um den passiven CPU-Kühler behindert.

Die PCIe (NVMe) Intel SSD 760p aus meinem Eingangsposting, die zwar auf dem Papier bedeutend schneller als die WD Green wäre (was in dem Rechner jedoch wegen der PCIe Gen2 Limitierung nicht viel nützt) ist zwar ebenfalls mit recht geringer Verlustleistung im Betrieb angegeben, aber ich finde zu diesem Modell leider nirgends offizielle Angaben zur maximalen Verlustleistung. So eine werde ich mir evtl. mal mit höherer Kapazität für den Spiele-Rechner holen. Da gibt´s zwar auch ein kleines Kühlungsproblem (M.2-Sockel auf der Rückseite und wenige mm entfernt die Backplate der GPU), aber das ist dort leichter lösbar, da der Rechner nicht passiv gekühlt ist.

 

[VJoe2max]

Sorry für´s Doppelposting.

Wollte ja noch Feedback geben, was nun die M.2 SATA-SSD im Vergleich zur M.2 PCIe-SSD im Hinblick auf mein Temperaturproblem gebracht hat. Das Ergebnis überwältigend!
Die WD Green M.2 240GB (SATA) bleibt unter dauerhafter Schreib- und Leselast mit max. 52°C laut CrystalDiskInfo viel viel kühler als die Samsung SSD PM981 256GB (PCIe). Die Oberflächentemperatur ist noch niedriger, denn man kann mit der Fingerspitze auch bei längerer Last dauerhaft den Controller berühren (dessen Chipgehäuse im Übrigen deutlich kleiner ist als die Controller aller PCIe SSDs im M.2-Format die ich bislang hatte). Das ist mit einer PCIe-SSD definitiv nicht möglich ohne sich die Finger zu verbrennen. Ohne Last kühlt sie auch recht schnell wieder auf um die 40-42°C ab. Natürlich sind die Transferraten deutlich geringer, aber zumindest für meinen Anwendungsfall spielt das nicht die wesentliche Rolle, da der PC ja selbst recht langsam ist. Nach längerer Laufzeit bleibt das gesamte Gehäuse im geschlossenen Zustand fühlbar kühler als mit der schnellen PCIe SSD.

Ich habe im Übrigen auch noch eine weitere PCIe SSD mit NVMe getestet, die von den Werten auf dem Papier erheblich sparsamer ist als sehr schnelle Exemplare ihrer Zunft. Es handelt sich um einen Kingston A1000 240GB die nur mit zwei PCIe-Lanes angebunden ist. Die SSD war recht günstig und sie hat fünf Jahre Garantie - da macht man nicht allzu viel falsch. Gegenüber der Samsung PM981 bleibt sie mit 70°C in der Spitze zwar merklich kühler, und der Phison-Controller kühlt auch schneller wieder ab (allerdings nur auf ca. 50°C bei geschlossenem Gehäuse). Wirklich kühl ist das einfach nicht, auch wenn ich davon ausgehe, dass man diese SSD auch dauerhaft in dem Gehäuse betreiben könnte, ohne dass sie sich drosselt.
Der Geschwindigkeitsvorteil gegenüber der SATA-SSD ist bei so einer SSD allerdings ohnehin nicht berauschend. Nichts desto trotz erreicht sie die Transferraten die sie laut Datenblatt erreichen soll und macht auch sonst keine Schwierigkeiten.

 

[StillPad]

Hey Joe,

na da habe ich ja eine feine Platte raus gesucht

Das klingt sogar so gut das ich mir vorstellen könnte davon eine in Laptop zu setzen wenn es mal günstig 1 bzw. 2TB davon gibt

Dort liegt der M2 Slot auch so beschissen das eine 970 Pro sofort auf über 60° war.

 

[Holt]

Wenn die Performance nicht so wichtig ist, dann dürfte es auch keine Probleme geben wenn die SSD so heiß wird das sie throttelt, denn dann ist sie zwar langsamer, aber so eine Samsung NVMe SSD dürfte selbst dann noch schneller als eine SATA SSD sein.

 

[VJoe2max]

Das mag sein, aber das Mehr an Abwärme landet dennoch im Gehäuse und das ist hier das wesentliche Problem . Da auch der Prozessor im gleichen Luftvolumen passiv gekühlt ist, führt einfach jedes zusätzlich abzuführende Watt Abwärme im Gehäuse dazu, dass die Temperaturen aller Komponenten steigen. Meine ursprüngliche Ambition war ja eine einigermaßen schnelle PCIe M.2-SSD zu finden die so sparsam ist, dass in dem System möglichst wenig zusätzliche Wärme zugeführt wird. Dies aber nicht primär weil ich die Geschwindigkeit für die Anwendung benötige, sondern weil ich die SSD bei Bedarf auch andernorts gern hätte einsetzen können und da kann mehr Geschwindigkeit nie schaden. Realistisch betrachtet wird die SSD aber wohl auf immer und ewig in dem CNC-Rechner bleiben - von daher ist es kein Drama, dass es nun eine vergleichsweise "langsame" SATA-SSD geworden ist.
Wie sich für mich nun zeigte sind PCIe-SSDs halt einfach nicht so sparsam - selbst Modelle die auf dem Papier sparsam wirken. Mutmaßlich ist das der Fall weil sie eben schneller sind aber dafür eben auf einen Controller angewiesen sind der im Endeffekt mehr Energie umsetzt als ein SATA-Controller.

Habe den Rechner inzwischen fertig eingerichtet und werde ihn mit der M.2 SATA-SSD betreiben. Die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen der WD Green und den getesteten PCIe-SSDs sind für meine Anwendung wirklich nicht relevant und trotzdem liegen schließlich noch Welten zwischen einer Festplatte und der SSD .

Die Samsung SSD PM981 werde ich in einem anderen Rechner verwenden und mit der Kingston A1000 werde ich ein bisschen mit einem SATA-Express-Adapter an meinem Testrechner experimentieren (SATA-Express bietet im PCIe-Modus eh nur 2 PCIe-Lanes). Für den Spielerechner bin ich immer noch am überlegen, ob eine Intel 760p M.2-SSD mit 1TB evtl. eine sinnvolle Ergänzung wäre. Würde mich nach wie vor interessieren, wie die hinsichtlich Abwärme abschneidet. In der Kiste ist die Kühlsituation zwar auch bescheiden (M.2-Slot auf der Mainboard-Rückseite und in einem DAN-A4 SFX), aber dem kann dort prinzipiell in gewissem Maße abgeholfen werden. Eine so heiße SSD wie die Samsung PM981 oder vergleichbare auf Geschwindigkeit getrimmte Modelle will ich aber nicht unbedingt zwischen Mainboard und Backplate der Graka mit nur 1cm Luft dazwischen verbauen.

Auf jeden Fall nehme ich aus den Versuchen die Erkenntnis mit, dass die Abwärmeproblematik tendenziell vor allem vom Controller abhängt und PCIe-Modelle hier gegenüber SATA-SSDs tendenziell deutlich im Nachteil sind - auch wenn sie dafür eben deutlich schneller zu Werke gehen. Da ich damals mit den M.2 SSDs direkt mit PCIe-Modellen angefangen habe (Samsung SSD XP941, Plextor M6e, ...) und sich seit dem, zugunsten höhere Transferraten, offenbar nichts Wesentliches an der Hitzproblematik geändert hat, war mir nicht bewusst, dass M.2-Modelle mit SATA-Schnittstelle unter dem Aspekt des Energieumsatzes eben wirklich deutliche Vorteile haben können. Ob das grundsätzlich gilt, kann ich nicht sagen, aber die WD-Green war für meine spezielle Aufgabe denke ich keine schlechte Wahl.

In meinem ähnlich kleinen Linux-Hauptrechner (STX-Format) habe ich mit der vergleichsweise hitzköpfigen Samsung SSD 970 Pro hingegen keine Probleme - aber eben nur weil dieser Rechner aktiv luftgekühlt ist und die SSD im Luftstrom steht. Werde da aber vllt. trotzdem noch den massiven AnfiTec-M.2 Kühler drauf installieren den ich noch im Schrank liegen habe (damals für die Plextor m6e gekauft) .
Im anderen Passiv-Rechner steckt derzeit noch ein Mainboard ohne M.2-Slot. Da führte eh kein weg an einer klassischen 2,5" SATA-SSD vorbei. Die sind meiner Erfahrung nach temperaturmäßig aber seit jeher unproblematisch.

 

[Holt]

Es gibt auch PCIe SSDs die eine geringe Leistungsaufnahme im Idle haben und SSDs sind eben die meiste Zeit idle. Alleine die maximale Leistungsaufnahme zu betrachten, reicht auch nicht aus, da eine schnelle SSD auch schneller wieder Idle ist und damit am Ende oft sogar weniger Leistung ausnimmt als eine lahme die zwar während eines Zugriffs weniger Leistung aufnimmt, dies dafür aber über einen längeren Zeitraum. Gegenüber der CPU dürfte die Leistungsaufnahme der SSD aber sowieso eher irrelevant sein, sofern man nicht zu einer mit außergewöhnlich hoher Leistungsaufnahme greift. Die SSDs von Samsung sind meist sehr sparsam, sofern die Energiesparfunktionen auch genutzt werden.

 

[VJoe2max]

Die CPU des Rechners hat eine TDP von 10W und der Idle-Verbrauch ohne SSD liegt bei 4,6W . Das liegt absolut im Bereich so mancher High-End PCIe-SSDs. Wir reden hier über eine wirklich kleine sparsame Kiste, die nichts anderes tun muss, als ein einfaches Programm abzuspielen und ab und zu mit neuen Daten gefüttert zu werden. Das ressourcenhungrigste Programm im Sinne von Rechenleistung das darauf läuft dürfte Windows10 selbst sein. So etwas passiv zu kühlen ist insb. bei der Anwendung als CNC-Steuerrechner (Staubproblematik) durchaus sinnvoll. Eine SSD die fast so viel verbrät wie die CPU ist da halt einfach fehl am Platze.

Meine Tests haben deutlich ergeben, dass sowohl die Idle-Temps als auch die Last-Temps, sowohl bei sparsamen als auch bei leistungsfähigen M.2 PCIe-SSDs ein gutes Stück höher sind. Der Energieumsatz ist also unabhängig von der Tatsache, dass die Lastphasen naturgemäß kürzer sind, einfach höher ist.
Wenn es einen deutlich sparsameren PCIe-Controller gibt, bin ich gern bereit diesen auch noch auszuprobieren. Der SiliconMotion-Controller den Intel bei der 760p einsetzt würde mich wie gesagt interessieren, aber die Tests mit Temperaturmessungen die ich davon bis jetzt gesehen habe, weisen eher darauf hin, dass das Ergebnis vllt. ähnlich dem des Phison-Controllers liegen wird. Der Samsung-Controller scheint hingegen keineswegs besonders sparsam zu sein - auch wenn es sicher noch ineffizientere gibt.

Bis jetzt hatte ich einen Samsung Phoenix mit 8 Kanälen, als auch einen Phison PS5008-E8 mit 4 Kanälen ausprobiert. Beide werden ohne aktiven Luftaustausch min. 10-20K wärmer im Idle als die sparsame WD Green SATA-SSD im M.2 Format und unter Last sind beide min. 20+K wärmer. Das heißt im Umkehrschluss, dass diese Controller trotz der kürzeren Lastphasen einfach allgemein mehr Energie verbraten als der simple SATA-Controller auf der WD Green. Die NAND-Chips sind weniger das Problem - die bleiben auch bei der Samsung vergleichsweise Kühl (zumindest bis das PCB heiß ist und die Abwärme des Controllers auch die NAND-Chips beheizt).

 

[Holt]

Die Temperaturen in den Reviews sagen wenig bis nichts über die Leistungsaufnahme aus, da sie extrem von der Temperatur der Umgebung und der Kühlung (also ob und wie stark ein Luftstrom über sie hinwegstreicht) abhängig sind. Die Phison sind bekannt dafür eine recht hohe Leistungsaufnahme zu haben, die SMI sind etwas sparsamer, aber die sind auch nur in 28nm gefertigt. Samsung gibt zwar nicht an mit welchem Fertigungsprozess sie die Controller bauen, aber da es ja ARM Kerne sind und Samsung diese für Smartphone SoCs schon seid Jahren in 14nm fertigt, würde es mich nicht wundern wenn sie auch die SSD Controller in 14nm fertigen, immerhin haben sie im Gegensatz zu allen anderen Herstellern von SSD Controllern (außer Intel) eigene Fabs (sind inzwischen sogar der größte Halbleiterhersteller) und haben als größter SSD Hersteller auch das nötige Volumen damit sich dies lohnt. Chips in 14nm zu entwicklen ist über 4x so teuer wie ein 28nm Design zu entwickeln (da geht es schnell in die Hundert Millionen Dollar), dafür ist die Fertigung pro Stück dann billiger, es lohnt sich also nur bei hohen Stückzahlen.

Die WD Green sind sparsam, weil es nur lahme SATA SSDs sind und obendrein keinen DRAM Cache haben, dessen regelmäßiges Refresh auch Strom braucht. Die andere Frage ist, ob das Board überhaupt die Energiespareinstellungen für PCIe SSDs unterstützt, dies ist bei Notebooks zwar zu erwarten, bei Desktopboards aber oft nicht der Fall, während jede Board die SATA Energiesparzustände unterstützen.