Optimierung der Luftzirkulation/ Temperatur durch HDD-Dummies

[EPILOG]

Ich habe mal wieder ein bisschen aufgeräumt und dabei etliche alte und defekte HDD aussortiert, die ich nach einer ordnungsgemäßen Datenvernichtung mittels Hammer und Schraubendreher der Verwertung zuführen wollte. Noch bevor ich wie wild darauf rumgeprügelt hatte, kam mir in den Sinn, dass alte und defekte HDD durchaus noch einen Einsatzzweck haben könnten:

Sie können als Dummies (also 3,5“ HDD ohne Controller) in freien HDD Slots fungieren um so den Luftstrom und damit die Temperatur zu optimieren. Crazyhorse ist ein verfechter dieser Maßnahme, die für manch einen durchaus suspekt klingen mag… Teile in freie Einbauplätze stecken? Die behindern den Luftstrom doch eher?! Könnte man zumindest glauben, an dieser Maßnahme steckt aber mehr Wahres als man zunächst vermuten mag… und was das wirklich bringt versuche ich mal herauszufinden.

[LUFTSTROM UND TEMPERATUR]
Sicherlich bedarf es nicht erwähnt zu werden, ich mache es der Vollständigkeit wegen trotzdem:

Sämtliche Bauteile eines Computersystems oder NAS setzen elektrische oder mechanische Energie in Wärme um und werden dadurch entsprechend warm. Damit diese Wärme von den Bauteilen abgeführt werden kann, kommen bei Bauteilen mit besonders hoher Wärmeentwicklung Kühlkörper zum Einsatz, die die Oberfläche welche die Wärme an die Umgebungsluft abgibt vergrößert. Bauteile mit weniger Wärmeenticklung kommen ohne Kühlkörper aus, allesamt haben aber gemeinsam, dass die an die Umgebungsluft abgeführte Wärme auch abtransportiert, also aus dem Gehäuse gepustet werden muss. Bei QNAP NAS geschieht dies vornehmlich über einen oder mehrere Lüfter, wobei mindestens ein Lüfter (Systemlüfter/ Gehäuselüfter) von Hinten Außenluft in das Gehäuse pustet, welche sämtliche Bauteile umströmt, die Wärme mitnimmt und anschließend zur Front hin abgeführt wird. Je besser ein Bauteil in diesem Luftstrom liegt, desto besser kann dessen Temperatur abgeführt werden, das Bauteil wird also stärker gekühlt.

Bei dem Design eines Systems ist der Luftstrom essentiell, wird also von Anfang an bedacht indem die Bauteile entsprechend angeordnet werden, selbstredend trifft dies auch auf die Datenträger zu.

Leere Datenträger-Slots gehören allerdings nicht zum Design, weshalb es durchaus einen Vorteil haben kann, wenn die nicht verwendeten Slots belegt sind und der Luftstrom dadurch so gelenkt wird, wie es das Design vorsieht.

[GEDANKEN ZUM BELEGEN NICHT VERWENDETER SLOTS]

Ich betreibe eine TVS-473 welches 24/7 läuft und mit 2 von 4 HDD bestückt ist. Belegt sind Slots 1 und 2, also die linken beiden, die rechten beiden sind leer. Ich kann mir vorstellen, dass die Luft, welche normalerweise die beiden HDD in Slot 3 und 4 umströmen sollte durch das Fehlen der beiden HDD in dem Leerraum verwirbelt und somit eine effiziente Abführung verhindert wird.

Sind alle Slots belegt, befindet sich ein geringer Spalt zwischen den Datenträgern, durch den die Luft strömen kann. Es klingt widersprüchlich dass dies eine Verbesserung darstellt, denn je mehr verbaut und desto enger es ist, desto weniger scheint eine Wärmeabfuhr möglich zu sein. Tatsächlich ist es aber so, dass Luft durch einen Engpass mit deutlich höherer Geschwindigkeit strömt, also auch mehr Wärme abgeführt werden kann. Dieses Prinzip kennt man im Alltag von Staubsaugern: Setzt man die schmale Düse auf, die man gerne für Sofaritzen nimmt, nimmt der Sog (Luftstrom) spürbar zu.

In diesem Zusammenhang fällt aber auch auf: Mit dieser Düse, also so einem Engpass, ist der Luftstrom auch deutlich stärker zu hören. Klar, denn ein höherer Luftstrom kann potentiell einen höheren Schalldruckpegel, also Lautstärke erzeugen.

[DIE AUSGANGSLAGE]
Wie bereits erwähnt betreibe ich ein TVS-473 mit zwei HDD. Das Gerät ist wie manch andere QNAP in zwei Temperaturblocks, oder Temperaturzonen unterteilt: System und CPU. Wir betrachten hierbei den Systemblock, da sich hier auch die HDD befinden.

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(Abb.1 - Aufteilung Temperaturblöcke)

Das Gerät befindet sich in einem Rack im Keller, zur aktuellen Jahreszeit (Herbst/ Winter) ist die Temperatur hier unten ziemlich konstant, sodass äußerliche Einflüsse hier nicht reinspielen sollten.

Die Temperaturen der HDD (WD40EFRX) liegen idle bei etwa 30/31°C und erreichen selbst im Alltagsbetrieb kaum mehr als 32°C. Die Temperatur des Systemblocks liegt meist um die 39°C.

Da ich mein NAS und somit auch die Temperaturen (dank rednag) im Monitoring habe, habe ich auch eine Übersicht über die Temperaturen der letzten 10 Tage:

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(Abb.2 - Temperaturen bei Ausgangslage 10 Tage)

Auch der Blick auf das gesamte Jahr bestätigt, dass es im Sommer zwar wärmer wird, aber selbst hier maximal 33/34°C bei den HDD und 42°C für das System zu erwarten sind.

Für die bessere Vergleichbarkeit hier nochmal das Monitoring der letzten 24h:

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(Abb.3 - Temperaturen bei Ausgangslage 24h)

Wird Zeit zu prüfen was passiert, wenn ich die beiden freien Slots mit Dummies bestücke.

Für das Protokoll: Es ist jetzt Montag der 18.10.21, 14:12.

[ANOMALIEN]
Es ist der Zufall, der mich dazu verleitet zunächst eine andere Testreihe zu fahren. Um die Dummies einbauen zu können habe ich die leeren Trays in Bay 3 und 4 entnommen, wollte diese aber nicht direkt wieder einsetzen, da die Dummies sehr kühl gelagert wurden und ich diese erstmal im Rack aklimatisieren lassen wollte, damit sie die Messergebnisse nicht verfälschen. Also dachte ich mir, dass ich Bay 3 und 4 über Nacht offen lasse um zu sehen, wie sich die Temperatur entwickelt.

Montag, 18.10.21, ca. 15:20.

Die Trays wurden entommen, erwartungsgemäß sank die Systemtemperatur deutlich von zuvor 39°C auf ca. 32°C. Klar, denn die Warme Luft kann nun viel besser abgeführt werden. Man sieht es im nachfolgenden Bild nicht sehr deutlich, aber im Gegensatz zu dem Zeitraum mit geschlossenen Bays schwankt die Temperatur sehr häufig um wenige Kelvin, zuvor war die Temperatur sehr konstant. Auch dies ist naheliegend, ein offener Raum unterliegt nunmal stärkeren Temperaturschwankungen als ein geschlossener Raum, der seine Temperatur konstant, aber langsam abgibt.

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(Abb.4 - Temperatur Gehäuse ohne Trays 10h)

Das was ich jedoch bei den Festplattentemperaturen sehe, hätte ich jetzt so gar nicht vermutet. Die Differenz ist marginal, ich finde es aber sehr erstaunlich, dass die Temperatur der HDD exakt im Moment des Ausbaus der Trays dauerhaft um 3 Kelvin ansteigt, analog dazu auch die andere Festplatte, der Temperaturunterschied fällt hier allerdings nicht so deutlich aus.

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(Abb.5 - Temperatur HDD ohne Trays 10h)

Ein kühleres System, dafür wärmere Festplatten durch Ausbau der Trays 3 und 4?! Das ist anomal und paradox. Ich kann es mir nur so erklären: Der Luftstrom der beiden HDD wird dadurch derart negativ beeinflusst, dass deren Temperatur nicht mehr so gut abgeführt wird, wennauch die Temperatur im System allgemein gesunken ist. Dies lässt es zumindest wahrscheinlicher erscheinen, dass der Einsatz von HDD-Dummies einen positiven Effekt erzielt, auch wenn dies zunächst ebenso paradox erscheint wie das was ich gerade beobachtet habe.

[DER VERSUCH]
Dienstag, 19.10.21, ca. 05:40.

Die zwei Dummies wurden in die Slots 3 und 4 eingesetzt. Der Anstieg der Systemtemperatur ist genauso prägnant wie es umgekehrt beim Ausbau der Trays war; schlagartig steigt diese um 6 Kelvin auf 38°C, bleibt aber immer 1-2 Kelvin geringer als zur Ausgangssituation. Bereits nach kurzer Zeit zeigt sich auch, dass die Temperatur wieder fast so konstant ist wie vor dem Ausbau, die gelegentlichen marginalen Ausreißer schiebe ich etwas wohlwollend auf die Mess- und Anzeigetoleranz.

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(Abb.6 - Temperatur Gehäuse Testzeitraum 24h)

Das gleiche Bild zeigt sich auch bei den HDD, die Temperatur sinkt sehr schnell um 3 Kelvin auf den Ausgangswert von 30°C. Die andere Festplatte verhält sich analog, der Temperaturunterschied ist aber erneut etwas geringer.

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(Abb.7 - Temperatur HDD Testzeitraum 24h)

[DIE SACHE MIT DEN TEMPERATURZONEN]
Wie eingangs erwähnt und in Abb.1 dargestellt, ist das NAS in zwei Temperaturzonen unterteilt, deren Temperatur autark voneinander geregelt wird. Im betrachteten Systemblock befinden sich Backplane und HDD sowie das Netzteil, im CPU Block befindet sich die Seite des Mainboards auf dem CPU, RAM und M.2 SSD sowie etwaige Erweiterungen untergebracht sind. Beide Blöcke werden durch die Rückseite des Mainboards voneinander getrennt, sodass sich die Luft zwar nicht oder nur wenig vermischen kann, die Temperatur des Systemblocks aber durchaus Einfluss auf das Mainboard und darauf befindliche Teile hat.

Betrachtet man die nachfolgenden Temperaturen aller Bauteile, so stellt man eindeutig fest, dass durch das Entfernen der Trays auch die Temperaturen im CPU Block sinken (M.2 Disk 1 und 2 sowie CPU) und dass diese durch das Einsetzen der Dummies gemeinsam mit der Systemtemperatur wieder ansteigen. Hier sieht man auch nochmal sehr schön, dass sich die Temperaturen der HDDs invertiert zu den restlichen Temperaturen verhalten. Die M.2 Disk 2 ist völlig unbeeindruckt von den Dummies und erreicht wie auch M.2 Disk 1 nicht mehr die Ausgangstemperatur von 35/38°C, sondern bleibt 2/3 Kelvin darunter.

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(Abb.8 - Temperaturen Testzeitraum 24h)

[FAZIT]
Es steht außer Frage, dass das Vorhandensein der Trays Auswirkungen auf sämtliche Temperaturen hat, egal in welchem Temperaturblock sich die Teile befinden.

Lässt man die HDD-Temperaturen außen vor, so scheint es am sinnvollsten zu sein die Trays aus nicht verwendeten Bays zu entnehmen, um die Temperaturen im CPU Block und System zu reduzieren, da die erreichte Absenkung der Temperatur in keinem Verhältnis zu der leichten Erwärmung der HDD steht. In Abb. 6 sieht man allerdings sehr schön, dass dadurch bedingt viele, wenn auch marginale Schwankungen bei der Systemtemperatur auftreten, die für ein System ebenso ungesund sein können, wie zu hohe Temperaturen. In meinem Fall mögen die Schwankungen sehr gering sein, in anderen Systemen/ Standorten könnten diese aber stärker ausfallen, daher wäre das Entfernen der Trays keine Maßnahme die ich einsetzen würde.

Auch fällt auf, dass die Position der HDD, also die Bay in der sie verbaut sind, entscheidend für die Temperaturen sind. Auch wenn die Unterschiede auch hier wieder marginal sind, Disk 3 (Bay 1) erlebt durch die unterschiedlichen Maßnahmen stärkere Temperaturunterschiede als Disk 4 (Bay 2).

Das Einsetzen von Dummies in nicht verwendeten Bays stellt nahezu wieder den Zustand her, der zuvor herrschte, als die Trays zwar eingesetzt, aber nicht belegt waren. Bei den HDD kann ich keinen Unterschied zur Ausgangssituation feststellen, über einen längeren Zeitraum betrachtet wohl aber dezente Verbesserungen bei den Temperaturen des Systems, der CPU und M.2 SSD. Auch auffällig ist, dass die Systemtemperatur nach dem Einsetzen der Dummies zwar deutlich weniger schwankt, aber weiterhin nicht so konstant ist, wie zur Ausgangssituation.

Ob und wie die Bays belegt sind wirkt sich also eindeutig auf das gesamte System aus, dass das Einsetzen von Dummies gegenüber leeren Bays Vorteile bringt kann ich zumindest für mein System nicht nachweisen.
Für mein System, richtig… in anderen Fällen könnte das alles ganz anders aussehen, so spielt sicherlich der Standort des NAS (Luftzirkulation um das NAS), die Umgebungstemperatur des NAS (inkl. Schwankungen) sowie die allgemein erzeugte Abwärme (durch Arbeitslast von CPU und Datenträgern) eine große Rolle. Nicht zuletzt ist auch nicht jedes QNAP NAS in unterschiedliche Temperaturblöcke wie mein TVS-473 aufgeteilt, sodass sich unzählige andere Bedingungen ergeben, bei denen man durch Einsatz von Dummies möglicherweise sogar deutliche Unterschiede erzielen kann.

Unterm Strich bleibt über alle Zweifel erhaben festzuhalten:
Ein NAS ist darauf ausgelegt und entsprechend konstruiert und darauf optimiert, dass alle Bays belegt sind, sodass man mit dem Einsetzen von Dummies definitiv keinen Fehler begeht.
Deshalb wohnen meine Dummies jetzt auch in Bay 3 und 4, sodass ich noch etwas länger beobachten und vergleichen kann.

Die Fertigstellung des Artikel gibt zwar noch keinen ausreichenden Grund dafür ab, aber ein bevorstehendes Ereignis am heutigen Abend wir das tun, daher schonmal vorsorglich:

Cheers!