了解固态硬盘预留空间 (OP)

2024-08-03 17:15:50

预留空间百分比 =

实际容量 - 用户容量

用户容量

预留空间百分比公式。

固态硬盘 (SSD) 的外形尺寸（如，长、宽、高）和外部接口（如 SATA 或 SAS 接口）通常与普通机械硬盘 (HDD) 类似，但固态硬盘的内部初级操作和组件与普通机械硬盘的旋转磁性盘片设计却大不相同。

在组装好固态硬盘后，固态硬盘制造商可以额外保留硬盘总存储容量中的一部分，以用作固件编程期间的预留空间 (OP)。预留空间改善性能并常常可以提高固态硬盘的耐久性，有助于延迟硬盘的使用寿命，这得益于固态硬盘控制器拥有更多的闪存 NAND 存储可用于缓解 NAND 闪存在其使用寿命期间的磨损。

实际容量	用户容量	预留空间 %	应用类别
64GB	60GB	7%	读取密集型
96GB	90GB	7%	读取密集型
128GB	120GB	7%	读取密集型
128GB	100GB	28%	更高写入密集型
256GB	240GB	7%	读取密集型
256GB	200GB	28%	更高写入密集型
512GB	480GB	7%	读取密集型
512GB	400GB	28%	更高写入密集型
1024GB	960GB	7%	读取密集型
1024GB	800GB	28%	更高写入密集型
2048GB	1800GB	14%	读取密集型
2048GB	1600GB	28%	更高写入密集型

基于存储容量和应用类别的预留空间

应用可能是读取密集型，例如典型的客户端工作负载，其中用户一般执行 20% 的写入操作和 80% 的读取操作。使用存储设备读取缓存的企业应用属于读取密集型；如果这些应用将更多数据写入存储设备，则它们属于更高写入密集型。

固态硬盘制造商设置的 OP 容量大小不固定，具体取决于固态硬盘的应用类别和总 NAND 闪存存储容量。

较大的存储容量和不同应用类别的硬盘一般都会配置为大小成比例的预留空间，这是因为使用垃圾回收、备用块和增强数据保护功能管理更多 NAND 闪存资源的要求也会更高。

此 OP 存储容量无法由用户进行访问，并且主机操作系统也不会显示这一部分存储容量。它完全供 SSD 控制器使用。

预留空间 (OP) 的优势

OP 如何改善固态硬盘性能

每个 NAND 闪存模片都由多个块组成，而每个块又包含多个页。

NAND 闪存可以在页级上读写，但是只能在块级上擦除。

如果需要修改或擦除块中已编写页上的单页，那么首先必须将包含多个页的整个块内容读取到暂时存储器，然后擦除，之后才可以将新块内容编写到相同的块地址中。

只有在页已经处于空白状态时，才无需经过这种乏味的读取 - 修改 - 写入循环而将页直接写入 NAND 闪存中的块。

通过预留空间保证大量块处于空白和保留状态有助于保持性能的一致性，尤其是在展现出最高写入放大率 (WAF) 的随机写入情况下。¹

OP 如何改善固态硬盘耐久性

要理解为什么为固态硬盘配置预留空间，以及预留空间如何有助于固态硬盘控制器，我们需要深入研究固态硬盘的典型操作，以及非易失性 NAND 闪存的局限性。

每个 NAND 闪存芯片都具有有限的使用寿命，具体取决于其程序和擦除耐久性 (P/E)，这一特性是由 NAND 闪存制造商的制造过程决定的，因为在 NAND 闪存芯片上执行的每一个程序或擦除操作都会消耗芯片可靠存储电荷的能力，从而会对数据完整性造成威胁。

不过，随着 NAND 几何结构从二维转向三维，NAND 耐久性将改善、模片密度将提升、生产成本将下降，从而让固态硬盘更加经济实惠。

总的来说，影响固态硬盘耐久性的三个主要因素为：

NAND 闪存程序/擦除耐久性，以及与几何结构相关的读取/程序执行/擦除复杂性（本文中的几何图形包括二维和三维制造工艺）
固态硬盘存储容量
固态硬盘控制器功能和效率（垃圾回收、写入放大、块管理、磨损均衡、错误校正码）。

通过预留空间 (OP) 保持性能和耐久性

为了避免将固态硬盘中写满无效页，固态硬盘控制器的垃圾回收功能使用预留空间作为临时工作空间，来管理计划的无效页合并以及回收填满无效（或已删除）页的块。

所有回收的页/块随后可被添加到预留空间存储容量中，以容纳固态硬盘控制器的写操作，并最大化最高流量负载期间的性能，因为读取、擦除、修改所有无效页并将其写回已经部分填入无效页的块的性能影响会表现得很慢。

垃圾收集功能独立于操作系统运行，会在活动不频繁、定期或发出相应的 ATA 数据集管理 TRIM 命令时自动触发，以安排垃圾回收。

通过预留空间存储容量提供的始终可用的空白块有助于在 NAND 闪存上保持有效的磨损均衡，因为固态硬盘控制器可以在所有 NAND 闪存芯片上智能均匀分布写入操作，而不会影响固态硬盘在最高流量负载期间的整体性能。

此外，通过回收任何无效的页和未使用的用户容量，ATA 数据集管理 TRIM 命令可以增加固态硬盘的可用空间。

格式化后的硬盘容量	预留空间大小	顺序读取/写入带宽	稳态随机 4k 读取/写入随机	TBW (JEDEC Enterprise¹)	DWPD²
480GB (DC500R)	7% OP	550/500 MB/秒	98K/12K IOPS	438 TB	0.5
480GB (DC500M)	32% OP	555/520 MB/秒	98K/58K IOPS	1139 TB	1.3
960GB (DC500R)	7% OP	555/520 MB/秒	98K/20K IOPS	876 TB	0.5
960GB (DC500M)	32% OP	555/520 MB/秒	98K/70K IOPS	2278 TB	1.3
1920GB (DC500R)	7% OP	555/520 MB/秒	98K/24K IOPS	1752 TB	0.5
1920GB (DC500M)	32% OP	555/520 MB/秒	98K/75K IOPS	4555 TB	1.3
3840GB (DC500R)	7% OP	555/520 MB/秒	98K/28K IOPS	3504 TB	0.5
3840GB (DC500M)	32% OP	555/520 MB/秒	98K/75K IOPS	9110 TB	1.3