閃存是以二進制為基礎,但市面上販賣的固態硬盤容量,卻有二進制以外的選擇。以200GB左右的固態硬盤為例,有200GB、240GB、250GB、和256GB的產品。這些固態硬盤使用的閃存,容量大都是二進制的。那么除了256GB, 其他不足容量(200/240/250 GB)的產品,所為何來,是不是容量越大就越劃算?讓我們用不同的角度來揭開這個面紗。
閃存最小的讀寫單位為PAGE,有2KB, 4KB, 8KB, 和目前的主流16KB。 因為閃存的儲存電荷電壓,經過時間會慢慢的流失,用久了也會有損壞,還有閃存電性的本質,會造成數據讀取時,可能會有錯誤發生,因此固態硬盤有數據除錯的需求。主控用ECC來校驗糾錯,保證了讀寫性能和數據安全、延長硬盤使用壽命。為此,閃存在每個PAGE的用戶容量外,會提供多余的空間,例如美光64層 3D TLC 配置 (16KB+2208B) PAGE,多出的2208B,可用來儲存ECC校驗碼。這個空間越大,ECC 能支援的Code Rate越低,除錯能力越好,但是閃存芯片面積就會增大,成本增加。當然,用戶是無法使用到這個多余的儲存空間。
PAGE上層的單位是塊BLOCK,它是最小的擦除ERASE單位。一個塊由上百或千的PAGE 組成。閃存在生產和使用過程中,會產生壞塊 BAD BLOCK。壞塊分為兩種,一種是出廠時就存在,出廠測試時,會把太多壞塊的顆粒視為不良品。另一種是隨使用時間的增加,閃存會有磨損WEAR的問題,造成壞塊逐漸出現,可使用的閃存空間就會慢慢變少。所以閃存在設計的時候,會比宣稱的容量,增加多余的塊 (例如10%),來應付壞塊還有OP的需求。
固態硬盤的固件需要另外額外的空間,來儲存系統數據,和執行垃圾回收GC。這些額外的預留空間,稱為OP (Over Provisioning)。OP越大,隨機速度越好,寫入放大(Write Amplification) 越低,固態硬盤使用壽命越長, 但卻要占了更多的閃存空間。在執行垃圾回收時,OP的大小就像玩數字推盤游戲的空位,空位越多,需要移動的步數越少,解法越快越有效率。OP大小對垃圾回收的效率關系也是類似。通常企業級或高端的固態硬盤,需要大的OP,以較高的成本,來滿足速度和使用壽命的要求。
再來我們厘清一下GB (Gigabyte) 和GiB (Gibibyte) 這兩個單位的差別。市面上的儲存產品,例如固態硬盤的容量,是以GB或TB為單位,而閃存或內存,是以GiB或TiB為單位。一個是十進制,一個是二進制:
由上表可知,1GiB實際上比1GB多了 7.37%的容量。這個多余的容量,可為固件提供基本的OP空間。例如一個足容的固態硬盤產品,固件實際仍有至少7.37%的OP可用。
至于容量的標準,固態技術協會JEDEC在它的JESD218A的標準中,明確定義固態硬盤容量和邏輯塊LB數目的關系。以4KB 邏輯塊大小為例,
4KB邏輯塊數目= 2646 + (244188 x 用戶可用容量 GB)
例如256GB固態硬盤, 用戶可尋址到2646 + (244188 x 256) = 62514774 個4KB邏輯塊
在市面上不足容的固態硬盤產品中,除了OP的原因,另外是采用出廠時有較多壞塊的閃存顆粒,所謂黑片白片,而非原廠正片的閃存顆粒。 這樣的閃存,如果搭配適當的固件調適,還是可以應用在以成本為取向的低階固態硬盤市場。
固件可利用動態的剩余空間,做為OP使用。如果用戶追求的是效能和壽命,而不是容量, 可以在新盤做分區(Drive Partition) 時,設定總用戶容量小于產品容量,這樣就可以確保留下分區外的空間,再多給固件當作OP使用,進而增加硬盤效能和使用壽命。產品容量是市場的規格,不能因為壞塊逐步增加而改變。隨著時間增加的壞塊,只會讓可用的OP 空間逐漸減少。通常固件會偵測,一旦可用OP 空間低于一定的值,這個固態硬盤就無法再使用了。
總結來說固態硬盤容量,取決于使用的閃存顆粒,OP的大小和產品的定位。高端的產品 使用較大的OP ,來滿足性能上的需求。所以固態硬盤容量不一定越高越好,用戶在選購時,可以多思考比較,把錢花在對的需求上。
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原文標題:剖析固態硬盤容量的決定因素
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