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。{{Footnote.N52105}}

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 Enterprise{{Footnote.N52105}})DWPD{{Footnote.N37134}}
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
基于存储容量和应用类别的预留空间

为了理解 OP 的效果,我们将通过研究金士顿的企业级固态硬盘 DC500R SSD 进行说明。这些固态硬盘的存储容量高达 3.84TB,让用户可以使用 Kingston SSD Manager 工具调整预留空间。通过调整 OP 大小,我们可以利用 7% 或更高 OP 水平了解对性能和耐久性的影响。

当我们比较每对存储容量时,我们看到以下结果:
  1. 在每对中,较高存储容量的硬盘(较少 OP)可以维持相同的传输速度(带宽),但随机每秒写入 IO (IOPS) 大幅下降。这意味着,拥有较少 OP 的硬盘将在读取密集型应用中表现良好,但在写入密集型应用中速度慢于拥有 32% OP 的硬盘。
  2. 更少预留空间还意味着,每个硬盘上的总写入字节 (TBW) (TB) 将更低。OP 百分比越高,固态硬盘寿命越长。960GB DC500R 可以支持高达 876TB 的写入数据,而 800GB DC500R 可以达到 860TB。TBW 数值由金士顿利用 JEDEC 工作负载得出,供参考之用 。{{Footnote.N52105}}.
  3. 如果将 TBW 数值换算成保固期内的硬盘每天写入 (DWPD),我们可以看到具备 32% OP 的硬盘几乎将每天写入数量增加一倍。这就是为什么建议使用 32% OP为更高写入密集型应用。