剖析固态硬盘容量的决定因素

作者 理查@大心电子EpoStar

闪存是以二进制为基础，但市面上贩卖的固态硬盘容量，却有二进制以外的选择。以200GB左右的固态硬盘为例，有200GB、240GB、250GB、和256GB的产品。这些固态硬盘使用的闪存，容量大都是二进制的。那么除了256GB, 其他不足容量（200/240/250 GB）的产品，所为何来，是不是容量越大就越划算？让我们用不同的角度来揭开这个面纱。

闪存最小的读写单位为PAGE，有2KB, 4KB, 8KB, 和目前的主流16KB。 因为闪存的储存电荷电压，经过时间会慢慢的流失，用久了也会有损坏，还有闪存电性的本质，会造成数据读取时，可能会有错误发生，因此固态硬盘有数据除错的需求。主控用ECC来校验纠错，保证了读写性能和数据安全、延长硬盘使用寿命。为此，闪存在每个PAGE的用户容量外，会提供多余的空间，例如美光64层 3D TLC 配置 (16KB+2208B) PAGE，多出的2208B，可用来储存ECC校验码。这个空间越大，ECC 能支援的Code Rate越低，除错能力越好，但是闪存芯片面积就会增大，成本增加。当然，用户是无法使用到这个多余的储存空间。

PAGE上层的单位是块BLOCK，它是最小的擦除ERASE单位。一个块由上百或千的PAGE 组成。闪存在生产和使用过程中，会产生坏块 BAD BLOCK。坏块分为两种，一种是出厂时就存在，出厂测试时，会把太多坏块的颗粒视为不良品。另一种是随使用时间的增加，闪存会有磨损WEAR的问题，造成坏块逐渐出现，可使用的闪存空间就会慢慢变少。所以闪存在设计的时候，会比宣称的容量，增加多余的块 (例如10%)，来应付坏块还有OP的需求。

固态硬盘的固件需要另外额外的空间，来储存系统数据，和执行垃圾回收GC。这些额外的预留空间，称为OP (Over Provisioning)。OP越大，随机速度越好，写入放大
(Write Amplification) 越低，固态硬盘使用寿命越长， 但却要占了更多的闪存空间。在执行垃圾回收时，OP的大小就像玩数字推盘游戏的空位，空位越多，需要移动的步数越少，解法越快越有效率。OP大小对垃圾回收的效率关系也是类似。通常企业级或高端的固态硬盘，需要大的OP，以较高的成本，来满足速度和使用寿命的要求。

再来我们厘清一下GB (Gigabyte) 和GiB (Gibibyte) 这两个单位的差别。市面上的储存产品，例如固态硬盘的容量，是以GB或TB为单位，而闪存或内存，是以GiB或TiB为单位。一个是十进制，一个是二进制：

由上表可知，1GiB实际上比1GB多了 7.37%的容量。这个多余的容量，可为固件提供基本的OP空间。例如一个足容的固态硬盘产品，固件实际仍有至少7.37%的OP可用。　

至于容量的标准，固态技术协会JEDEC在它的JESD218A的标准中，明确定义固态硬盘容量和逻辑块LB数目的关系。以4KB 逻辑块大小为例，

4KB逻辑块数目
= 2646 + (244188 x 用户可用容量 GB)

例如256GB固态硬盘, 用户可寻址到2646 + (244188 x 256) = 62514774 个4KB逻辑块

在市面上不足容的固态硬盘产品中，除了OP的原因，另外是采用出厂时有较多坏块的闪存颗粒，所谓黑片白片，而非原厂正片的闪存颗粒。 这样的闪存，如果搭配适当的固件调适，还是可以应用在以成本为取向的低阶固态硬盘市场。　

固件可利用动态的剩余空间，做为OP使用。如果用户追求的是效能和寿命，而不是容量， 可以在新盘做分区(Drive Partition) 时，设定总用户容量小于产品容量，这样就可以确保留下分区外的空间，再多给固件当作OP使用，进而增加硬盘效能和使用寿命。产品容量是市场的规格，不能因为坏块逐步增加而改变。随着时间增加的坏块，只会让可用的OP 空间逐渐减少。通常固件会侦测，一旦可用OP 空间低于一定的值，这个固态硬盘就无法再使用了。

总结来说固态硬盘容量，取决于使用的闪存颗粒 ，OP的大小和产品的定位。高端的产品 使用较大的OP ，来满足性能上的需求。所以固态硬盘容量不一定越高越好，用户在选购时，可以多思考比较，把钱花在对的需求上。

作者来自深圳大心电子 http://www.epostar-elec.com/