SSD之OP详解

当你买了一块SSD，有没有发现其实你得到的容量并不是SSD标称的容量。比如你买的是128GB的SSD，你的得到的可使用容量肯定小于128GB，一般在120GB，甚至更小。到底是谁“偷”走了本应该属于你的容量呢？经过不懈努力，警察蜀黍已经找到“真凶”，就是OP，全称Over-Provisioning，中文名字叫做“预留空间”。
1. 预留空间OP是什么？
当一块SSD的数据写满时，需要额外的空间在启动垃圾回收之前接受新写入的数据，这块额外的空间，我们就称为预留空间。当然，这块预留空间是对用户不可见的。
预留空间主要分为两个部分：

1)由于标称容量与NAND闪存计算差异造成的本征预留空间OP1。市场上SSD标称的容量是按照千进制（1000）来计算的，但是NAND闪存的容量是按照1024计算的。我们简单列个式子计算一下：
市场SSD标称 1GB(GigaByte)= 1000MB= 10001000KB= 100010001000Byte= 10^9Byte (1,000,000,000Byte).
NAND闪存 1GB(GibiByte)= 1024MB= 10241024KB =102410241024Byte =2^30Byte (1,073,741,824Byte).

这两个计算方式之间正好相差7.37%。所以说SSD本征的预留空间就有7.37%。

2）SSD由于性能要求而预留空间OP2，这部分也是标称OP。
这个部分预留空间主要用于垃圾回收GC，存储SSD主控的固件（Firmware），备用数据块（Spare Blocks)等。
标称预留空间OP=（SSD物理总容量-用户数据空间）/用户数据空间

从上面这个表格中我们看到标称预留空间（Marketed OP）为0%的时候，其实这时的内部仍然有7%的本征预留空间。

2. 预留空间OP有什么好处？
预留空间牺牲了用户数据空间，那TA要是再没有什么好处，用户就真的要崩溃咯。

其实预留空间OP的好处有很多：
1）提高写入性能
由于有预留空间的存在，写入数据时并不需要经常做垃圾回收，加快了写入速度。

2）降低写放大（WA, Write Amplification)
写放大WA这个名词最早是Intel和SiliconSystems在2008年提出。

写放大的计算方法：
WA=最终写入闪存的数据量/Host写入的数据量

举个简单的例子：当Host要写入4KB数据时，最坏的状况就是一个数据块中没有可用空间，但是呢，这个数据块中有一些无效数据内容能够被擦除，这时主控的做法就是，把这个数据块中全部的数据搬到缓存，然后擦除这个块，在缓存里update整个数据块的内容，更新完成后，把最新的数据搬回数据块，整个操作造成的写放大: Host只需写4K数据，却带来了整个数据块（假设1024KB）的写操作，写放大就等于1024/4=256倍。

3）增加闪存使用寿命
减少数据的搬迁，就是减少NAND闪存的读写次数，增加使用寿命。

4）数据保护
主要提供ECC之外的数据保护，比如R.A.I.S.E.(Redundant Array of Independent Silicon Elements)，由于用的少，这里就不详细介绍了。

3. 数据说话
用真实的测试数据来看看预留空间对SSD性能的影响。
1）128KB持续写与预留空间OP的关系

从图中红色线结果看出，预留空间对持续写的影响不大。
2）4KB随机写与预留空间OP的关系

从图中红色线结果看出，预留空间对随机写的影响是线性增加的。

参考链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwNTUxNDgwNg==&mid=2247483683&idx=1&sn=d3cb7b4a444ca5ada9d518c57f07c534&scene=21#wechat_redirect