写入放大

闪存和固态硬盘中不良的现象

写入放大（英语：Write amplification，简称WA）是闪存和固态硬盘（SSD）中一种不良的现象，即实际写入的物理数据量是写入数据量的多倍。

介绍

写入放大（英语：Write amplification，简称WA）是闪存和固态硬盘（SSD）中一种不良的现象，即实际写入的物理数据量是写入数据量的多倍。

由于闪存在可重新写入数据前必须先擦除，而擦除操作的粒度与写入操作相比低得多，执行这些操作就会多次移动（或改写）用户数据和元数据。因此，要改写数据，就需要读取闪存某些已使用的部分，更新它们，并写入到新的位置，如果新位置在之前已被使用过，还需连同先擦除；由于闪存的这种工作方式，必须擦除改写的闪存部分比新数据实际需要的大得多。此倍增效应会增加请求写入的次数，缩短SSD的寿命，从而减小SSD能可靠运行的时间。增加的写入也会消耗闪存的带宽，此主要降低SSD的随机写入性能。许多因素会影响SSD的写入放大，一些可以由用户来控制，而另一些则是数据写入和SSD使用的直接结果。

在2008年，英特尔和SiliconSystems（2009年为西部数据所收购）首先在他们的论文和出版物使用了术语“写入放大”。写入放大通常用闪存的写入与主机系统的写入之比来衡量。没有开启数据压缩时，写入放大不小于1。在使用压缩的情况下，SandForce声称他们的典型写入放大达到了0.5，而在最佳情况下，使用SF-2281控制器，此值能低至0.14。

SSD基本操作

由于闪存操作的性质，数据不能像在硬盘中那样直接覆写。当首次向SSD写入数据时，单元都处于已擦除状态，因而数据可以直接写入，一次一页（大小通常为4至8千字节（KB））。SSD中管理闪存与主控系统接口的SSD控制器，使用称为逻辑区块地址（LBA）的逻辑到物理映射系统，这是闪存转换层（FTL）的一部分。当新的数据要替换已写入的旧数据时，SSD控制器将会写入新的数据至新的位置，并且更新逻辑映射，将其指向新的物理位置。原位置的数据将不再有效。在可以再次写入之前，它需要先被擦除。

闪存的编程和擦除次数有限。通常以闪存在整个寿命中最多可忍受的编程/擦除循环（P/E循环）次数来表示。单层单元（SLC）闪存，通常设计为高性能和长寿命，一般能有50000到100000次循环。截至2011年，设计用于低成本应用的多层单元（MLC）闪存，循环次数就大为减少，一般只有3000至5000次循环。自2013年起，已有三层单元（TLC）闪存，其编程-擦除（P/E）循环次数又降至1000。写入放大越低，则越为理想，因为与之对应的是闪存中P/E循环次数减少，所以能延长SSD的寿命。

计算数值

即使是在定义术语之前，写入放大就已经存在于固态硬盘中，但直到2008年，才有英特尔和SiliconSystems开始在他们的论文和出版物中使用它。所有的SSD都有一个写入放大值，基于目前正在写入的数据及先前已写入到SSD的数据。为了能准确地测量特定SSD的该值，应使选定的测试流程运行足够长的时间，以确保驱动器已达到稳态。

一个简单计算SSD写入放大的公式是：

影响因素

SSD的写入放大会受许多因素的影响。下表列出了主要因素以及它们对写入放大的影响。对于变量因素，表中注明了“正面”相关或“反面”相关。如随着预留空间的增加，写入放大将减小（反相关）。如果该因素是一个开关（“启用”或“禁用”）关系，那么它的关系或“正向”或“反向”。

预留空间

预留空间（有时简称OP）是闪存的物理容量和操作系统（OS）呈现给用户的可用逻辑容量之间的差值。在SSD的垃圾收集、耗损均衡及坏块映射操作中，额外的预留空间有助于降低控制器写入闪存时的写入放大。

预留空间的第一级来自容量的计算，单位使用吉字节（GB），而不是gibibyte（GiB）。HDD和SSD的厂商都使用术语GB来表示“十进制”的GB，即1,000,000,000（10^9）字节。闪存（象其它大多数电子存储器一样）以二的幂组装，所以SSD的物理容量将以每二进制GB 1,073,741,824（2）字节来计算。两个值之间的差距是7.37%（=(2-10)/10× 100%）。从而预留0%空间的128 GB SSD提供给用户的容量是128,000,000,000字节。这个初始的7.37%通常不计算在总的预留空间数量中。

预留空间的第二级来自制造商。这一级的预留空间大小通常为0%、7%或28%，基于十进制吉字节的物理容量与十进制吉字节的用户可用空间之差。举例而言，制造商发布的规格为100 GB、120 GB或128 GB的SSD，可能它们的实际物理容量都是128 GB。这种差异就是由28%、7%和0%造成的，而这也是制造商声称它们的驱动器有28%预留空间的依据。这不包括额外的十进制和二进制吉字节之间相差的7.37%。

预留空间的第三级来自驱动器上的已知可用空间，以获得持久性和性能，前提是报告未使用的部分，和/或以目前或未来的空间为代价。可以借由操作系统使用TRIM命令来确定空闲空间。另外，一些SSD提供了工具，以让最终用户选择额外的预留空间。此外，如果在SSD上没有100%地使用可用空间划分分区布局，SSD也将会自动把未分区的空间作为预留空间使用。还有一个预留空间来源于操作系统的最小可用空间限制；一些操作系统在每一个驱动器上都保留有一定的最小可用空间，特别是在启动或主驱动器上。如果SSD，也许是通过连续使用TRIM命令，能够识别出这些额外空间，那么它就能作为半永久性的预留空间。预留空间往往需要占用用户容量，或暂时或永久，但它能减少写入放大，增加持久性，并提高性能。

顺序写入

当顺序向固态硬盘写入数据时，写入放大等于1，意为没有写入放大。这是因为在数据写入时，依次用来自同一文件的数据填充区块。如果OS确认该文件将被替换或删除，可以标记整个块为无效，也不需要读取它以将垃圾收集到的数据重写入另一个块。它只需要擦除，比随机数据写入所需的“读取-擦除-修改-写入”的垃圾收集过程更易、更快。

随机写入

在完全垃圾回收、安全擦除、100%TRIM、或新安装之后，SSD有大量的空闲区块，随机写入性能达到峰值。最大速度将取决于连接到SSD控制器的并行闪存通道数、固件效率及闪存写入页面的速度。在此阶段，写入放大之于随机写入达到最佳，接近1。一旦区块都写入了一次，垃圾收集过程将启动，性能将会被此过程的速度和效率所限制。此阶段的写入放大将增至驱动器经历过的最高水平。

对性能的影响

SSD的总体性能取决于许多因素，其中包括写入放大。向闪存设备写入比从它读取所需的时间更长。SSD通常并联使用多个闪存组件，以提高性能。如果SSD的写入放大高，控制器将不得不多次向闪存写入。主控将需要更多的时间写入数据。低写入放大的SSD不需要写那么多的数据，因此能比高写入放大的驱动器更早写入完毕。

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