固態硬碟（SSD）內部空間由韌體管理，為什麼不在韌體處理這步自動對齊扇區，而在分割槽的時候對齊呢？
知乎使用者2019-12-02 01:53:48【4K不對齊這個問題，其實已經不再是問題】
4K不對齊這個問題，現實中有兩個主要原因。
有一種是比較常見也很容易避免的：
有人在格式化時候選擇分配單元小於4K。
這種情況也會被識別為4K不對齊。
不過07年以後的Windows預設值都滿足4KB大小，Win10更新某個版本以後甚至遮蔽了4096以下分配。
不給你犯錯誤的機會。。。
襠燃總有人犯錯誤············這就要自己檢討一下自己的分割槽、安裝系統的手法是不是太過風騷了。
避免這種4K不對齊，對win7和win10而言，
非常簡單：
用映象安裝時分配單元直接預設就行。根本就不需要你手動去選。
既然這個問題已經是想犯錯都難的問題，那麼：探討也就沒什麼意義了。
還有一種才是【真-4K不對齊】
作業系統無法正確識別4K扇區，也不自動對齊正確扇區，導致SSD出現額外讀寫負擔。
【誰有發出讀寫指令的最高權力】
題主認為：SSD明知自己在進行2個4K“扇區”的讀寫，造成額外的讀寫，影響效能還減少壽命，卻還要不得不這麼做。
給SSD加這個功能不就行了嗎？
這就涉及一個問題：
錯不是SSD出的，而是作業系統不能正確做出指令。
比如：你是一個國軍士兵，常凱申讓你把機槍往左挪10米，
哪怕那是個水坑，你也得執行。
因為你沒有指揮權。。。
那麼，對SSD廠來說——命令是你下的，後果也必須是你負責。
我只管執行，罪不在我。
（反正你把硬碟搞壞了，也是你的責任）
開始覺得這個問題似乎又是個小白問題。
但是仔細推敲，發現這個看似簡單的小白問題，卻還有很多細節需要從頭梳理。。。。
以下為太長不看系列。。。
【一】網上常見說法
網上有一個比較公認的說法：
4K對齊_百度百科
通常網上說法是NTFS自用檔案佔用63個512B扇區，正好讓前8個4K硬碟扇區缺一個512B扇區，導致某一個4K硬碟扇區被兩個作業系統分配單元佔用。
讀寫操作時候自然要產生額外讀寫操作，影響效能。
首先明確一個意識：
作業系統OS顯然具有對硬碟的最高指揮權。
而不是硬碟反過來指揮作業系統。
槍指揮人，還是人指揮槍，這是大原則問題。
微軟OS實行指揮權的代理人，是NTFS檔案系統。
NTFS透過LBA地址來指揮硬碟的扇區。
早期硬碟在採用512B物理扇區，每個扇區都有1個LBA地址。
NTFS作為檔案系統，
使用“簇”（檔案叢集）來統帥下面的LBA——預設1個簇4KB，透過8個LBA地址控制著8個512B硬碟扇區。
4K不對齊，其實早就存在，只是一直不是個問題。
從下圖可以看出，哪怕4K不對齊，對512B扇區的硬碟也沒啥影響。
512B扇區，最早從1980年代就確立起來，30多年來一直正常執行，光碟、硬碟、甚至軟盤都在使用這套標準。
但是到了2010年以後，出現了變化：硬碟廠開始普及4K扇區。
產生的後果就是：
如果NTFS的4K簇不對齊硬碟4K扇區，
就會產生跨界錯位。
而這1個簇一旦出現讀寫操作，就會牽動2個4K扇區工作——造成額外的讀寫量，既增加了硬碟負擔，也造成使用者體驗下降。
於是題主指出：SSD明知自己在兩個4K扇區上折騰，為何不糾正OS帶來的錯誤呢？
可是我們很清楚——
【1】SSD沒有最高指揮權。
哪怕作業系統給你的這個命令是錯誤的，SSD也無權自主修正，而且必須堅決執行。
【2】修正這個問題的成本太大
給每一個SSD增加修正4K不對齊功能，涉及太多韌體修改和引數識別，幾乎是全行業的整改。
顯然不如讓巨硬給自己打個補丁。
實際上淘汰512B扇區的決定，早在2000年就進行了。
但是直到2007年，三星和東芝才初步實現了4K物理扇區。
2010年，國際磁碟驅動器裝置與材料協會IDEMA 才正式確立了4K扇區的統一地位。
這就導致老系統不能正確識別4K不對齊問題。
希捷統計了WindowsXP至Windows10對4K扇區和分割槽的對應情況。
https：//www。seagate。com/cn/zh/tech-insights/advanced-format-4k-sector-hard-drives-master-ti/
明確指出：XP和Vista（SP1之前）都無法識別4K扇區，也不能建立正確分割槽（也就是不能4K對齊）。
從VistaSP1之後，所有Windows系統都能預設進行4K對齊。
【二】希捷對4K不對齊的解讀
首先希捷沒有提出是NTFS佔63扇區導致的問題，
而是指出每個分割槽之間，都有一定間隙區域。
進入4K硬碟時代，導致每個分割槽的起始點，都要對齊正確的LBA。
意味著：
哪怕第1分割槽的起始位置正確（4K對齊），
如果第2分割槽起始位置不正確，那麼第二分割槽也可能會不對齊。。。
一個4K扇區對應八個LBA，
只能與第一LBA對齊，才算正確4K對齊。
因此，希捷指出：
LBA起始點，可能出現在1個4K物理扇區所對應的8個LBA任意位置。
那麼就意味著有7種不對齊的可能，並不一定是NTFS自帶檔案佔用導致的問題。
任何不正確指派起始點的分割槽操作，
都會導致4K不對齊。
那麼，我們讓4K硬碟模擬512B扇區，不就可以重新回到當年不對齊也能用的時代嗎？
但是，
4K扇區硬碟確實可以模擬512B扇區，但是代價太大。
硬碟必須首先讀取包含主機寫入請求目標位置的整個 4K 扇區，將現有資料與新資料合併，然後重新寫入整個 4K 扇區。
硬碟必須執行額外的機械步驟：讀取 4K 扇區、修改其內容，然後寫入資料。此過程稱為“讀取-修改-寫入”（read-modify-write）迴圈。
這種先讀舊資料，再新舊資料整合，最後再寫入的過程，
對機械硬碟來說，問題不算特別嚴重——因為機械盤是磁性記憶原理，
機械盤可以直接覆蓋寫入。
效能損失不大，壽命損失輕微。
但是對SSD來說卻是滅頂之災：
SSD要先進行擦除，再進行寫入
——而且SSD並不只擦一個“扇區”page，而是一次擦除整個Bloack（1個Block往往有512個page“4K扇區”······）
SSD需要先擦掉整個Block，大約2MB大小。
擦之前先讀取整個Block到整合區，或挪到SSD其他儲存區，
再寫入這幾個512B檔案。。。
這麼大折騰，
顯然對SSD的壽命和效能都會造成嚴重傷害。
其實，
4K不對齊，只是嚴重影響SSD效能很多因素裡的一個因素。
還有一個就是SATA選擇IDE模式
襠燃，如果遇到IDE+4K不對齊，雙重debuff下，SATA SSD的速度會極其慘烈。。。
不過要注意：
並不是所有的SSD都對4K不對齊特別敏感——比如有人測試的某些NVMe固態，故意把分配單元選小，
哪怕出現這一種4K不對齊，對它們的效能損失非常小。。。。
因為，4K不對齊會對SSD效能造成損失，可是並不一定全都造成嚴重損失。
自動對齊
前面提到Vista SP1以後的系統也可以進行自動4K對齊。
很多時候反而是人為選擇了小於4K的分配單元，導致出現不對齊問題。
襠燃隨著win10最新版的到來，這些問題都是浮雲了——
win10最新版，已經徹底遮蔽了4096以下分配單元。
你只要老老實實裝系統，自己別瞎操作，基本上不會遇到第二類4K不對齊問題。
之後是閒扯階段············
【SSD的動態儲存】
我們暫且把SSD真實物理儲存空間，叫做：物理層
把作業系統識別出來的儲存空間，叫做：邏輯層
SSD的邏輯層地址與物理層地址總是變動對應的。
就像由一群沙丁魚組成的“魚陣”——前排的魚可以慢慢落到後排，而後排的魚也可以挪到前排，甚至可以瞬間前排變後排，後排變前排。
但是沙丁魚群再怎麼變化，最小變動級別也是變動一條魚，而不是一片魚鱗。
SSD的最小儲存讀寫單元，是4KB的Page，而不是1bit的NAND單元。
【作業系統眼中的世界】
SSD底層單元雖然如同小學生放假，幹啥的都有·········
但到了作業系統那裡，這些小學生都被編好順序排好隊，每個單元都有自己的編號。
這就是FTL的功勞——
機械硬碟MHD由於磁軌轉動，他的物理層，先天就可以按1、2、3······順序排好了順序。
而SSD物理層是不連續的，就需要有一個轉換層，讓不規則的物理層能在邏輯層上表現成連續的。
這樣一來，在作業系統層面進行的分配，一旦出現4K不對齊，也一樣對導致跟MHD同樣的4K不對齊問題。
因為4K不對齊的根本原因，是邏輯層的分配單元佔了倆物理層單元。
機械硬碟物理層本就是按順序排列，所以不需要亂序整理
SSD內部對應並不是嚴格順序，1號簇可能實際對應1號，也可能是999號，因此需要FTL從新整理出一個虛擬順序，方便作業系統使用
假如2號邏輯層簇不對齊，就會導致3號邏輯簇對應的物理簇成了兩個，從而產生4K不對齊
所以，從上面三圖我們可以看到，哪怕SSD內部空間Page是靈活不規整的，但是FTL總會報告給作業系統一個規整的順序。
而作業系統分配時出現問題，就會連帶SSD也出現4K不對齊。
所以，SSD沒有指揮權，也不能有指揮權——不然這個SSD就成精了。
SSD只能忠誠地執行NTFS交給他的任務——讓它把機槍往左挪動10米，就只能照辦。
哪怕你的OS作業系統是個運輸大隊長，
你也只能當個杜長官，忠誠執行命令。
有人說：這是分割槽軟體的鍋，不怪作業系統。
但是不得不承認：
無論是DiskGenius還是巨硬系統自帶的分割槽程式，
只要你做Windows系統，最後都遵守NTFS分割槽法則。
而舊系統NTFS問題導致的4K不對齊，也必然跟著你。。。。
所以，只怪分割槽程式不怪作業系統，最後成了
降漢不降曹
············
然而曹老闆看得開：我就是漢相，降漢就是降曹·············
【512B】
在BIOS裡，SSD顯示的扇區為512B而不是4K。
實際上，這裡扇區的概念已經成了【儲存空間的分割單位】，並不是機械盤芯上的一個扇形區域。。。
這裡的512B，其實是為了最大相容性，硬碟模擬出來的——嗯，4K扇區的機械盤也都能實現。
但是真正遇到512B系統分配單元時，為了實現512B扇區功能，機械盤要犧牲效能：
為了讓8個模擬512B扇區能正常工作，4K扇區就要反覆進行“讀取-修改-寫入”（read-modify-write）迴圈。
同樣，對SSD而言：如果系統是512B簇，那麼4K Page也要面對多次R-M-W迴圈，同樣也會影響使用效能。表現也是4K不對齊·········
所以，
無論是機械盤還是SSD，只要是4K扇區盤，最好都要做好4K對齊。
【TRIM監獄】
SSD就像一個監獄，在韌體監規下，SSD主控管理著很多個NAND牢房。
在這裡，有用的資料和沒用的資料都被當做犯人關押著。。。
每個牢房能住4K個犯人，每層大約128個牢房。
沒用的資料，比如剛剛被我們刪除的檔案。就像被判死刑但是還沒執行的死刑犯。
雖然它已經“死了”，但是它依然活著。
為何沒有立即執行？
原來：NAND牢房有個特點，犯人不會自己清理房間。
每次大掃除，牢頭主控都會把犯人趕到新的乾淨樓層裡。
襠燃牢頭不是你家保姆，
它老人家大掃除的方法簡單粗暴：放一把火，直接燒“乾淨”整個舊的髒樓層。
因此，一般的牢房也就能經受幾千次牢頭清掃···········也有秦X級高檔牢房能承受幾萬次衝擊。
為了槍斃一個死刑犯，善後工作就要燒128間房一次··········執法成本太高。
因此，如果只有一個兩個死刑犯，獄卒主控會把它們跟活刑犯一起趕到新樓層。
但是慢慢的，這種應死未死的死刑犯太多了，佔著房間不拉屎，減少了可供住宿的牢房數量，嚴重影響新犯人進監獄的速度了。
可是主控並不一定能及時地把這些人摘出來··········
最後作業系統法院釋出【TRIM指令】：
所有沒被執行的死刑犯，不會再送乾淨牢房了，直接跟著舊樓層的垃圾一起就地焚燒清理，
死刑-善後-清理一條龍服務。
主控隨即貫徹這個加急名單。
而巨硬系統一般規定：一週執行一次。
木頭龍2019-12-02 12:29:43理論上的確是可以的，但沒有固態這麼做，是因為作業系統、應用軟體已經自動對齊了。
稍微新一點的作業系統、分割槽軟體都是自動4K對齊的，你非要用一個老舊的XP、Ghost之類的軟體，主控表示它也沒辦法——雖然固態明明是4K大小的頁，卻非要向BIOS報告自己的扇區大小是512B就是為了以防你用古董主機板或者這些古董作業系統/軟體不能處理大於512B的扇區。
主控的演算法已經很複雜了，什麼TRIM，磨損平衡，定期GC，TLC流行後還要搞SLC Cache——TLC剛普及的時候就時不時爆出某某固態掉盤——往往就是因為演算法過於複雜出現了BUG，再搞這麼一個自動對齊，複雜度是指數增長的，估計掉盤的就更多了……
木村·星辰2019-12-06 20:16:03因為韌體管理的最小單位是4K，對於第一個塊寫3K，第二個塊寫1K這種情況是沒辦法處理的，沒辦法把寫入的位置平移小於4K的距離，也沒辦法合併3K和1K。韌體能做的只是一個4K打包起來整個處理。
需要4K對齊的根本原因是NTFS的最小操作單位是512B，並且NTFS開頭需要63個512B，導致起始位置就不對齊。
沈萬馬2022-04-28 01:04:40根本原因是不對齊可以有很多方法，控制器不知道該怎麼彌合各種方法同時存在時產生的那些“碎片”。
我們可以讓控制器認識一些常見分割槽操作模式，這個其實很難，但可以做到。其實很多廠家不做實際上是卡在這裡，但我們就硬說它是個成本很高的技術但能做出來吧。接下來就是到底應該怎麼處理分割槽間碎片。
比如前一個分割槽偏移了512，後一個偏移了1024，那這多出來的512的碎片物理上放在哪裡好？放一個塊的話，這個塊只用了512是不是有點浪費。就算把好幾個碎片用特殊邏輯堆在一個塊裡，它也就是個1KB級別的塊，又需要控制器特殊邏輯處理，總是有些高成本低效用的意思。
又不可能武斷地說這些“碎片”不能用，因為確實有不常見但使用這些空間的軟體。至少，對一些應用邏輯來說，分割槽只是硬碟上的資料，那麼碎片不碎片的對它們來說無所謂。
然後如果使用者刪分割槽重建了之後換了一種方式偏移怎麼辦？怎麼合併碎片？
有聰明的小朋友肯定想到那我們設定一組專門的API，讓驅動能和SSD商量怎麼辦不就好了？聰明，所以已經有人做了。而且，都已經需要驅動了…這個對齊問題是不是比裝驅動還是容易一點的？
總之就是太麻煩而且不可能做到效果好，所以沒人做。更何況這個問題已經是歷史問題了。
泥偶2022-04-28 01:26:24可以。只要 SSD 韌體禁用 512e （512-byte Emulation） 模式，就不會再有 4K 對不齊這件事了。代價就是不再向後相容。