SSD 4K 對齊 : Windows 10的效能差異

SSD 4K 對齊 重要嗎

SSD 4K 對齊 關鍵其實不在於分割磁碟，而在於格式化。廠商標識的理論速度，一般消費者不容易測試出相同的效能。剛好手上有幾顆 SATA SSD，就拿來隨便玩看看。因為不追求跑分高低，所以也只拿了家裡的普通電腦來測試，這應該是最接近真實使用狀況吧~

簡單來說，傳統機械硬碟 ( Hard Disk Drive ， HDD ) 的讀寫操作都是以磁區作為單位，而每個扇區（sector）的大小是 512 位元組 ( Byte )。但是，固態硬碟 ( Solid-State Drive 或 Solid-State Disk ， SSD ) 採用快閃記憶體 ( NAND Flash ) 作為儲存單元，最小儲存單位（稱為 page）為 4K Byte。

所以，當我們要讀或寫一份大小為 4KB 的資料時，沒有 4K 對齊的 SSD 需要進行兩次的磁區資料調取操作；然而進行 4K 對齊後的 SSD ，就能將資料與 SSD 快閃記憶體 ( NAND Flash ) 的最小存儲單元對應，在一次讀寫操作中就能完成資料的讀或寫了。

儲存裝置 ( SSD ) 為了提高容錯能力和讀寫速度，將原來的每個扇區 512 Byte 改為每個扇區 4096 Byte，也就是現在常說的【 4K 對齊 】。符合【 4K 扇區 】定義格式化過的硬碟，並且按照 4K 的規則寫入數據，理論上可以提升讀寫效能。

1、進行 SSD 4K 對齊 實驗的硬體規格

  • 主機板:
    • GA-H110M-DS2 DDR3
  • CPU:
    • Intel Pentium G4400
  • 固態硬碟 ( Solid-State Drive, SSD ):
    • Micron Crucial BX500
    • SanDisk SDSSDXPS
    • KingSton SUV400S37
  • 作業系統 ( Operating System):
    • Windows 10 Professional 64-bit
02_ SSD 4K 對齊 WIN10的效能差異 System info summary
進行實驗的硬體規格

1、在做 SSD 4K 對齊 之前，要先調整 BIOS 設定

在SSD 4K 對齊之前，要先進入 BIOS 完成以下設定。另外，安裝 Windows 10 作業系統，不需要啟動 CSM ( 全名 Compatibility Support Module 是【兼容性支持模塊】 )。關閉 CSM 的話，開機就會變成純 UEFI 啟動，且完全支持安全啟動（ Secure Boot ）。

早期因為 Windows 7 不完全支持 UEFI ，假使想安裝 Windows 7 系統的話，就是要更改 BIOS 設定，不能使用【 純 UEFI 】開機，而且必須要禁用【 Secure Boot 】。

1-1、將 Windows 10 安裝在 SSD 的 BIOS 設定

  • 1、選擇 AHCI 模式
    • BIOS 的【 SATA 設定 】啟用【 AHCI 模式 】
  • 2、將 SSD 插在任一 SATA 3 ( 6GB/s ) 的連接插槽上面
  • 3、系統開機後，根據需求選擇開機模式
    • 選擇【 Legacy 】，參考 section 4
    • 選擇【 UEFI】，參考 section 3
03_ SSD 4K 對齊 WIN10的效能差異 BIOS AHCI
啟用【 AHCI 模式 】
關閉 CSM ，開機時不要選 UEFI 開機

2、兩種開機模式 ( UEFI、Legacy ) 安裝Windows 10 的差異

在安裝 Microsoft Windows 10 之前，先到 Microsoft 網站下載最新 Windows 10 安裝檔到 USB 隨身碟，然後用 USB 隨身碟開機進行安裝，詳細圖文說明可以參考: win10重灌-下載微軟Win10 ISO到USB隨身碟 。

因為 SSD 相對於一般傳統硬碟來說，速度是最大的特色與誘因。所以，在完成Windows 10 安裝後，可以用 AS SSD Benchmark 軟體 ( https://www.alex-is.de/PHP/fusion/downloads.php?cat_id=4&download_id=9 ) 來檢查 SSD 是否有成功完成 4K 對齊。這其實是一套 SSD 專用的測速軟體，它會顯示與 SSD 有關的系統資訊，不僅是免費還附加實用的功能。

2-1、UEFI 開機模式

05_ SSD 4K 對齊 WIN10的效能差異 CSM disable 4K alignment check UEFI boot
UEFI 開機模式安裝 Windows 10 的結果

2-2、Legacy 開機模式

06_ SSD 4K 對齊 WIN10的效能差異 CSM enable 4K alignment check legacy boot
Legacy 開機模式安裝Windows 10 的結果

圖中左上角綠色文字代表【 AHCI 模式 】及【 4K 對齊 】的支援結果。不論是 630784K 或 1024K，都代表是SSD 4K 對齊。( 如果出現紅字寫 BAD ，就表示沒對齊 )

【 註 1 】：未對齊時，在軟體左上方會有紅色的【 BAD 】字樣，4K 讀寫數據也很差。有對齊的 SSD 則會在左上角顯示【 OK 】，測試數據也快上許多。

【 註 2 】：AS SSD Benchmark 可以提供的測試項目包含連續讀寫、4K、4K-64-Thrd..測試等方式，透過 1GB 的超大檔案來測試 SSD 的讀寫效能與速度，另外還有壓縮測試、大量複製測試..等等。不過，我只是好奇手上不同時期買的 SATA SSD ，在讀寫方面的差異有多大而已，就使用預設測試項目來測試看看。

3、用 UEFI 開機模式，安裝 Windows 10 的流程

3-1、新增新磁區

因為只有裝一顆 SSD 在系統中，所以只看到【 Drive 0 Unallocated Space, 223.6GB 】是正常的。用滑鼠點一下【 Drive 0 Unallocated Space 】，然後按【 New 】。

07_ SSD 4K 對齊 UEFI install win10 (1)
新增新磁區

3-2、調整磁區容量大小

【 Size 】預設值是最大容量，因為不打算分割其他的磁碟區，所以就使用預設值，然後按【 Apply 】。

08_ SSD 4K 對齊 UEFI install win10 (2)
調整磁區容量大小

3-3、選擇安裝作業系統的磁區

【 Drive 0 Partition 1 】 ~ 【 Drive 0 Partition 3 】屬於系統磁區，所以應該用滑鼠點一下【 Drive 0 Partition 4 】，然後按【 Next 】才能安裝作業系統。

09_ SSD 4K 對齊 UEFI install win10 (4)
選擇安裝作業系統的磁區

3-4、執行格式化，才能完成 SSD 4K 對齊

用滑鼠點一下【 Drive 0 Partition 4 】，然後按【 Format 】。

10_ SSD 4K 對齊 UEFI install win10 (5)
執行格式化，才能完成 4K對齊

3-5、準備安裝作業系統

最後一步，按【 Next 】。

11_ SSD 4K 對齊 UEFI install win10 (7)
準備安裝作業系統

3-6、開始安裝作業系統

看到這個畫面，表示正在將 USB 隨身碟的 Windows 10 安裝檔案，複製到 SSD 進行後續的系統安裝。剩下的過程，就是 Windows 10 系統安裝的設定，詳細圖文可以參考: 重灌 Acer E5-475G Win10 作業系統的步驟

12_ SSD 4K 對齊 UEFI install win10 (8)
開始安裝作業系統

4、用 Legacy 開機模式，安裝 Windows 10 的流程

4-1、新增新磁區

用滑鼠點一下【 Drive 0 Unallocated Space 】，然後按【 New 】。

新增新磁區

4-2、調整磁區容量大小

【 Size 】預設值是最大容量，因為不打算分割其他的磁碟區，所以就使用預設值，然後按【 Apply 】。

14_ SSD 4K 對齊 Legacy install win10
調整磁區容量大小

4-3、準備將兩個磁區合併成一個

【 Drive 0 Partition 1: System Reserved 】屬於系統磁區，【 Drive 0 Partition 2 】才是安裝作業系統的磁區。但是我們要把兩個磁區合併成一個，所以需要完成以下動作。

15_ SSD 4K 對齊 Legacy install win10
準備將兩個磁區合併成一個

4-4、刪除系統保留磁區

點選【 Drive 0 Partition 1: System Reserved 】，然後按【 Delete 】。

16_ Legacy boot mode install win10
刪除系統保留磁區

4-5、再新增新磁區

接著滑鼠點一下【 Drive 0 Unallocated Space 】，然後按【 New 】。

17_ Legacy boot mode install win10
再新增新磁區

4-6、調整新磁區容量大小

【 Size 】使用預設值就可以了，然後按【 Apply 】。

18_ Legacy boot mode install win10
調整新磁區容量大小

4-7、把原本磁區 2 刪除

滑鼠點【 Drive 0 Partition 2 】，然後按【 Delete 】。

19_ Legacy boot mode install win10
把原本磁區 2 刪除

4-8、延伸磁區

滑鼠移動到【 Drive 0 Partition 1 】，點一下，然後按【 Extend 】。

20_ Legacy boot mode install win10
延伸磁區

4-9、決定延伸磁區容量大小

【 Size 】使用預設值就可以了，然後按【 Apply 】。

21_ Legacy boot mode install win10
決定延伸磁區容量大小

4-10、執行格式化，才能完成 SSD 4K 對齊

接著按【 Format 】。

22_ Legacy boot mode install win10
執行格式化，才能完成4K對齊

4-11、準備安裝作業系統

然後按【 Next 】。

23_ Legacy boot mode install win10
準備安裝作業系統

4-12、開始安裝作業系統

看到這個畫面，表示正在將 USB 隨身碟的 Windows 10 安裝檔案，複製到 SSD 進行後續的系統安裝。利用這種方式格式化，接著灌系統，就會是 4K 對齊 了( 肯定是 1024K )，而且也不會再有 500 MB 系統磁區，這種意義不大的磁區存在了。剩下的過程，就是 Windows 10 系統安裝的設定。

24_ Legacy boot mode install win10

5、三款 SATA SSD 4K 對齊 後的效能測試

5-1、KingSton SSD 在 UEFI、Legacy 開機模式下安裝作業系統， SSD 4K 對齊 的效能差異

使用 KingSton SUV400S37 做的測試，我想一般使用者不會花太多時間去把數據做得很漂亮。所以，安裝好 Windows 10 之後，就用 CrystalDiskMark、AS SSD Benchmark 兩套軟體，隨意測。

感覺上差異好像不是很大，除非真的很在意對齊的數字是不是顯示【 1024K 】。不然的話，用 UEFI 來進行重灌好像比較省時時又省事!不過，我還是偏向顯示【1024K】的對齊方式，因為看起來真的比較順眼。所以，我個人都會用【 4、用 Legacy 開機模式，安裝 Windows 10 的流程 】的方式來安裝作業系統。

UEFI 開機模式安裝 Win10

25_ Kingston SUV400S37240G CSM disable UEFI mode CrystalDiskMark performance
KingSton SUV400S37

Legacy 開機模式安裝 Win10

26_ Kingston SUV400S37240G CSM enable CrystalDiskMark performance
KingSton SUV400S37
CrystalDiskMark 測試項目說明：

 主要功能就是透過【 連續讀寫 】和【 隨機讀寫 】等方式，來測試硬碟 ( SSD 、 HDD ) 在實際讀寫檔案時的實際速度。

  • All：測試所有項目
  • Seq Q32T1：針對 NCQ、AHCI 模式做循序讀取、寫入測試 ( 1024K 位元組，佇列深度為 32，1 線程)
  • 4KiB Q8T8：針對 NCQ、AHCI 模式做隨機讀取、寫入測試 ( 4K 位元組，佇列深度為 8，8 線程)
  • 4KiB Q32T1：針對 NCQ、AHCI 模式做隨機讀取、寫入測試 ( 4K 位元組，佇列深度為 32，1 線程)
  • 4KiB Q1T1：針對 NCQ、AHCI 模式做隨機讀取、寫入測試 ( 4K 位元組，佇列深度為 1，1 線程)
  • 【註1】：Q32 指的是 queue_depth 32。意思是把命令放在等候序列 ( 或佇列 ) 中再傳送給磁碟，可以提高 I/O 傳輸資料的性能。根據 SATA（AHCI 協議）定義，SATA SSD 可以處理的最大 queue_depth 是 32
  • 【註2】：T8 指的是 8 個線程（8 CPU核心）。基本上，以我的案例，4KiB Q8T8 的測試項目根本就可以略過，因為我的CPU不是 8 核心；再來Q8T8 = 64，已經超過 SATA SSD 可以處理最大 32 的 queue_depth 了

UEFI 開機模式安裝 Win10

28_ Kingston SUV400S37240G CSM disable UEFI mode as ssd performance
KingSton SUV400S37: Throughput

Legacy 開機模式安裝 Win10

30_ Kingston SUV400S37240G CSM enable Legacy mode as ssd performance
KingSton SUV400S37: Throughput

UEFI 開機模式安裝 Win10

27_ Kingston SUV400S37240G CSM disable UEFI mode as ssd IOPS
KingSton SUV400S37: IOPS

Legacy 開機模式安裝 Win10

29_ Kingston SUV400S37240G CSM enable Legacy mode as ssd IOPS
KingSton SUV400S37: IOPS
AS SSD Benchmark測試項目說明：
  • Seq：持續測試
  • 4K：隨機單佇列測試
  • 4K-64Thrd：隨機 64 佇列深度測試
  • Acc.time：資料存取時間測試

6、 SSD 4K 對齊 的心得

6-1、不同的開機模式 ( UEFI、Legacy ) ，使用 SSD 4K 對齊 安裝作業系統，對效能有影響嗎

從 Section 5-1 的數據當中，看起來在安裝作業系統時，不論是 UEFI mode 或 Legacy mode，好像在 Windows 10 底下的效能是差不多的。

6-2、除了 SSD 4K 對齊 外，還有其他提升 SSD 效能的方法嗎

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