SSD 4K 對齊 : Windows 10的效能差異

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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。

Table of Contents
  1. SSD 4K 對齊 重要嗎
  2. 進行 SSD 4K 對齊 實驗的硬體規格
  3. 在做 SSD 4K 對齊 之前，要先調整 BIOS 設定
  4. 兩種開機模式 ( UEFI、Legacy ) 安裝Windows 10 的差異
  5. 用 UEFI 開機模式，安裝 Windows 10 的流程
  6. 用 Legacy 開機模式，安裝 Windows 10 的流程
  7. 三款 SATA SSD 4K對齊後的效能測試
  8. 4K對齊的心得

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

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 】。

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

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。

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

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。

用 UEFI 開機模式，安裝 Windows 10 的流程

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

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

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

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

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

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

用 Legacy 開機模式，安裝 Windows 10 的流程

新增新磁區

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

新增新磁區

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

三款 SATA SSD 4K對齊後的效能測試

KingSton SSD 在 UEFI、Legacy 開機模式下安裝作業系統， 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

4K對齊的心得

不同的開機模式 ( UEFI、Legacy ) ，使用 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。

除了 4K 對齊外，還有其他提升 SSD 效能的方法嗎

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