问答篇 | SATA SSD 读写带宽为嘛是550MB/s ？

今天来学习下企业级SATA SSD 随机读IOPS  和顺序读写带宽两个关键性能指标间的关系，及是如何计算和相互关联的。

先回顾下几个相关概念

1. IOPS (Input/Output Operations Per Second)： 每秒输入/输出操作次数。衡量的是存储设备处理离散 I/O 请求（尤其是小数据块）的速度。4K 随机读 IOPS 特指每秒能完成多少个 4KB 大小的数据块、在随机位置（非连续）进行读取操作的次数。这是衡量数据库、虚拟化、操作系统启动等小文件、随机访问负载的关键指标。

2. 带宽 (Bandwidth / Throughput)： 数据传输速率。衡量存储设备在单位时间内能够传输多少数据量，通常以 MB/s 或 GB/s 表示。顺序读写带宽 特指在读取或写入连续存储的大文件时所能达到的最大稳定速率。这是衡量大文件传输（如视频编辑、备份、科学计算）等连续、大数据块负载的关键指标。

3. SATA 3 接口瓶颈： SATA Revision 3.0 (6 Gbps) 的理论最大接口带宽是 6 Gbps (Gigabits per second)。换算成字节：

6 Gbps = 6,000,000,000 bits per second

6,000,000,000 bits / 8 bits per byte = 750,000,000 bytes per second

750,000,000 bytes / 1,048,576 bytes per MB ≈ 715 MB/s

然而，由于8b/10b 编码（每 10 位传输 8 位有效数据）的开销和协议开销，实际可用的最大有效带宽通常被业界公认为大约 550-600 MB/s。这就是为什么企业级 SATA SSD 的顺序读写带宽上限通常标称在 550 MB/s 左右。

以上回到了SATA3的最高带宽为何“只有” 550 MB/s。

再问：

1.企业级SATA SSD 中 4K 随机读 IOPS (20,000 - 50,000) 能到多少带宽？

2.如何才能打满SATA3的550 MB/s？

这两个指标看起来似乎独立，但实际上在理论上是可以相互换算的，只是它们分别代表了不同类型的负载，并且在实际中受不同因素的限制。

1. 理论换算关系：

对于4K 随机读操作：理论最大带宽(MB/s) = IOPS * I/O 大小 (KB) / 1024 (KB/MB)

代入提供的IOPS 范围：

20,000 IOPS: 20,000 * 4 / 1024 ≈ 78.125 MB/s

50,000 IOPS: 50,000 * 4 / 1024 ≈ 195.3125 MB/s

上述算法说明，即使达到最高的50,000 IOPS，其对应的理论带宽需求也仅约为195 MB/s，远低于SATA 3 接口的瓶颈550 MB/s。

2. 关键关联点：瓶颈不同

4K 随机读IOPS 的瓶颈在于SSD 内部：

1)NAND 闪存访问延迟： 随机读取需要控制器频繁地在不同的物理 NAND 单元（可能位于不同的 Die, Plane, Block）之间跳转。查找地址、等待数据从 NAND 单元传输到缓存（Cell to Page Buffer）这个过程本身就有物理延迟（微秒级别）。

2)控制器处理能力：处理海量的小型、随机I/O 请求需要强大的控制器 CPU 和高效的固件算法（FTL, 队列管理, 错误处理）。每个 I/O 请求都需要控制器处理命令、寻址、纠错等，这会产生 CPU 开销。

3)内部并行度：SSD 内部由多个 NAND 通道、多个 Die 组成。控制器需要智能地将随机 I/O 请求分发到不同的通道和 Die 上并行处理。企业级 SSD 通常有更高的通道数和更优的并行架构来提升随机 IOPS。

4)DRAM 缓存（如果有）： 缓存可以加速元数据（FTL 映射表）的访问，减少寻址延迟。

5)接口延迟：虽然SATA 接口的绝对带宽不是瓶颈，但 SATA 协议的命令处理、队列深度（NCQ）等也会引入一些微小的延迟，对小 I/O 的 IOPS 也有影响。

顺序读写带宽的瓶颈在于SATA 接口(理论最大接口带宽是6 Gbps，注意此为物理限制)

1)SSD 内部的NAND 阵列通常能够提供远超SATA 接口带宽的吞吐能力（现代NAND 堆叠技术带宽很高）。因此，性能瓶颈就转移到了连接 SSD 和主机的 SATA 3 接口本身。即使 SSD 内部能跑得更快（比如 700+ MB/s），它也无法突破 SATA 线缆和接口协议设定的 ~550 MB/s 的天花板。

2)当进行大块连续数据的读写时，SSD 控制器可以高效地组织数据流，最大限度地利用 NAND 通道的并行带宽。数据以较大的块（如 128KB）在 NAND 内部传输，分摊了寻址和命令开销。计算验证：要达到 550 MB/s （物理限制）的顺序读写带宽，需要的IOPS 取决于 I/O 块大小。假设使用较大的块（如128KB）：所需 

3)IOPS = 带宽 (MB/s) * 1024 (KB/MB) / I/O 大小 (KB) = 550 * 1024 / 128 ≈ 4,400 IOPS

4)这个IOPS 值（4,400）远低于 SSD 能达到的随机 4K IOPS（20k-50k），说明在顺序大块读写时，SSD 内部处理起来非常轻松，瓶颈完全在接口。

注意：

1.  换算揭示瓶颈： 通过带宽 = IOPS * I/O 大小 的简单换算可以清晰地看出：

1)在4K 随机读负载下，即使达到 50k IOPS，所需的带宽 (195 MB/s) 也远低于SATA 3 的瓶颈 (550 MB/s)，证明瓶颈不在接口带宽，而在 SSD 内部处理小 I/O 的效率。

2)在顺序读写负载下，要达到接口极限带宽(550 MB/s)，只需要相对很低的 IOPS (如 4,400 IOPS @128KB)，这远低于 SSD 能提供的随机 IOPS 能力，证明瓶颈在接口，SSD 内部处理大块 I/O 很高效。

2.  企业级 SSD 的价值： 在 SATA 接口的限制下，企业级 SSD 相较于消费级 SSD 的优势主要体现在：

1)更高的随机IOPS： 通过更强大的内部设计（控制器、并行度、缓存、固件优化）达到 20k-50k 的 4K 随机读 IOPS，显著提升随机访问密集型应用的性能。

2)更高稳定性和耐用性：企业级环境要求24/7 运行、更高负载、更长寿命（DWPD/TBW），SSD 的固件、纠错、磨损均衡等机制更健壮。

3)更好的QoS (服务质量)： 在高负载和混合读写情况下，性能下降更平缓，延迟更稳定可预测。

4)功耗管理优化：更适合数据中心环境。

5)顺序带宽：企业级和消费级SATA SSD 在顺序读写带宽上都会达到或接近 SATA 3 的接口瓶颈 (~550 MB/s)，所以在这项指标上差异不大（高端消费级也能达到）。

结论：

1.企业级SATA SSD 的 4K 随机读 IOPS (20k-50k) 反映了其在处理海量小文件随机访问时的内部处理能力（受限于SSD 内部），

2.其顺序读写带宽(~550 MB/s) 则反映了 SATA 3 接口本身的物理传输速率限制。

题外延伸下：

鉴于linux操作系统的文件系统(ext2/ext3/ext4/XFS)的数据块（Block Size）大小默认为4KB(最大可调整到64KB),鉴于企业级 SATA SSD的IOPS约 20,000 ~ 50,000，换算带宽为78MB/s至195M/s（见如下红色字体）。

对于4K 随机读操作：理论最大带宽(MB/s) = IOPS * I/O 大小 (KB) / 1024 (KB/MB)

代入提供的IOPS 范围：

20,000 IOPS: 20,000 * 4 / 1024 ≈ 78.125 MB/s

50,000 IOPS: 50,000 * 4 / 1024 ≈ 195.3125 MB/s

调整块大小的方法

1. 格式化时指定 

    ext4：mkfs.ext4 -b 16384 /dev/sdX（设为 16KB）  

    XFS：mkfs.xfs -b size=64k /dev/sdX

2. 调整现有文件系统（部分支持） 

    ext 系列：使用 tune2fs -O block_size /dev/sdX（需卸载分区）  

    XFS：无法直接修改块大小，需重新格式化。

随着NVMe SSD出现和日渐成熟，其（PCIe 3.0/4.0）版的IOPS为200,000 ~ 1,000,000，NVMe SSD（PCIe 3.0 x4）和NVMe SSD（PCIe 4.0 x4实际带宽能达到约为3500MB/s ~ 7000MB/s。

可显著提升诸如数据库、大文件等应用场景的吞吐性能，这也是企业关注和开始采购NVMe SSD存储的原因。

文章至此。