先進格式化

先進格式化（Advanced Format，AF），又稱高級格式化、高階格式化或進階格式化，是一種磁碟扇區格式，特點是用於存儲數據的每個扇區大小超過512，520或528位元組，達到4096、4160甚至4224位元組（4KB）。更大的扇區可以集成更強的錯誤檢測與糾正演算法，在更高的數據密度下維持數據的完整性。

## 歷史

長數據扇區的使用最開始是由美國國家存儲產業聯盟（National Storage Industry Consortium，NSIC）在一篇技術論文上提出，論文指出日益增大的數據密度和512位元組大小的硬碟扇區格式存在衝突。在磁介質記錄系統技術、數據密度和容量都沒有革命性進展的情況下，硬碟技術的發展預計會趨於停滯。

作為對這一問題的回應，存儲工業的貿易組織國際磁碟設備和材料協會（International Disk Drive Equipment and Materials Association, IDEMA），於2000年成立了IDEMA長數據委員會，以幫助IDEMA、行業頭部企業和軟體供應商在長數據扇區標準的定義和發展方面合作，包括討論兼容傳統計算組件的方法。2005年8月，希捷給產業夥伴提供了1K物理扇區的測試設備供測試。2010年，官方第一代長數據扇區工業標準完成了，使用每扇區4096位元組的配置。所有硬碟製造商承諾在2011年1月前面向桌面設備和筆記本產品推出帶有先進格式化扇區格式的新硬碟。

"先進格式化"這個名詞的產生是為了解釋這一長期迭代的長數據扇區技術，其徽標是為了方便使用者區分長數據扇區硬碟和傳統的512、520、528扇區硬碟。

## 概述

描述｜512位元組扇區｜4096位元組扇區

數據段間隔、同步位、地址標記｜15位元組

使用者數據｜512位元組｜4096位元組

糾錯碼｜50位元組｜100位元組

總計｜577位元組｜4211位元組

數據使用效率｜88.7%｜97.3%

0｜1｜2｜3｜4｜5｜6｜7｜8｜9｜10｜11｜12｜13｜14｜15

物理扇區1｜物理扇區2

初代先進格式化，4K扇區技術，可以通過把本來應該存在8個512扇區的數據聚合成為1個4096位元組的扇區，來更有效地利用存儲表面介質。傳統的512位元組扇區架構中的關鍵設計元素被保留了，具體而言，包括扇區頭部的認證和同步標記以及扇區尾部的糾錯碼（ECC）區域。在扇區頭和糾錯碼區域中間，是被合併的8個512位元組扇區，這消除了每個塊之間多餘的頭部區域。長數據委員會選擇了4K塊大小作為初代AF標準有很多原因，比如4K和CPU、作業系統使用的頁面大小一致，並且和資料庫系統中的標準事務大小有一定關係。

4K扇區結構帶來的格式化效率收益是使磁碟可用空間有7%到11%的提升。4K扇區為ECC區域從50位元組拓展到100位元組提供了足夠了空間，以適應新的ECC演算法。增強的ECC覆蓋率提升了檢測和糾正所處理數據錯誤的能力，超越了傳統512位元組扇區的50位元組缺陷檢測長度。先進格式化標準也使用了和傳統512位元組扇區相同的數據間隔、同步位和地址標記格式，但是把8個512位元組的扇區合併到一個數據域中了。

在2010年年中，市面上出貨的傳統512位元組扇區磁碟數量是巨大的，很多系統、程序、和訪問硬碟的應用都是面向512位元組扇區的慣例而設計的。與長數據扇區委員會的前期合作給組件和軟體供應商提供了遷移到先進格式化的機會。

例如Windows Vista、Windows 7、Windows Server 2008和Windows Server 2008 R2（裝有特定熱補丁）支持512e格式的硬碟 (但不支持4Kn)，FreeBSD和Linux的現代版本同樣支持。Mac OS X Tiger之後的版本可以使用先進格式化硬碟並且OS X Mountain Lion 10.8.2還支持加密他們。Windows 8和Windows Server 2012同樣支持4Kn先進格式Oracle Solaris 10和11支持4Kn和512e格式的硬碟，對於不是根分區的ZFS文件系統，不過11.1版提供了在512e設備上安裝和啟動系統的支持。

## 分類

在長數據部門委員會開展的先進格式化提案中，還涉及到了與傳統計算解決方案保持向後兼容的方法。為此，創建了幾個先進格式設備的類別。

### 模擬512（512e）

許多電腦軟硬體組件都假定硬碟的物理扇區大小是512位元組。包括晶片組、作業系統、資料庫引擎、硬碟分區和鏡像工具、備份以及文件系統工具、還有一小部分其他軟體。為了兼容傳統計算組件，許多磁碟供應商在記錄媒介上支持先進格式化，同時使用512位元組轉換固件。配置成4096位元組物理扇區並且帶有512位元組固件的硬碟，被稱為先進格式化512e，或者模擬512驅動器。

從4096位元組物理格式到512位元組虛擬格式的轉換對訪問硬碟的實體是透明的。讀和寫命令都會以和傳統設備同樣的格式發送給先進格式化設備。然而，在讀的過程中，先進格式化硬碟加載包含了所需512位元組數據所在的整個4096位元組的扇區到設備記憶體中。在數據被送往主機之前，模擬固件提取並將特定數據重新格式化成512位元組的塊。一般而言，整個過程幾乎不會帶來性能上的損失。

當寫入數據的數據大小不是4K的倍數，或者沒有對齊4K的邊界時，轉換的過程就更加複雜了。在這種情況下，硬碟必須把包含目標數據的整個4096位元組扇區讀到記憶體中，然後把新數據合併到先前存在的數據上，然後再向磁碟介質重寫整個4096位元組扇區。這樣的操作，被稱為read-modify-write (RMW)，可能需要磁碟旋轉額外的次數，從而對系統使用者造成可感知的性能影響。IDEMA所做的的性能分析表明，在商業PC環境下5%到10%的寫請求是不對齊的，這會導致RMW性能損失。

使用者在舊作業系統上使用先進格式化設備時，使用硬碟製造商提供的軟體重新對齊磁碟很重要。對於避免所謂跨分配單元的性能降級問題，即偏移的分區導致文件系統分配單元跨越多個物理磁碟分區，磁碟重新對齊是很有必要的。由於分配單元到扇區的對齊時在創建硬碟分區時決定的，而重對齊軟體是在創建硬碟分區之後使用的。這有助於減少計算生態系統生成的未對齊寫的數量。為了讓應用程式準備向高級格式技術過渡而開展的進一步活動是由"高級格式技術委員會"（即先前的長數據扇區委員會）和硬碟製造商帶頭進行的。

### 原生4K（4K native, 4Kn）

對於使用原生4K模式的硬碟，不存在模擬層，硬碟設備直接向系統固件和作業系統暴露它的4096、4112、4160或是4224位元組大小的物理扇區。通過這種方式，原生4K設備外部可見的邏輯扇區組織會被直接映射到他們內部的物理扇區組織。自2014年4月起，企業級的原生4K硬碟已經上市。

作業系統對4KB邏輯扇區的支持依種類、製造商和版本有所區別。比如，Microsoft Windows自Windows 8和Windows Server 2012（都是在2012年發布）開始支持原生4K，自Linux kernel版本2.6.31和util-linux-ng版本2.17開始Linux支持原生4K (分別在2009年和2010年發布)。

原生4K和模擬512徽標的顏色不同，前者有4個圓角，藍色背景，以及徽標中心的文本"4Kn"。

## 外部連結

- IDEMA: Advanced Format Technology (archived on September 29, 2011)
- Coughlin Associates: Aligning with the Future of Storage (archived on May 5, 2012)
- Western Digital: Advanced Format White Paper (September 2018) and its older version (April 2010)
- Hitachi Global Storage Technologies: Advanced Format Technology Brief
- The Tech Report: Western Digital brings Advanced Format to Caviar Green
- Dell: Support: System Image Support for Advanced Format Hard Drives on Dell Business Client Notebooks and Desktops

## 基本資料

- titlestyle：background:white
- headerstyle：background:#ff6600
- imagestyle：text-align:center
- 頭銜：先進格式化（Advanced Format, AF）
- data11：每個扇區4096 (4 KB)字節。
- 唱片公司：模擬512 (512e)
- data22：存儲介質上物理扇區大小是4K，配置的邏輯扇區是512位元組
- 唱片公司：原生4K (4Kn)
- data24：存儲介質上物理扇區大小是4K，直接報告給主機。
- 唱片公司：支持4K的主機
- data26：傳統512扇區硬碟和512e硬碟都能正常運作的主機
- data41：2010年3月
- data51：IDEMA長數據扇區委員會，成員有戴爾、富士通 (現在的東芝存儲公司)、惠普、昱科環球儲存、IDEMA、LSI公司, 邁拓 (現在的希捷)、微軟, 鳳凰科技, 三星、希捷、威騰電子