Почему у большинства жестких дисков доступно чуть больше места, чем заявленная емкость?

Сначала взгляните на этот 300 ГБ SAS диск:

=== НАЧАЛО ИНФОРМАЦИОННОГО РАЗДЕЛА ===
Производитель:        SEAGATE
Продукт:              ST300MM0006
Версия:               LS0A
Соответствие:         SPC-4
Пользовательская емкость: 300,000,000,000 байт [300 ГБ]
Логический размер блока:  512 байт
Логический блок полностью выделен
Скорость вращения:    10000 об/мин
Форм-фактор:          2.5 дюйма
Логический идентификатор устройства: 0xxxxxxxxxxxxxxxxx
Серийный номер:       xxxxxxxx
Тип устройства:       диск
Протокол передачи:    SAS (SPL-3)
Местное время:        Сб Мар  8 02:17:29 2025 UTC
Поддержка SMART:      Доступна - устройство имеет возможность SMART.
Поддержка SMART:      Включена
Температурное предупреждение:  Отключено или не поддерживается

Этот жесткий диск имеет ровно 300 ГБ доступных пользователю, ни одного байта больше или меньше. Но каждый больший жесткий диск, который я использовал до сих пор, имеет немного больше свободного места.
Например, аналогичная модель SAS диска показывает:

=== НАЧАЛО ИНФОРМАЦИОННОГО РАЗДЕЛА ===
Производитель:        SEAGATE
Продукт:              ST600MM0006
Версия:               LS0A
Соответствие:         SPC-4
Пользовательская емкость: 600,127,266,816 байт [600 ГБ]
Логический размер блока:  512 байт
Логический блок полностью выделен
Скорость вращения:    10000 об/мин
Форм-фактор:          2.5 дюйма
Логический идентификатор устройства: 0xxxxxxxxxxxxxxxxx
Серийный номер:       xxxxxxxx
Тип устройства:       диск
Протокол передачи:    SAS (SPL-3)
Местное время:        Сб Мар  8 10:38:58 2025 CST
Поддержка SMART:      Доступна - устройство имеет возможность SMART.
Поддержка SMART:      Включена
Температурное предупреждение:  Отключено или не поддерживается

Эта модель на 600 ГБ имеет примерно на 127 МБ больше доступного места.

Я собрал эту информацию для нескольких других жестких дисков для сравнения:

Согласно моему опыту, только модели на 250 ГБ и 300 ГБ имеют точную емкость, доступную пользователю; у большинства моделей есть небольшое и постоянное превышение емкости, независимо от типа соединения или физического размера сектора (512 против 4096).

Почему это так?

В этом вопросе много нюансов, но давайте немного рассмотрим природу двоичных чисел, а также то, как они используются в современных компьютерных архитектурах (например, предполагаем, что байт состоит из 8 бит).

• Байт составляет 8 бит [2^8] и имеет диапазон от 0 до 255. если мы увеличим его до 9 бит (2^9) с диапазоном от 0 до 511.
• Килобайт составляет 1024 [2^10] байт и имеет диапазон от 0 до 1023.
• Мегабайт составляет 1024^2 [2^20] байт и имеет диапазон от 0 до 1,048,575.
• Гигабайт составляет 1024^3 [2^30] байт и имеет диапазон
  от 0 до 1,073,741,823.

Каждый дополнительный бит памяти увеличивает диапазон значения на одну степень двойки, так что каждый раз, увеличивая число на один бит, диапазон удваивается.

Если бы килобайт составлял 1000 байт, его биты составили бы 1000 * 8 = 8000, что потребовало бы 2^10 байт для хранения (2^9 байт могут хранить максимум 512 * 8 = 4096 бит, что слишком мало), но не использовало бы полный диапазон 2^10 [1024] байт (8192 или 2^13 бит), так что оставшиеся 24 байта на килобайт были бы потрачены впустую (что составило бы 24,000 байт на мегабайт, что существенно при увеличении размеров).

Таким образом, 300 ГБ диск = 300 * 1024^3 = 322,122,547,200 байт.

Если ваш 300 ГБ SAS диск фактически имеет емкость 300,000,000,000 байт, то максимальная емкость, на которую его можно размечать, составляет фактически 279 ГБ (299,573,968,896 байт).

Таким образом, если вы когда-либо видите число, подобное 300,000,000,000 байт, знайте, что кто-то или не точен, или откровенно лжет вам.

В конечном итоге, несовпадение здесь связано с отсутствием полной совместимости между системами исчисления на базе 2 и на базе 10, а также использованием приставок СИ, таких как Кило/Мега/Гига/Тера/Пета/Экс, которые всё же должны основываться на степенях десяти, как и всё остальное в метрической системе.

Производители хотят рекламировать диски, основываясь на емкости по базе 10, но с инженерной точки зрения они всегда будут использовать числа по базе 2, потому что могут бесшовно учитывать 8 бит на байт. если бы байты были по 10 бит, это упростило бы некоторые расчеты и свело бы рекламу с продукта, но впустую тратило бы место, так как биты всегда хранятся в местах, определенных в приращениях степеней двойки.

Поэтому 1 ТБ обычно форматируется в 931 ГБ. 931 * 1024^3 = 999,653,638,144 байт, так что это максимум, который диск может хранить, оставаясь под 1,000,000,000,000 байт. если бы производитель был справедлив и произвел диск размером 1024^4 (1,099,511,627,776 байт), мы могли бы получить все 1000 ГБ на ТБ, но тогда у нас была бы та же проблема, когда выйдут первые петабайтные диски, и мы бы жаловались, что они не могут хранить 1024 ТБ.