Me deparei com um SSD que tem uma queda de desempenho muito significativa (cerca de 20 vezes). Como há um sistema de arquivos ExFAT usado, suspeito que possa ser devido à fragmentação.
Existe uma ferramenta disponível no mundo do software livre/código aberto (= licença permissiva ou acessível) para desfragmentar o sistema de arquivos?
Sim, eu conheço a boa e velha maneira de fazer backup, reformatar e colocar de volta. Nesse caso, pode ser bastante demorado (alguns TBs de dados em um sistema de medição embutido).
Não.
O mesmo se aplica a NTFS e FAT32. Na verdade AFAIK fora de todos os sistemas de arquivos que o Linux suporta, apenas ext4 pode ser desfragmentado (apenas arquivos individuais um por um) e XFS (desfragmentação completa disponível).
Como último recurso, você pode instalar uma versão de avaliação do Windows 10 Enterprise e desfragmentá-la. Também não há ferramenta de desfragmentação integrada no Windows, mas existem algumas ferramentas de terceiros, por exemplo, Defraggler, O&O Defrag e UltraDefrag.
Desfragmentar o armazenamento SSD/NVMe geralmente não é recomendado (possível uso não essencial de blocos de apagamento de flash).
Alguns problemas de fragmentação são específicos apenas para o HDD giratório (tempo de busca), alguns podem ser experimentados também no SSD quando o sistema de arquivos suscetível à fragmentação é usado.
No ambiente somente Linux, um ciclo de backup, reformatação e restauração pode ser a única opção (ou a mais fácil).