越来越热的CXL

二十年前，英特尔公布了取代PCI总线的第三代I/O技术（3GIO技术），也就是我们现在常说的PCI-e（PCI Express）。凭借高性能、高扩展性、高可靠性及出色的兼容性，PCI-e几乎取代了以往所有的内部总线（包括AGP和PCI），成为当时众望所归的未来技术标准。

二十年后，在如今这个数据爆炸式增长，异构计算大行其道的当下，曾经的“未来之星“PCI-e 已经开始出现后继无力的现象，无法成为 CPU、GPU、FPGA 以及其他 AI 计算设备之间沟通的*语言。为了达到*的计算效果，不同的计算设备亟需“一种新语言”。

而这一次，英特尔推出的CXL技术标准似乎杀出了重围。

CXL是什么

CXL全称为Compute Express Link，是由英特尔于2019年3月在InterconnectDay 2019上推出的一种开放性互联协议，能够让CPU与GPU、FPGA或其他加速器之间实现高速高效的互联，从而满足高性能异构计算的要求。

图片来源：英特尔

目前来看，CXL 支持三种协议，分别是，类似于 PCIe 的 CXL.io - CXL 使用 PCIe 总线的物理层，CXL.memory 用于主机内存访问，CXL.cache 用于一致的主机缓存访问。

此外，CXL 联盟也已经确定可从CXL中受益的三类主要设备：

类型 1（CXL.io 和CXL.cache）：没有本地内存的专用加速器（例如智能NIC），但可以利用 CXL.io 协议和 CXL.cache 与主机处理器的 DDR 内存进行通信。

类型 2（CXL.io、CXL.cache 和 CXL.mem）：具有高性能GDDR或HBM本地内存的通用加速器（GPU、ASIC或FPGA ）。

类型 3（CXL.io 和 CXL.mem）：内存扩展板和存储级内存。设备为主机 CPU 提供对本地 DRAM 或非易失性存储的低延迟访问。

图片来源：英特尔

最初，英特尔创建CXL标准，是作为 CPU 与 GPU、FPGA等加速器之间的互联通信，从而取代数据中心环境中的PCI-e。一直以来，CPU 都是透过主板上的 PCIe 插槽及 PCIe 协议与加速器沟通，但显然其内存使用效率、延迟和数据吞吐量已经不能满足日益增长的数据和计算速度需要。

相比PCIe，CXL标准在接口规格上可兼容PCIe5.0，也就是说未来服务器 CPU 仍是置于主板 CPUSocket，GPU等加速器也是插在 PCIe 插槽上，但CPU 与 GPU 并非以 PCIe 协议进行沟通，而是采用新的 CXL 协议，可以理解为PCIe 5.0 纯粹是用来提供实体插槽。

此外，CXL最高带宽可达128GB/s几乎能够满足当时所有的数据传输需求，可以在更大程度上允许更高的带宽，更多的连接设备和更低的延迟，解决目前 PCIe 协议存在的 CPU 与加速器之间高延迟、带宽不足等问题，而又不排除PCIe的简单性和适应性。

正因为CXL构建与 PCI-e 逻辑和物理层级之上，所以其兼容性很高，更容易被现有支持 PCI-e 端口的处理器（绝大部分的通用 CPU、GPU 和 FPGA）所接纳，因此，英特尔将CXL视为在PCIe物理层之上运行的一种可选协议，也就是说PCI-e 的互联协议没有被完全抛弃，并且英特尔还计划在第六代 PCI-e 标准上大力推进 CXL 的采用。

除了兼容性很高之外，CXL标准还有另一个较大优势就是内存一致性。

从本质上讲，CXL可在CPU，以及GPU、FPGA等之间建立高速且低延迟的互连，维护 CPU 内存空间和连接设备上的内存之间的内存一致性，允许 CPU 与 GPU 之间绕过 PCIe协议，用 CXL 协议来共享、互取对方的内存资源。透过 CXL协议， CPU 与 GPU 之间形同连成单一个庞大的堆栈内存池，CPU Cache 和 GPU HBM2 内存犹如放在一起，有效降低两者之间的延迟，故此能大幅提升数据运算效率。

除了资源共享（内存池）和交换之外，CXL 还可以通过连接 CXL 的设备向CPU 主机处理器添加更多内存。当与持久内存配对时，低延迟 CXL 链路允许 CPU 主机将此额外内存与 DRAM 内存结合使用。

由于大内存容量决定了大容量工作负载的性能，从这方面看，CXL 的优势显而易见。

CXL与Gen-Z之战

就像开头所提到的，不同的计算设备亟需“一种新语言”，那么自然不会只有一个CXL出现，事实上，CXL可以说是最晚出现的一个标准，在它之前，还有IBM 的 CAPI 和 OpenCAPI、英伟达的 NVLink 和 NVSwitch、AMD的 Infinity Fabric、赛灵思的CCIX ，以及在这部分要说到的Gen-Z。

Gen-Z可以看成是CXL的先行者，源于 HPE 开发的 The Machine，是一种以内存为中心的新型计算机架构。Gen-Z 联盟成立于 2016 年，由HPE 和戴尔提供支持。具体来说，Gen-Z协议允许分配和释放资源，无论是内存、加速器还是网络，可用于创建该资源与一个或多个 CPU 节点的临时或*绑定。本质上，这个想法是把任何类型的存储都作为内存看待，允许软件使用低延迟，高效率操作来访问。

使用 Gen-Z 和 CXL 进行分解。资料来源：IntelliProp

在过去，Gen-Z和CXL都属于数据中心、HPC、AI等领域全新数据设备互联协议的*，分割着数据中心的互连和内部连接，但后来却“节节败退”。先是在2020年4月，Gen-Z联盟与CXL联盟达成合作备忘录，强调了两者之间的合作共赢，CXL专注于机架内CPU、GPU和加速器之间的互联，而Gen-Z负责支持机架之间的互联。在和平休战一年多后，2021年11月，Gen-Z联盟与CXL联盟正式发布公告，把所有Gen-Z规范和资产转移给CXL联盟，双方联盟成员将专注于CXL这*的互联标准。至此，CXL也确立了自己的*地位，将成为未来*的行业标准。

在这场互联标准争夺战中，CXL凭什么可以“吞并”Gen-Z？

这就不得不说到两大联盟的参与者，Gen-Z联盟的参与者包括了AMD、Arm、惠普企业（HPE）、IBM、美光、三星、SK海力士、希捷、西部数据等20个厂商，虽然都是大厂，但是最重要的服务器 CPU 供应商却只有IBM。而CXL联盟那边不仅聚集了内存厂商、IP厂商、加速器厂商等，更重要的是，它有AMD、ARM 、IBM 以及英特尔所有四个主要的 CPU 供应商的加入。任何用于处理器与 DRAM、FPGA以及其他专用处理器互连的后 PCIe 总线技术都必须得到服务器 CPU 供应商的支持，这是一个必要条件。光从这点，Gen-Z联盟就注定难以与CXL联盟抗衡。

而另一方面，CXL较晚的推出时间反而成为了它的“利器”。随着PCI-Express 摆脱了 3.0 和 4.0 代之间七年的停滞状态，并进入两年带宽翻倍的性能节奏，这给基于PCI-Express 协议的CXL带来了更大的优势。相比CXL，Gen-Z等其他协议充其量只能降级为 CPU 到 CPU 互连，而CXL 作为兼容的 CPU 一致性协议，将允许跨 CPU 架构的标准，可以说CXL 在 PCI-Express 5.0 上的性能就是为此而存在的。

紧锣密鼓的布局

自从去年成功“吞并”Gen-Z后，CXL的崛起势头可以说是越发强劲，Marvell、三星、Rambus、澜起科技等大厂们的布局速度日渐加快，尤其在进入5月份后，“落子”速度变得更加密集。

·美满电子收购 CXL 开发商 Tanzanite

美满电子正在进行以数据中心为重点的投资（包括其 CXL 解决方案）来扩大潜在市场，5 月 9 日，美满电子宣布将收购先进 CXL技术*开发商Tanzanite，加速实现完全可组合的云基础架构的愿景。

Marvell存储业务事业部执行副总裁Dan Christman表示：“我们相信 CXL 将成为实现下一代数据中心*资源利用的重大变革者，而收购 Tanzanite 将提高我们解决客户*挑战性问题的能力。“

据了解，未来的云数据中心将建立在利用 CXL 技术的完全分解式架构上，基于连接处理器、加速器和内存的行业标准 CXL 的硅组件将促进具有显着性能和效率优势的新云数据中心架构。

·Rambus收购哈登，加强CXL互连计划

5月5日，行业*芯片和硅 IP 提供商Rambus宣布已签署收购Hardent, Inc. 的协议，该交易预计将于 2022 年第二季度完成。

Rambus官方消息显示，Hardent 拥有 20 年的半导体经验，其世界一流的硅设计、验证、压缩和纠错码 (ECC) 专业知识为 Rambus CXL 内存互连计划提供了关键资源，此次收购加速了下一代数据中心的CXL 处理解决方案的开发。

Rambus总裁兼首席执行官Luc Seraphin 表示：“在 AI/ML 等高级工作负载的需求以及向分类数据中心架构的转变的推动下，基于 CXL 的解决方案的行业势头继续增长。”

·澜起科技发布全球*CXL内存扩展控制器芯片

5月6日，澜起科技发布全球*CXL内存扩展控制器芯片（MXC）。

图片来源：澜起科技

据了解，这款MXC芯片是一款CXL DRAM内存控制器，属于CXL协议所定义的第三种设备类型，按照 CXL 2.0 规范设计，支持 PCIe  5.0 规范速度，专为内存AIC扩展卡、背板及EDSFF内存模组而设计，可大幅扩展内存容量和带宽，满足高性能计算、人工智能等数据密集型应用日益增长的需求。

·三星推出 512GB CXL 内存扩展器 2.0

5月10日，三星宣布开发出三星*512 GB内存扩展器 CXL DRAM，采用ASIC 的CXL控制器，并首次封装了内存容量为512GB的 DDR5 DRAM，与之前的三星CXL产品相比，内存容量为其4倍，系统延迟仅为其五分之一。

三星半导体512GB内存扩展器 CXL DRAM

值得一提的是，三星这次推出的这款内存模组CXL内存扩展控制器芯片正是由上述提到的澜起科技提供。

写在最后

每当一个新名词的出现，就意味着即将出现一个新市场。虽然CXL仅用两年时间就走完了其他标准长途跋涉的路，成为本次互联标准争夺战的获胜者，但其市场还未成熟，这或许又是新的发展机遇。从上述提到的大厂布局，我们可以看出，大陆选手在CXL领域并未落后，甚至抢先获得一分，想必未来只会更加精彩。

正如夏晶晶老师在知乎上曾表示的，CXL是intel对计算产业的一次巨大让利，做好CXL很有可能短期在中国国内获得独特的性能优势。

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