我們所知道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是建立在網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)速度較慢，而CPU內(nèi)存的反應(yīng)速度較快基礎(chǔ)上的。多年來(lái)，設(shè)計(jì)人員為這些組件開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的語(yǔ)言和接口，需要多層軟件將內(nèi)存命令轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)命令，反之亦然。

到目前為止，CPU內(nèi)存對(duì)相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)I / O的速度使得這些軟件層對(duì)系統(tǒng)性能的影響很小。

然而，隨著摩爾定律的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)技術(shù)正迅速趕上CPU內(nèi)存速度，現(xiàn)在幾代軟件層發(fā)揮的作用變得越來(lái)越重要。

在本文中，我們將Gen-Z結(jié)構(gòu)視為消除現(xiàn)有系統(tǒng)瓶頸的解決方案，并通過(guò)統(tǒng)一通信路徑并使用CPU內(nèi)存加載/存儲(chǔ)語(yǔ)言簡(jiǎn)化軟件來(lái)顯著提高系統(tǒng)效率和性能。

邁向新的計(jì)算架構(gòu)

如圖1所示，計(jì)算架構(gòu)正在迅速發(fā)展為異構(gòu)系統(tǒng)，包括多種計(jì)算單元（CPU / SoC，GPU，FPGA）和不同類(lèi)型的內(nèi)存/存儲(chǔ)元件（DRAM，存儲(chǔ)器），在本地互連在一起或遠(yuǎn)程通信。

此類(lèi)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)通過(guò)允許添加或刪除資源，或在更新版本/技術(shù)可用時(shí)替換此類(lèi)資源來(lái)提供更好的靈活性和可伸縮性。

圖1 - 新的計(jì)算架構(gòu)

以CPU為中心的方法

利用當(dāng)今以CPU內(nèi)存為中心的方法，圖1中的系統(tǒng)使用各種硅組件、接口和軟件層實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 - 以CPU內(nèi)存為中心的系統(tǒng)架構(gòu)

在計(jì)算系統(tǒng)的這種特定實(shí)現(xiàn)中，PCI Express被用來(lái)連接CPU內(nèi)存、GPU / FPGA內(nèi)存和高性能/低延遲存儲(chǔ)器。SSD陣列通過(guò)主機(jī)總線(xiàn)適配器或NIC連接，使用光纖通道、Infiniband、NVMe-oF或以太網(wǎng)作為傳輸接口。

其中一個(gè)CPU的DRAM中的數(shù)據(jù)必須在到達(dá)SSD陣列之前遍歷4個(gè)接口域，隨后會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的軟件開(kāi)銷(xiāo)和緩沖區(qū)復(fù)制操作。

這里，可擴(kuò)展性是一個(gè)問(wèn)題：升級(jí)到下一代SCM可能需要升級(jí)/更換相關(guān)的CPU / SoC。同樣，擴(kuò)展SSD陣列可能需要HBA / NIC下游的結(jié)構(gòu)交換機(jī)。

內(nèi)存語(yǔ)義方法

Gen-Z是一種內(nèi)存語(yǔ)義結(jié)構(gòu)，它將CPU內(nèi)存字節(jié)可尋址的加載/存儲(chǔ)模型擴(kuò)展到整個(gè)系統(tǒng)。事實(shí)證明，加載/存儲(chǔ)模型是CPU與內(nèi)存子系統(tǒng)通信的最快、最有效的方法。為了啟用此模型，Gen-Z將計(jì)算與介質(zhì)分離，將介質(zhì)特定功能與其正確所屬的介質(zhì)放在一起。圖3說(shuō)明了這個(gè)原理。

圖3 - 從CPU內(nèi)存接口到與介質(zhì)無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)

這一重要變化允許系統(tǒng)中的每個(gè)計(jì)算實(shí)體都是介質(zhì)不可知和分解的。使用Gen-Z內(nèi)存語(yǔ)義結(jié)構(gòu)，可以使用交換拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)圖1中的系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 - 使用Gen-Z的系統(tǒng)架構(gòu)

通過(guò)這種方法，所有設(shè)備彼此對(duì)等并通過(guò)簡(jiǎn)化的、高性能、低延遲的通信路徑說(shuō)出相同的加載/存儲(chǔ)語(yǔ)言，而不會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換懲罰和軟件開(kāi)銷(xiāo)。

Gen-Z協(xié)議定義了大量的內(nèi)存語(yǔ)義操作（通過(guò)OpCodes / OpClasses），可以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，以卸載計(jì)算資源，優(yōu)化互連使用并降低軟件開(kāi)銷(xiāo)。在所示的示例中，可以使用適當(dāng)?shù)腛pCode / OpClass在一次加載和一次存儲(chǔ)操作中將來(lái)自DRAM的數(shù)據(jù)復(fù)制到SSD陣列。

在可擴(kuò)展性方面，系統(tǒng)可以通過(guò)獨(dú)立升級(jí)，添加或刪除計(jì)算，內(nèi)存或存儲(chǔ)元素而不影響功能，為每個(gè)工作負(fù)載和環(huán)境精確定制。

關(guān)于Gen-Z

Gen-Z架構(gòu)專(zhuān)注于提供高效率、高帶寬和低延遲。

通過(guò)利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的裝載/存儲(chǔ)模型實(shí)現(xiàn)高效率。簡(jiǎn)化了Gen-Z硬件接口層，從而最大限度地減少了對(duì)軟件層的需求。消除這種復(fù)雜性、開(kāi)銷(xiāo)和誘導(dǎo)系統(tǒng)延遲可以顯著提高系統(tǒng)性能。

高帶寬以?xún)煞N方式實(shí)現(xiàn)。Gen-Z支持非對(duì)稱(chēng)通信路徑，這意味著可以將更多通道專(zhuān)用于讀取路徑而不是寫(xiě)入路徑，反之亦然。此外，Gen-Z支持多種信令速率，包括16,25,32,56和112 GT / s。總而言之，這些功能將使Gen-Z能夠跟上行業(yè)不斷增長(zhǎng)的速度需求，同時(shí)還允許將Gen-Z通信路徑調(diào)整為特定的工作負(fù)載流量模式。

通過(guò)減少軟件堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)低延遲。與傳統(tǒng)的服務(wù)器存儲(chǔ)和大量分層的網(wǎng)絡(luò)堆棧不同，Gen-Z采用輕量級(jí)軟件接口，直接對(duì)硬件進(jìn)行內(nèi)存讀寫(xiě)操作。

芯片設(shè)計(jì)師需要的Gen-Z資源

希望成功開(kāi)發(fā)Gen-Z產(chǎn)品的芯片設(shè)計(jì)師需要一些關(guān)鍵資源，具體如下：

Gen-Z控制器IP：SoC、交換機(jī)、存儲(chǔ)介質(zhì)控制器和其他類(lèi)型的Gen-Z設(shè)備都需要可配置的高質(zhì)量控制器IP才能連接到Gen-Z結(jié)構(gòu)。在撰寫(xiě)本文時(shí)，兩家IP供應(yīng)商，Gen-Z聯(lián)盟的成員已經(jīng)宣布了Gen-Z控制器IP的當(dāng)前和未來(lái)可用性。

Gen-Z PHY IP：初始Gen-Z實(shí)施將專(zhuān)注于經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、部署的NRZ PHY信令技術(shù)和速度，利用16和32 GT / s的PCIe PHY和25 GT / s的IEEE802.3 PHY的可用性。后期部署可能會(huì)利用先進(jìn)的PAM4 PHY信令速率，如56和112 GT / s。

Gen-Z驗(yàn)證IP：全面驗(yàn)證IP（VIP）工具的可用性對(duì)于保證集成在SoC之前和之后Gen-Z IP的質(zhì)量至關(guān)重要。在撰寫(xiě)本文時(shí)，兩家供應(yīng)商已宣布為Gen-Z提供驗(yàn)證IP。

FPGA原型開(kāi)發(fā)板：FPGA原型開(kāi)發(fā)是確保系統(tǒng)級(jí)功能和互操作性的必要步驟。目前的FPGA技術(shù)允許Gen-Z原型設(shè)計(jì)高達(dá)56 GT / s（PAM4）和32 GT / s（NRZ）。還開(kāi)發(fā)了連接器，以通過(guò)銅和光學(xué)連接以這些速率實(shí)現(xiàn)多通道Gen-Z信令。FPGA原型開(kāi)發(fā)板可從多家供應(yīng)商處獲得，預(yù)計(jì)基于FPGA技術(shù)的Gen-Z特定原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)即將推出。

Gen-Z聯(lián)盟包括來(lái)自各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的成員，這對(duì)于構(gòu)建產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要，其中所有必需的硬件和軟件組件彼此互操作。

結(jié)語(yǔ)

Gen-Z為計(jì)算機(jī)行業(yè)提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，可以利用現(xiàn)有的CPU內(nèi)存重新定義現(xiàn)代計(jì)算并克服當(dāng)前的挑戰(zhàn)。隨著新公司繼續(xù)加入不斷發(fā)展的Gen-Z開(kāi)放式生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建模塊、產(chǎn)品和服務(wù)的可用性自然會(huì)增加，并使新設(shè)計(jì)和產(chǎn)品能夠應(yīng)對(duì)新的工作負(fù)載和新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

Gen-Z為創(chuàng)新的高性能、低延遲解決方案提供了機(jī)會(huì)，這些解決方案將是開(kāi)放、簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)、高效的。