傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，如果您非常關(guān)心延遲，那么嘗試將系統(tǒng)內(nèi)存連接到 PCI-Express 總線并不是一個(gè)好主意。因?yàn)閮?nèi)存離 CPU 越遠(yuǎn)，延遲就越高，這就是內(nèi)存 DIMM 通常盡可能靠近插槽的原因。

從邏輯上講，PCI-Express 是千里之外的。隨著每一代 PCI-Express 帶寬翻倍，如果沒(méi)有重定時(shí)器的幫助也會(huì)增加延遲，它可以傳輸?shù)木嚯x也會(huì)縮短。對(duì)于我們習(xí)慣于連接到 PCI-Express 的大多數(shù)類(lèi)型的內(nèi)存來(lái)說(shuō)，這不是什么大問(wèn)題。閃存存儲(chǔ)的延遲以幾十微秒為單位的情況并不少見(jiàn)，這使得互連產(chǎn)生的額外幾百納秒成為一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。然而，我們對(duì)DDR 和其他形式的易失性存儲(chǔ)器就沒(méi)有那么寬容了。

以前的內(nèi)存擴(kuò)展嘗試都陷入了妥協(xié)，特別是在延遲方面。例如，GigaIO 表示其FabreX 架構(gòu)已經(jīng)可以使用 DMA 在 PCI-Express 上進(jìn)行內(nèi)存池化，但這樣做需要應(yīng)用程序能夠容忍 500 納秒到 1.5 微秒的延遲。

同樣，根據(jù) Blocks and Files 的說(shuō)法，在英特爾今年夏天毫不客氣地削減其 Optane 持久內(nèi)存業(yè)務(wù)之前，部署該技術(shù)意味著會(huì)產(chǎn)生大約350 納秒的延遲。雖然可用，尤其是在分層內(nèi)存配置中，但它比直接連接 CPU 的 DDR 內(nèi)存預(yù)期的低于 100 納秒的往返延遲要長(zhǎng)得多。

進(jìn)入 CXL 內(nèi)存生態(tài)系統(tǒng)

這為我們帶來(lái)了使用 Compute Express Link 協(xié)議或 CXL 的第一代內(nèi)存擴(kuò)展模塊。基于 AMD 的Epyc 9004“Genoa”處理器的系統(tǒng)是首批系統(tǒng)之一，擁有 64 條 CXL 連接通道——不同于其 128 至 160 條整體 PCI-Express 通道——最多可分為四到十六個(gè)設(shè)備。至于英特爾將如何在其“Sapphire Rapids”Xeon SP 處理器上實(shí)施 CXL，我們將不得不等到它們明年初問(wèn)世。

與這些服務(wù)器相得益彰的是我們確信的第一個(gè)是許多 CXL 內(nèi)存擴(kuò)展模塊。雖然 CXL 最終將允許完全分解的系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，資源可以通過(guò)高速結(jié)構(gòu)在整個(gè)機(jī)架上共享，但距離那一天還有幾年的時(shí)間。

對(duì)于首次涉足數(shù)據(jù)中心，CXL 直接專(zhuān)注于內(nèi)存擴(kuò)展、分層內(nèi)存和一些早期的內(nèi)存池應(yīng)用程序。目前，我們只關(guān)注內(nèi)存擴(kuò)展，因?yàn)樵谶@個(gè)早期階段，它可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單和最實(shí)用的，尤其是在以可用延遲附加內(nèi)存時(shí)。

三星和Astera Labs已經(jīng)展示了 CXL 內(nèi)存模塊，他們說(shuō)只需將它們插入兼容的 PCI-Express 5.0 插槽，即可為系統(tǒng)添加數(shù) TB 的內(nèi)存。從系統(tǒng)的角度來(lái)看，它們的外觀和行為就像通過(guò)內(nèi)存總線連接到相鄰插槽的常規(guī) DDR DRAM 內(nèi)存。

在最長(zhǎng)的時(shí)間里，一旦達(dá)到 CPU 內(nèi)存控制器的限制，添加更多內(nèi)存的唯一方法就是添加更多插槽。如果工作負(fù)載可以利用額外的線程，那就更好了，但如果不能，這將成為一種非常昂貴的添加內(nèi)存的方式。實(shí)際上，額外的插槽只是一個(gè)內(nèi)存控制器，上面附有一堆昂貴的、不需要的內(nèi)核。

內(nèi)存擴(kuò)展模塊的行為方式大致相同，但它不是使用專(zhuān)有的插槽到插槽互連，如英特爾的 UPI 或 AMD 的 xGMI 鏈接，而是 CXL。這意味著您可以擁有這些設(shè)備的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，事實(shí)上，我們已經(jīng)看到一個(gè)相當(dāng)充滿活力，有時(shí)甚至是令人向往的設(shè)備圍繞 CXL 展開(kāi)。

CXL 總裁 Siamak Tavallaei在 SC22上告訴 The Next Platform ，CXL 實(shí)際上包含三種協(xié)議，但并非所有協(xié)議都是延遲的靈丹妙藥。“CXL.io 仍然具有您預(yù)期的相同類(lèi)型的延遲（來(lái)自 PCI-Express），但其他兩個(gè)協(xié)議——CXL.cache 和 CXL.mem——通過(guò)協(xié)議采用更快的路徑，并且它們減少了延遲。”

CXL 內(nèi)存延遲到底有多糟糕？

如果 Astera 值得信任，延遲并不像您想象的那么糟糕。該公司的Leo CXL 內(nèi)存控制器旨在接受高達(dá) 5600 MT/秒的標(biāo)準(zhǔn) DDR5 內(nèi)存 DIMM。他們聲稱(chēng)客戶可以預(yù)期延遲與訪問(wèn)第二個(gè) CPU 上的內(nèi)存大致相當(dāng)，一個(gè) NUMA 躍點(diǎn)。這使得它在 170 納秒到 250 納秒附近。事實(shí)上，就系統(tǒng)而言，這正是這些內(nèi)存模塊向操作系統(tǒng)顯示的方式。

Tavallaei 解釋說(shuō)，大多數(shù) CXL 內(nèi)存控制器會(huì)增加大約 200 納秒的延遲，額外的重定時(shí)器會(huì)增加或花費(fèi)幾十納秒，具體取決于設(shè)備與 CPU 的距離。這與其他 CXL 早期采用者所看到的一致。GigaIO 首席執(zhí)行官 Alan Benjamin 告訴The Next Platform，它所見(jiàn)過(guò)的大多數(shù) CXL 內(nèi)存擴(kuò)展模塊的延遲都接近 250 納秒，而不是 170 納秒。

然而，正如 Tavallaei 指出的那樣，這仍然是對(duì)四插槽或八插槽系統(tǒng)的改進(jìn)，在這些系統(tǒng)中，應(yīng)用程序可能僅僅因?yàn)樾枰獌?nèi)存而不得不應(yīng)對(duì)多個(gè) NUMA 躍點(diǎn)。（不過(guò)，公平地說(shuō)，IBM 和英特爾在 CPU 之間添加了更多更快的鏈接，以減少跳數(shù)和每跳延遲。）

話雖如此，許多芯片制造商很快指出，CXL 生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)在才剛剛起步。在 CXL 董事會(huì)任職的 AMD 的 Kurtis Bowman 告訴The Next Platform，許多早期的 CXL 概念驗(yàn)證和產(chǎn)品都使用尚未針對(duì)延遲進(jìn)行優(yōu)化的 FPGA 或第一代 ASIC。隨著時(shí)間的推移，他預(yù)計(jì)延遲會(huì)大大改善。

如果 CXL 供應(yīng)商能夠像他們聲稱(chēng)的那樣，在展廳演示之外實(shí)現(xiàn)與多插槽系統(tǒng)同等的延遲，那么它應(yīng)該在很大程度上消除利用它們所需的應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)特定定制的需要。好吧，至少就內(nèi)存擴(kuò)展而言。正如我們?cè)?Optane 中看到的那樣，CXL 內(nèi)存分層幾乎肯定需要某種操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序支持。

隨著插槽變得越來(lái)越大并且在板上安裝更多 DIMM 變得越來(lái)越難，這再合適不過(guò)了。放置它們的地方更少了。有可容納 32 個(gè) DIMM 的雙插槽系統(tǒng)，但隨著芯片制造商增加更多通道以滿足更高核心數(shù)的帶寬需求，這是不可擴(kuò)展的。

我們已經(jīng)在某種程度上在 AMD 的 Genoa 芯片上看到了這一點(diǎn)，盡管該芯片將內(nèi)存通道數(shù)量增加到 12 個(gè)，但在發(fā)布時(shí)每個(gè)通道僅支持一個(gè) DIMM，將雙插槽配置中的 DIMM 數(shù)量限制為 24 個(gè)。即使您可以為每個(gè)通道連接兩個(gè) DIMM，我們被告知將 48 個(gè) DIMM 安裝到標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱中是不切實(shí)際的。

當(dāng)我們希望在更遠(yuǎn)的距離（例如跨機(jī)架）連接內(nèi)存時(shí)，事情會(huì)變得更加復(fù)雜，因?yàn)殡娀蚬饣ミB產(chǎn)生的延遲必須計(jì)入方程式。但對(duì)于機(jī)箱內(nèi) CXL 內(nèi)存擴(kuò)展，延遲似乎并不像許多人擔(dān)心的那么令人頭疼。

審核編輯 ：李倩