Мало-помалу стандарт Compute Express Link пробивает себе путь на рынок: хотя процессоров с поддержкой ещё нет, многие из элементов инфраструктуры для нового интерконнекта и базирующихся на нём концепций уже готово — в частности, регулярно демонстрируются новые контроллеры и модули памяти. Но развивается и сам стандарт. В версии 1.1, спецификации на которую были опубликованы ещё в 2019 году, были только заложены основы.

Но уже в версии 2.0 CXL получил массу нововведений, позволяющих говорить не просто о новой шине, но о целой концепции и смене подхода к архитектуре серверов. А сейчас консорциум, ответственный за разработку стандарта, опубликовал свежие спецификации версии 3.0, ещё более расширяющие возможности CXL.

Источник: CXL Consortium

И не только расширяющие: в версии 3.0 новый стандарт получил поддержку скорости 64 ГТ/с, при этом без повышения задержки. Что неудивительно, поскольку в основе лежит стандарт PCIe 6.0. Но основные усилия разработчиков были сконцентрированы на дальнейшем развитии идей дезагрегации ресурсов и создания компонуемой инфраструктуры.

Сама фабрика CXL 3.0 теперь допускает создание и подключение «многоголовых» (multi-headed) устройств, расширены возможности по управлению фабрикой, улучшена поддержка пулов памяти, введены продвинутые режимы когерентности, а также появилась поддержка многоуровневой коммутации. При этом CXL 3.0 сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями — 2.0, 1.1 и даже 1.0. В этом случае часть имеющихся функций попросту не будет активирована.

Одно из ключевых новшеств — многоуровневая коммутация. Теперь топология фабрики CXL 3.0 может быть практически любой, от линейной до каскадной с группами коммутаторов, подключенных к коммутаторам более высокого уровня. При этом каждый корневой порт процессора поддерживает одновременное подключение через коммутатор устройств различных типов в любой комбинации.

Ещё одним интересным нововведением стала поддержка прямого доступа к памяти типа peer-to-peer (P2P). Проще говоря, несколько ускорителей, расположенных, к примеру, в соседних стойках, смогут напрямую общаться друг с другом, не затрагивая хост-процессоры. Во всех случаях обеспечивается защита доступа и безопасность коммуникаций. Кроме того, есть возможность разделить память каждого устройства на 16 независимых сегментов.

При этом поддерживается иерархическая организация групп, внутри которых обеспечивается когерентность содержимого памяти и кешей (предусмотрена инвалидация). Теперь помимо эксклюзивного доступа к памяти из пула доступен и общий доступ сразу нескольких хостов к одному блоку памяти, причём с аппаратной поддержкой когерентности. Организация пулов теперь не отдаётся на откуп стороннему ПО, а осуществляется посредством стандартизированного менеджера фабрики.

Сочетание новых возможностей выводит идею разделения памяти и вычислительных ресурсов на новый уровень: теперь возможно построение систем, где единый пул подключенной к фабрике CXL 3.0 памяти (Global Fabric Attached Memory, GFAM) действительно существует отдельно от вычислительных модулей. При этом возможность адресовать до 4096 точек подключения скорее упрётся в физические лимиты фабрики.

Пул может содержать разные типы памяти — DRAM, NAND, SCM — и подключаться к вычислительным мощностями как напрямую, так и через коммутаторы CXL. Предусмотрен механизм сообщения самими устройствами об их типе, возможностях и прочих характеристиках. Подобная архитектура обещает стать востребованной в мире машинного обучения, в котором наборы данных для нейросетей нового поколения достигают уже поистине гигантских размеров.

В настоящее время группа CXL уже включает 206 участников, в число которых входят компании Intel, Arm, AMD, IBM, NVIDIA, Huawei, крупные облачные провайдеры, включая Microsoft, Alibaba Group, Google и Meta✴, а также ряд крупных производителей серверного оборудования, в том числе, HPE и Dell EMC.

Консорциумы OpenCAPI Consortium (OCC) и Compute Express Link (CXL) подписали соглашение, которое подразумевает передачу в пользу CXL всех наработок и спецификаций OpenCAPI и OMI. Если будет получено одобрения всех участвующих сторон, то это будет ещё один шаг в сторону унификации ключевых системных интерфейсов и возможности реализации новых архитектурных решений. Во всяком случае, на бумаге.

Консорциумы OpenCAPI (Open Coherent Accelerator Processor Interface) был сформирован в 2016 году с целью создание единого, универсального, скоростного и согласованного интерфейса для связи CPU с ускорителями, сетевыми адаптерами, памятью, контроллерами и устройствами хранения и т.д. Причём в независимости от типа и архитектуры самого CPU. На тот момент новый интерфейс был определённо лучше распространённого тогда PCIe 3.0. С течением времени дела у OpenCAPI шли ни шатко ни валко, однако фактически его использование было ограничено только POWER-платформами от IBM.

Источник: OpenCAPI

Тем не менее, в недрах OpenCAPI родился ещё один очень интересный стандарт — Open Memory Interface (OMI). OMI, если коротко, предлагает некоторую дезагрегацию путём добавления буферной прослойки между CPU и RAM. С одной стороны у OMI есть унифицированный последовательный интерфейс для подключения к CPU, с другой — интерфейсы для подключения какой угодно памяти, на выбор конкретного производителя.

Источник: Open Memory Interface (OMI)

OMI позволяет поднять пропускную способность памяти, не раздувая число контактов и физические размеры и самого CPU, и модулей. Однако и в данном случае массовая поддержка OMI по факту есть только в процессорах IBM POWER10. Концептуально CXL в части работы с памятью повторяет идею OMI, только в данном случае в качестве физического интерфейса используется распространённый PCIe.

Изображение: SK Hynix

Существенная разница c OMI в том, что начальная поддержка CXL будет в грядущих процессорах AMD и Intel. А Samsung и SK Hynix уже готовят соответствующие DDR5-модули. Да и в целом поддержка CXL в индустрии намного шире. Так что консорциуму CXL, по-видимому, осталось поглотить только ещё один конкурирующий стандарт в лице CCIX, как это уже произошло с Gen-Z.

Комментируя соглашение, президент консорциума CXL отметил, что сейчас наиболее удачное время для объединения усилий, которое принесёт пользу всей IT-индустрии. Участники OpenCAPI имеют богатый опыт, который поможет улучшить грядущие спецификации CXL и избежать ошибок.

Консорциумы CXL и Gen-Z сообщили, что их руководящие органы подписали договор о взаимопонимании. Пописанный меморандум раскрывает планы сотрудничества между двумя организациями, обещая совместимые протоколы и расширенные возможности каждого из представленных интерфейсов.

Первые версии спецификаций Gen-Z и CXL (Compute Express Link) вышли, соответственно, в феврале 2018 года и в марте 2019 года. Каждый из этих интерфейсов призван обойти ограничения по пропускной способности, накладываемые на многоядерные и многоузловые конфигурации процессоров и ускорителей.

Как один, так и другой интерфейс отвечают за согласованность кешей множества подключённых решений и обеспечивают минимальные задержки при доступе к вычислительным ресурсам и хранилищам данных на основе ОЗУ или долговременных накопителей.

В то же время интерфейс CXL специализируется на согласованной работе внутри шасси, а интерфейс Gen-Z позволяет согласовывать работу на уровне блоков, стоек и массивов. В целом, участники консорциума Gen-Z поддержали идею Compute Express Link и признали её как дополняющую для развития интерфейса Gen-Z.

В течение прошлого года в консорциум CXL, за организацией которого стоит компания Intel, вошли много компаний, включая AMD и ARM. Дело оставалось за малым ― объединить усилия и добиться совместимости протоколов и архитектур.

Сегодня такой день настал. Консорциумы CXL и Gen-Z договорились организовать совместные смешанные рабочие группы для разработки «мостов» между протоколами обеих спецификаций и сделать всё необходимое, чтобы расширить возможности каждого из стандартов за счёт возможностей другого.