系統(tǒng)設(shè)計人員正在尋找所有他們能找到的增加內(nèi)存帶寬和容量的想法，專注于從內(nèi)存改進到新型內(nèi)存的所有內(nèi)容。更高級別的體系結(jié)構(gòu)更改可以幫助滿足這兩種需求，即使內(nèi)存類型是從 CPU 中抽象出來的。

兩種新的協(xié)議正在幫助實現(xiàn)這一目標(biāo)，即CXL和OMI。但有一個迫在眉睫的問題是，它們是否會共存，或者一個是否會戰(zhàn)勝另一個。

“隨著處理器中CPU內(nèi)核數(shù)量的增長，人們普遍認為希望為CPU內(nèi)核獲得更多的內(nèi)存帶寬和內(nèi)存容量，”Rambus數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品營銷副總裁Mark Orthodoxou說?！叭藗円呀?jīng)沒有能力添加DRAM頻道了。

雖然這兩個新協(xié)議在概念上有一些高級的相似之處，但它們并不相同。但是，對于它們是否真的相互競爭，似乎存在很多困惑。甚至還存在廣泛的誤解，特別是關(guān)于OMI的誤解。

如今，每個人都專注于數(shù)據(jù)，無論是不斷增長的數(shù)據(jù)量還是如何最好地管理數(shù)據(jù)。

”金融服務(wù)希望為欺詐檢測添加更多數(shù)據(jù)源，以提供即時結(jié)果，“MemVerge的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Charles Fan說?！鄙缃幻襟w需要更多的數(shù)據(jù)源來分析用戶，但提供即時結(jié)果。電子商務(wù)零售商想要更多的數(shù)據(jù)源，但需要即時建議。芯片正在設(shè)計1萬億個晶體管，但它們需要與前幾代產(chǎn)品在同一時間周期內(nèi)進入市場?；蚪M研究人員想要更多的細胞數(shù)據(jù)，但他們希望縮短疫苗發(fā)現(xiàn)的時間。

所有這些都需要更多的內(nèi)存來為更多的計算提供服務(wù)?！霸谖磥韮赡陜?nèi)，需要增加一千倍的計算量和一百倍的內(nèi)存，”范說。

內(nèi)存和存儲

現(xiàn)代計算系統(tǒng)具有兩層內(nèi)存結(jié)構(gòu)。有工作內(nèi)存，它是處理器的本地內(nèi)存，用于快速訪問，它通常是某種形式的DRAM。然后是存儲，一種內(nèi)存形式，它在邏輯上并且通常在物理上遠離處理器。這通常是非易失性存儲器，如閃存甚至硬盤驅(qū)動器。

這種安排反映了功能、成本和訪問的混合?！皟?nèi)存”往往是更快的技術(shù)，盡管成本高于存儲技術(shù)。即使考慮到速度，它也不夠快，無法跟上現(xiàn)代處理器的步伐，這就是為什么處理器上的SRAM緩存對性能如此重要的原因。

“存儲”往往由非常高容量的存儲器組成，這些存儲器在每位基礎(chǔ)上非常便宜。但是它們的訪問時間可能比DRAM可以提供的時間慢幾個數(shù)量級。

在過去十年中，存儲類內(nèi)存的討論很多，它具有存儲的一些特征，但具有內(nèi)存的性能。MRAM，RMRAM和PCRAM是這種交叉類別的典型代表 - 在研究周期的早期還有其他想法。

將單一技術(shù)同時用于存儲器和存儲的承諾是誘人的，但它將為芯片設(shè)計人員創(chuàng)建需要與存儲器接口的IC帶來一些挑戰(zhàn)。大多數(shù)芯片都有用于DRAM的特定接口。如果您可以使用MRAM或RRAM，那么您將CPU連接到哪個接口？這些存儲器可能都具有不同的訪問協(xié)議。

存儲有不同的挑戰(zhàn)，但內(nèi)存類型的激增造成了類似的困境。此外，存儲中的數(shù)據(jù)通常必須批量檢索才能實際使用。該復(fù)制操作需要時間并消耗能量。

這兩種情況都將受益于一種抽象出所使用的特定存儲器的細節(jié)的方法，這樣芯片設(shè)計人員以及在某種程度上的軟件開發(fā)人員都不必那么關(guān)心特定系統(tǒng)的存儲器細節(jié)。它還可能使軟件在不同系統(tǒng)之間更具可移植性，這在數(shù)據(jù)中心特別有價值。

如今，它需要更高級別的程序或系統(tǒng)來管理和構(gòu)建不同內(nèi)存和存儲資源的池。這種“大內(nèi)存”程序提供了一種增加內(nèi)存帶寬和容量的方法。

“圍繞大內(nèi)存計算的論點是，與其不斷努力使存儲越來越快，不如利用其他新硬件，并輔以正確的軟件集，”范說。“我們可以構(gòu)建一個軟件定義的內(nèi)存池，該內(nèi)存池可以成為應(yīng)用程序需要處理的所有活動數(shù)據(jù)的平臺，從而減少或消除活動應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的內(nèi)存和存儲之間的數(shù)據(jù)傳輸。

CXL 和 OMI 協(xié)議都提供抽象，盡管級別較低。但作為新興的解決方案，很容易將兩者混淆。OMI在網(wǎng)上幾乎沒有大張旗鼓的方式，對它的認識似乎低于對CXL的認識。根據(jù)你和誰交談，他們做或不做同樣的事情，因此做或不互相競爭。

CXL和/或OMI的出現(xiàn)并不一定影響大內(nèi)存管理系統(tǒng)的使用。相反，它使物理內(nèi)存連接更容易處理?！蔽覀円揽緾PU使用其接口/內(nèi)存管理器訪問內(nèi)存，因此我們的軟件與內(nèi)存互連無關(guān)，包括CXL，OMI和DDR4 / 5，“Fan說。

CPU使用的近內(nèi)存和OMI

工作內(nèi)存需要快速。多年來，DRAM一直提供最佳的速度/成本組合，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，DRAM似乎可能會繼續(xù)這樣做。即便如此，還是有辦法提高這種性能，但要付出代價。

DRAM的致命弱點是一組驅(qū)使記憶的長線。它們的高電容使得很難繼續(xù)推動更高的內(nèi)存速度并添加更多內(nèi)存。

兩種變體有所幫助。一個是RDIMM，其中地址和控制信號在芯片上緩沖。這加快了這些信號的速度，同時保留了數(shù)據(jù)信號。LRDIMM還通過緩沖數(shù)據(jù)更進一步。這增加了延遲的時鐘周期，但加快了線路速度并允許更多內(nèi)存。

圖1：RDIMM緩沖地址和控制信號;LRDIMM 還緩沖數(shù)據(jù)信號。其目的是擁有更短，更少的電容線路和更快的訪問，但代價是額外的時鐘周期延遲。

但是用于訪問的端口需要許多引腳 - LRDIMM的每個通道152個，Objective Analysis的Jim Handy在去年的Hot Interconnects會議上的一次演講中說。八個通道將花費1，216個引腳。

”由于引腳數(shù)量非常大，因此驅(qū)動這些引腳所需的面積很大，因為它是并行接口，“Orthodoxou說。

HBM 是另一種提供更高訪問速度的替代方案。雖然價格昂貴，但它提供了最高的帶寬。但它的總線是1000位寬。還有其他挑戰(zhàn)，在關(guān)于OMI的白皮書中有所描述。

”雖然HBM是一個幫助，但它比標(biāo)準(zhǔn)DRAM貴得多，并且僅限于不超過12個芯片的堆棧，將其使用限制在低容量內(nèi)存陣列上，“該論文說?！盚BM 也很復(fù)雜和不靈活。在現(xiàn)場無法升級基于 HBM 的內(nèi)存。因此，HBM 內(nèi)存只在沒有其他解決方案可用的情況下才被采用。

OMI從OpenCAPI世界中出現(xiàn)，為了延遲，OMI規(guī)范被分離出來。它旨在通過兩種方式解決這些近內(nèi)存挑戰(zhàn) - 遷移到SerDes，以及使用DIMM控制器。用于 OMI 通道的 DIMM 被稱為差分 DIMM 或 DDIMM。

SerDes連接將取代當(dāng)前的DDR式接口，以更少的信號提供更高的速度?？刂破鞑糠痔峁┡cLRDIMM上的寄存器相同的功能，在此過程中將總內(nèi)存延遲增加約4ns。

“OMI延遲包括通過內(nèi)存本身的延遲，這是從內(nèi)部連接到主機中的傳輸端口回到主機中接收的內(nèi)部連接的往返讀取延遲，”O(jiān)penCAPI聯(lián)盟的技術(shù)總監(jiān)兼董事會顧問Allan Cantle說。

圖 2：LRDIMM 與 DDIMM 的比較。DDIMM左側(cè)的藍色框是控制器。延遲增加幾納秒。

此外，控制器還可以連接到許多不同類型的內(nèi)存。它充當(dāng)該內(nèi)存和處理器之間的橋梁。就處理器而言，所有內(nèi)存看起來都像 OMI，除此之外的細節(jié)都在 DDIMM 上處理。

這允許系統(tǒng)構(gòu)建商混合和匹配正在使用的內(nèi)存類型。每個通道都可以是其自己的內(nèi)存類型。事實上，只要控制器支持，單個 DDIMM 就可以混合使用內(nèi)存。

圖 3：混合內(nèi)存系統(tǒng)的概念示例，其中每個通道使用不同的內(nèi)存技術(shù)。

然而，目前還不清楚系統(tǒng)是否真的會以這種方式組成。有些人認為，抽象的價值不在于創(chuàng)建異構(gòu)內(nèi)存池，而在于使具有一組接口的單個 CPU 可以訪問由任何這些類型的內(nèi)存構(gòu)建的同構(gòu)池。

“近內(nèi)存將始終是同構(gòu)存儲器的更多選擇，而不需要抽象異構(gòu)存儲器類型，”西門子EDA驗證IP產(chǎn)品經(jīng)理Gordon Allan說。

帶寬將高于標(biāo)準(zhǔn)DRAM接口，盡管HBM仍然會更快。也就是說，擁有更少的引腳意味著SoC上用于存儲器通道所需的硅將小得多，這使得OMI在帶寬/面積上與HBM更具競爭力。由于接口占用空間較小，如果 OMI 可以使用的通道多于其他接口，則聚合帶寬可能會更高。

為了完全出現(xiàn)這種新范式，首先需要控制器芯片，然后需要DDIMM可用。這一進程已經(jīng)開始，但還有很長的路要走。即便如此，到目前為止，OMI的吸收速度一直很慢。

圖 4：顯示控制器和多個 DRAM 芯片的 DDIMM。還提供2U版本。資料來源：OpenCAPI Consortium

“我們沒有與客戶要求我們提供這項技術(shù)，但對于OMI來說，現(xiàn)在還為時尚早，”艾倫說?！斑@是IBM和其他一些公司推廣的相對較新的進入者。它仍然沒有在業(yè)界被廣泛采用，但肯定有很多人對它感興趣，因為它聲稱要擴展DDR的容量優(yōu)勢和HBM的性能帶寬優(yōu)勢。但在這一點上，這仍然是一個大膽的，未經(jīng)證實的說法。

遠內(nèi)存和CXL

遠內(nèi)存的情況更為復(fù)雜。除了與特定類型的內(nèi)存相關(guān)的問題之外，頻繁需要復(fù)制大塊內(nèi)存也是一個重大問題，特別是對于機器學(xué)習(xí)等內(nèi)存或存儲密集型應(yīng)用程序，尤其是在數(shù)據(jù)中心。

這些是CXL解決的問題?！盋XL 優(yōu)化和虛擬化數(shù)據(jù)傳輸、存儲和計算，“Synopsys 系統(tǒng)設(shè)計組工程總監(jiān) Levent Caglar 說。

這在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序中很有用?！盚PC領(lǐng)域由大量的計算結(jié)構(gòu)組成，“Cadence知識產(chǎn)權(quán)集團產(chǎn)品營銷集團總監(jiān)Arif Khan說?！盋PU、GPU、加速器、FPGA 等都連接到不斷增長的內(nèi)存池。CXL 滿足了異構(gòu)計算的需求，同時保持了緩存的一致性，并允許內(nèi)存的可擴展性。

但它也很復(fù)雜?！拔覀冃枰紤]存儲的三個不同方面，”西門子EDA的Allan說。“首先是共置處理器和內(nèi)存。在處理管道的另一端，我們有相干的內(nèi)存和存儲鏈接，其中數(shù)據(jù)必須與其他處理和通信元素共享。此外，我們還對數(shù)據(jù)中心的存儲進行了更大規(guī)模的搜索和檢索。CXL位于這些領(lǐng)域的第二和第三位。

圖 5：CXL 控制器的框圖。CXL 功能依賴于 PCIe 進行物理互連。

CXL在概念上類似于OMI，充當(dāng)允許處理器與內(nèi)存類型無關(guān)的橋梁。”從系統(tǒng)其余部分的角度來看，該內(nèi)存在邏輯上盡可能接近CPU，“Caglar說。

但CXL的職權(quán)范圍比OMI要廣泛得多，需要涵蓋的用例要多得多?！監(jiān)MI和CXL在它們試圖解決的近內(nèi)存問題方面非常相似，“Orthodoxou說?！彼麄兊牟煌幵谟贑XL試圖解決遠內(nèi)存問題。

審核編輯 ：李倩