GenZ，CXL，NVLINK，OpenCAPI，CCIX乱战「建议收藏」

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纵观数据中心业界，底层技术方面其实正处在一场架构变革的初始点，这场变革就是I/O总线的网络化以及I/O资源的大规模池化。

众所周知，在开放平台下，PCIE是目前高性能I/O设备普遍采用的总线类型，目前已经到Gen4，很快会到Gen5。但是PCIE总线的树形拓扑以及有限的设备标识ID号码范围，导致其无法形成一个大规模网络，这个问题在NVMe盘未普及之前显得不那么是个问题，但是NVMe盘得道广泛应用之后，会占用大量的PCIE同道数量，这使得原本捉襟见肘的PCIE总线资源更加紧张，GPU、NIC、FPGA/ASIC卡的接入数量就会被NVMe盘挤占，虽然可以用PCIE Switch来解决同道数量不够的问题，但是对于PCIE总线设备ID号的不足，PCIE Switch也并没有方便的解决方案，虽然可以用NTB方式来解决，但是这又需要在Host端OS内核底层增加一层驱动，这种对内核的变更使得该方案只适合用在封闭系统里，比如一些企业级存储系统。

PCIE的另外2个问题是，存储器地址空间隔离、不支持Cache Coherency事务。PCIE网络中的地址空间虽然也是64bit，但是其原本设计初衷是该网络的地址空间是私有的，与CPU的地址空间并不是原生融合的，需要地址翻译寄存器来做基地址翻译，然而对于Intel平台，这个翻译靠软件来执行，而且规则也很简单，就是不翻译，维持原有地址。

这样的话，虽然CPU可以直接访问PCIE网络中的地址，而PCIE设备也可以访问CPU地址空间中的地址（比如Host RAM），但是由于PCIE事务层不支持Cache Cohernecy事务的处理，所以PCIE设备端无法缓存CPU地址域中的数据，所以每次都必须去访问Host RAM来获取数据。

设备端无法缓存的话，每次都访问Host RAM有什么问题么？问题就是延迟太高，通过DDR同道直接访问内存延迟在40ns左右，而通过PCIE访问则会在100ns级别，如果是小尺寸访存请求，性能将会比较差。正因如此，对于目前的GPU、FPGA/ASIC等加速卡，普遍采用现将数据从Host RAM拷贝到加速卡上的内部存储器，计算，算完了再拷贝回Host RAM。

很显然，只要两招就能解决上述问题，第一就是将总线速率提升，降低访问延迟，第二就是在物理链路之上增加对Cache Cohernecy（下简称CC）事务的处理，也就是在设备一侧增加一个CC Agent与CPU一侧的Agent交互。关于CC缓存一致性详细底层架构和原理可阅读《大话计算机》一书第6章。

基于上面两个考虑，IBM最早推出了CAPI（Coherent Accelerator Processor Interface）接口，当年我还写了一篇文章来介绍。CAPI1.0接口复用了PCIE物理层、链路层和事务层，并利用PCIE数据包的Payload字段隧道化封装了CC和CAPI控制事务（这两者后文统称CAPI事务），在CPU一侧增加针对CAPI事务的解析处理模块，然后在加速卡芯片一侧，IBM提供CAPI的事务解析逻辑IP用于集成到第三方芯片中。在后来的CAPI版本中，逐渐演化成了OpenCAPI，有了自己的物理、链路、事务层，以及独立的处理模块，与PCIE分离。IBM下一步甚至会用OpenCAPI来连接DDR内存，内存卡上会有一颗OpenCAPI~DDR4/5的桥接芯片来负责适配。IBM不愧为业界大佬，在这方面风范犹存而且先带领大家玩了起来，不过毕竟是廉颇已老，跟风者寥寥无几，GPU/FPGA/ASIC厂商似乎并不是十分买账，毕竟OpenPower的机器在数据中心占比实在是太低了。

时隔4年，Intel也跟了上来，在2019年3月份推出了Compute Express Link（CXL）协议接口，其与CAPI酷似，也是将CXL协议封装到PCIE链路层数据包中传送，并在CPU端的PCIE总控后端按照事务标识分流CXL专属事务给CXL处理逻辑处理。IBM毕竟廉颇已老，如今是牙膏厂Intel的天下，Intel振臂一呼，那都得跟上来。

IBM和Intel各玩各的，这业界不能就让他俩这么单独玩。早在几年前，GenZ（Generation Z）这套协议雏形初现，如今已经是羽翼丰满。GenZ除了具有CAPI和CXL的功能之外，还将总线拓展成了交换式网络，也就是加入了GenZ Switch这个角色，可以将大量的CPU、I/O设备、存储器挂接到GenZ网络上，实现更高的扩展性。GenZ是一个开放组织，其不依赖于任何CPU平台，目前已经有60多家厂商加入了GenZ组织，其中包括Intel的老对手AMD。然而AMD对GenZ似乎不是很上心，不过Intel推出了CXL之后，AMD估计应该心里多少都有点涟漪，我猜测AMD应该不会自己另起炉灶搞一套总线，而应该斩钉截铁的站队GenZ阵营，直接在CPU里继承GenZ主控，或者采用Microchip（收购了Microsemi、PMC）等I/O控制器老牌公司的外置GenZ I/O控制器。

再说说淫威大这边的事。Nvidia给人感觉一直是diaodiao的，GenZ、CXL、人家一个也没看上，也不跟风，而是自己搞了一套NVLINK，而且反扑了IBM，IBM大佬竟然在Power CPU里继承了NVLINK控制器，奇怪的是NV竟然还是OpenCAPI组织成员，但最终却反客为主，够diao吧？NVLINK可以支持CPU-GPU间链路也可以支持GPU-GPU间链路，而且NV diao上加diao，连NVLINK Switch都自己搞出来了，而且还搞出了搭载16个GPU+NVLINK Switch的整机方案：DGX/HGX，以及即将推出的第二代整机平台方案。整个平台满配据说要数百万¥。

现在的时间线是：CAPI->GenZ->NVLINK->CXL。这还没完，ARM平台不掺和进来这出戏就不够精彩。ARM选择了加入另一个开放的访存和I/O网络平台（CCIX）Cache Coherent Interconnect for Accelerators。CCIX酷似GenZ。AMD也在这个平台里。完整的时间线应该是这样的：CAPI->GenZ->CCIX->NVLINK->CXL。

那么，这几员大将，到底谁能在这场架构变革中胜出？冬瓜哥的观点是这样的，OpenCAPI基本不用考虑，IBM的生态目前无法与Intel抗衡，而且OpenCAPI只支持CPU直连，尚未支持OpenCAPI Switch，后续估计也不会搞。CXL嘛，Intel的面子大家还是要给的，加上Intel目前的生态控制力，大家就算是为了规避风险，也必然会选择跟风，所以胜算较大。但是如OpenCAPI一样，CXL目前仅仅只支持CPU点对点直连拓扑，尚未有CXL Switch的打算，不过冬瓜哥猜测，Intel更高概率不会做外部Switch，而Microchip这类外部I/O主控、Expander/Switch公司在这方面更有经验和积累，这块蛋糕给它们来做似乎更加合理，再加上业界都不想让牙膏厂继续一家独大，所以GenZ前景还是非常明朗的，从加入它的众多厂商就可以看出。老牌I/O控制器和Switch厂商Microchip目前加入了GenZ和OpenCAPI，而且是GenZ的核心贡献者，有没有可能将来是CXL+GenZ的融合架构呢？不是没有这个可能，因为在CXL发布时，Intel官方特地邀请了GenZ的发言人，其中似乎有强烈暗示CXL和GenZ应该是趋于融合，前者只管点对点直连，到了外面则交给GenZ。

至于NVLINK，既然NV要diao到底，那谁也拦不住，毕竟GPU集群使用的越来越多，GPU和GPU之间怎么勾搭那是人家自己的事情。CCIX，目前看来前景不是十分明朗，AMD和ARM这对难兄难弟能否引领CCIX独占鳌头，很难说。

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