AI大模型發(fā)展高歌猛進，從文本生成的ChatGPT，到文生視頻的Sora，多模態(tài)交互持續(xù)迭代。在大模型的演進、落地過程中，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)面臨性能挑戰(zhàn)、穩(wěn)定運行和成本壓力等難題。


HBM市場有多火？

根據(jù)Yole Group的最新分析報告，由于人工智能服務(wù)器的需求超過了其他應用，HBM 在整個 DRAM出貨量中所占的份額預計將從 2023 年的約 2% 上升到 2029 年的 6%，由于 HBM價格遠高于 DDR5，就收入而言，其份額預計將從 2024 年的 140 億美元攀升至 2029 年的 380 億美元——而此前該份額已從 2023 年的約 55 億美元逐年飆升了 150% 以上。

Yole Group表示，內(nèi)存供應商已經(jīng)增加了 HBM 晶圓產(chǎn)量，預估產(chǎn)量從 2022 年的每月 44,000 片晶圓 (WPM) 增加到 2023 年的 74,000 WPM，并可能在 2024 年增至 151,000 WPM。

在HBM這一蓬勃發(fā)展的市場中，雖然只有三個玩家，但競爭之激烈，超出了許多人的想象。簡而言之，旱的旱死澇的澇死，排行第一的海力士在技術(shù)和市場上遙遙領(lǐng)先，拿走了最多的利潤，排名第二的三星正在積極發(fā)起進攻，又拿走了一部分，至于第三的美光，由于技術(shù)路線的判斷失誤，市場份額較小，目前還處于一個追趕狀態(tài)，短期內(nèi)恐怕很難貢獻大額利潤。

而最新的新聞也從側(cè)面證明了這種差距。SK海力士在2月確認，自己在過去幾個月的HBM銷量創(chuàng)下了新紀錄，同時帶動第四季度實現(xiàn)盈利，并預測產(chǎn)業(yè)即將復蘇，SK海力士副社長金起臺（Kim Ki-tae）指出，生成式AI服務(wù)日益多樣并持續(xù)發(fā)展，作為AI存儲解決方案的HBM需求也出現(xiàn)爆炸性成長。

更重要的是，他提到今年海力士旗下HBM已經(jīng)全部售罄，雖然2024年才剛開始，但公司為了保持市場領(lǐng)先地位，已開始為2025年預作準備。‘

2024年剛開始，SK海力士就已經(jīng)在考慮2025年的HBM市場了，隔壁三星和美光所背負的壓力也是巨大，在追趕技術(shù)和市場的同時，他們在思考，能否繞開HBM這項技術(shù)，從另一個方向去搶占AI市場呢？

此時，CXL（Compute Express Link）再度進入到了內(nèi)存廠商的視線當中。


什么是CXL？

CXL的起源可追溯到數(shù)據(jù)中心和高性能計算領(lǐng)域?qū)Ω焖佟⒏咝ЩミB技術(shù)的需求。過去，HDD磁盤和內(nèi)存之間差距很多，但隨著SSD、NVMe 設(shè)備的出現(xiàn)逐漸彌補了中間的鴻溝。然而即使采用了NVMe設(shè)備，其與內(nèi)存的差異仍然有10倍以上。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對于這一差異已經(jīng)不再敏感，原因是因為系統(tǒng)的瓶頸已經(jīng)來到了CPU側(cè)，因此這幾年所有人都在關(guān)注列存、向量化等技術(shù)來降低內(nèi)存使用。對于許多應用而言，盡管NVMe的延遲已經(jīng)足夠滿足要求，但是吞吐依然是很明顯的瓶頸，因此并不能完全替代內(nèi)存，這其中模型訓練、向量數(shù)據(jù)都是非常典型的場景。

CXL的出現(xiàn)很好地解決了這個問題，通過將設(shè)備掛載到PCIe總線上，CXL實現(xiàn)了設(shè)備到CPU之間的互聯(lián)，實現(xiàn)了存儲計算分離。CXL 還允許 CPU 以低延遲和高帶寬訪問連接設(shè)備上更大的內(nèi)存池，從而擴展內(nèi)存。這可以增加 AI/ML 應用程序的內(nèi)存容量和性能。

CXL利用靈活的處理器端口，可以在 PCIe 或 CXL 模式下運行。這兩種設(shè)備類別均可在 PCIe5.0 中實現(xiàn) 32 GT/s 的數(shù)據(jù)速率，在 PCIe6.0 中實現(xiàn)高達 64 GT/s 的數(shù)據(jù)速率，為 AI/ML 應用提供了額外的功能和優(yōu)勢。

為什么需要 CXL？

隨著可用數(shù)據(jù)量的增長，數(shù)據(jù)中心必須適應更復雜、要求更高的工作負載。已有數(shù)十年歷史的服務(wù)器架構(gòu)正在發(fā)生變化，使高性能計算系統(tǒng)能夠處理人工智能/機器學習應用程序產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。

這就是 CXL 的用武之地。CXL提供有效的資源共享/池來提高性能，最大限度地減少對復雜軟件的需求，并降低系統(tǒng)總成本。

CXL 為企業(yè)和數(shù)據(jù)中心運營商帶來多種優(yōu)勢，包括：

實現(xiàn)了計算和存儲資源的分離，不再局限于CPU，GPU、FPGA都可以實現(xiàn)CXL協(xié)議共享內(nèi)存資源并實現(xiàn)跟CPU的數(shù)據(jù)交互。

提供了比內(nèi)存插槽所能容納的更多的容量和帶寬。

通過 CXL 連接設(shè)備，計算資源的擴展會變的更加容易。

內(nèi)存變得更加彈性，按需分配、動態(tài)遷移都將變成可能。

允許 CPU 結(jié)合 DRAM 內(nèi)存使用額外內(nèi)存 。


CXL協(xié)議具體能干啥？

從2019年發(fā)布CXL 1.0/1.1，到2020年11月發(fā)布CXL2.0，如今Intel已經(jīng)發(fā)布了CXL 3.0，它的功能一直在發(fā)生著變化。

首先我們來看下CXL是什么？CXL要如何解決問題呢？

如今，CXL有CXL.io、CXL.memory和CXL.cache三個協(xié)議：

其中，CXL.io就是原來的PCIe，在CXL的建立連接、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、配置等過程中發(fā)揮重要作用，連接建立后，CXL.cache協(xié)議負責做cache一致性的工作，CXL.cache和CXL.memory配合起來用來做內(nèi)存擴展。

CXL.cache和CXL.memory對于latency的要求會比較高，尤其CXL.cache對延遲要求非常高，因為這關(guān)系到計算的效率。

在CXL1.0和1.1規(guī)范定義了三種Device：

Type1Device主要的應用場景是高性能計算里的網(wǎng)卡（PGAS NIC），它支持一些網(wǎng)卡的原子操作，主要利用的協(xié)議就是CXL.io和CXL.cache。

Type2Device主要指的是帶有內(nèi)存的加速器，包括GPU、FPGA等加速器，它使用的協(xié)議包括用來做鏈接的CXL.io，做cache一致性的CXL.cache，用來做內(nèi)存擴展的CXL.memory。

Type3Device主要用作內(nèi)存的Buffer，做內(nèi)存的擴展。它主要利用CXL.io和CXL.memory的協(xié)議。如圖所示，CPU除了可以用本地的DDR內(nèi)存，還可以通過CXL去擴展遠端內(nèi)存，遠端內(nèi)存可以是一個大的內(nèi)存池，這里的內(nèi)存可以共享給不同的CPU來用。

CXL2.0規(guī)范實現(xiàn)了機架級別的資源池化。

云計算強調(diào)資源可以像水和電一樣按需獲取，云計算的技術(shù)潮流下，追求不同資源之間的松耦合，為的是提高使用效率，為了提高使用效率，要實現(xiàn)的是相同資源的池化。

隨著技術(shù)的發(fā)展，未來的服務(wù)器不再是傳統(tǒng)意義上的服務(wù)器，它不再具有現(xiàn)實的形態(tài)，用戶從云服務(wù)商那里申請云主機的時候，主機的CPU是從CPU池里拿出來的，內(nèi)存是從內(nèi)存池里拿出來的，CPU池和內(nèi)存池通過CXL連起來的。

使用從資源池里拿出來資源組成邏輯上的服務(wù)器，這就是資源解耦和資源池化在未來能帶來的變化。

CXL2.0規(guī)范在資源池化方面有所強化，同時，也還增加了CXL switch功能，它可以在一個機架內(nèi)通過一套CXL交換機構(gòu)建成一個網(wǎng)絡(luò)。

2022年，新發(fā)布的CXL 3.0規(guī)范又新增很多特性。

首先，CXL 3.0 PCIe 6.0規(guī)范，它的速率從32GT提升到了64GT，在相同的鏈路時，帶寬翻倍。并且，Latency也沒有任何變化。

第二，CXL 3.0新增了對二層交換機的支持，也就是Leaf spine網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如此便可以更好地對資源進行解耦和池化，做更多的資源池，比如CPU資源池、內(nèi)存資源池、網(wǎng)卡資源池和加速器資源池等，Leaf與Spine之間通過Fabric manager軟件構(gòu)建各種拓撲和各種路由方式。

CXL 3.0不但可以更好地在一個機柜內(nèi)實現(xiàn)計算資源和存儲資源的池化和解耦，而且，可以在多個機柜之間建立更大的資源池，如此一來，對于云計算服務(wù)商的資源管理效率和成本優(yōu)化都會帶來很大幫助。

CXL的未來發(fā)展方向？

說了那么多CXL的優(yōu)勢和好處，那么CXL的未來發(fā)展方向如何呢？

首先，CXL可以用來擴展內(nèi)存的容量和帶寬，這是非常重要的一個方面。在使用服務(wù)器本地內(nèi)存的同時，還可以通過CXL利用遠端內(nèi)存，遠端內(nèi)存的成本和價格相對更低，而且，它能讓CPU和內(nèi)存之間的配比變得更靈活。

進一步發(fā)展之后，未來完全可以取消近端本地內(nèi)存，全部都使用遠端內(nèi)存，這有賴于摩爾定律的作用，讓計算芯片和存儲芯片都有更進一步的發(fā)展。

與此同時，CPU上會有比DRAM更高速的內(nèi)存，比如可能會把HBM與處理器封裝到一個die里，使得CPU有更多的高速內(nèi)存。

另外，還有一個趨勢在于遠端內(nèi)存的持久化。目前，英特爾就有傲騰持久內(nèi)存，但因為一些原因，英特爾宣布不再繼續(xù)研發(fā)了，不過，業(yè)界還有很多替代方案，比如NVDIMM，配合CXL將這些持久內(nèi)存作為遠端內(nèi)存，還能夠提供多種實用功能。

除此之外，還能利用CXL技術(shù)實現(xiàn)Computational Storage，通過CXL利用內(nèi)存資源，在存儲上做一些壓縮或者解壓縮的操作，類似可以在遠端實現(xiàn)的功能還有很多。

CXL帶來的改變從單節(jié)點開始，擴展到機架規(guī)模，而后是Tor級別，最終會影響到數(shù)據(jù)中心級別，CXL將要重構(gòu)未來的數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心利用CXL做解耦和池化，CXL技術(shù)能夠讓不同的資源從緊耦合變成松耦合，讓相同的資源變成池化資源，會形成CPU資源池、GPU資源池以及內(nèi)存資源池，各個資源池通過CXL連接。

在未來發(fā)展中，隨著CXL技術(shù)的逐步落地，IPU承擔的任務(wù)也會越來越多，既作為CXL的端點，又作為以太網(wǎng)的端點，會有很多功能和負載卸載到IPU上，架構(gòu)上會有很多變化，將會有很多新的創(chuàng)新。


寫在最后

就2024初來看，CXL標準落地仍有許多障礙需要克服。三星開發(fā)的 CXL 2.0 DRAM 與現(xiàn)有標準相比，可擴展性有限。開發(fā)與 GPU、CPU 和 DRAM 兼容的 CXL 交換設(shè)備、設(shè)計 CXL DRAM 模塊以及快速開發(fā)支持軟件等挑戰(zhàn)都是當務(wù)之急。

而建立生態(tài)系統(tǒng)也同樣重要。CXL領(lǐng)域的知名企業(yè)包括與擁有 CXL 3.0 設(shè)計資產(chǎn)和集成解決方案的全球半導體公司合作的韓國初創(chuàng)企業(yè)Panmesia，以及擁有 CXL DRAM 控制器設(shè)計技術(shù)的中國的瀾起科技，業(yè)內(nèi)人士指出："要在 CXL 3.0 中實現(xiàn)理想的可擴展性，僅僅停頓在部分技術(shù)開發(fā)上是不夠的，必須要有涵蓋整個生態(tài)系統(tǒng)的整體技術(shù)。"

好消息是，截至目前，CXL內(nèi)存擴充模組的應用環(huán)境已經(jīng)較為完善，主要的內(nèi)存廠商均已推出自家的CXL內(nèi)存擴充模組產(chǎn)品，雖然現(xiàn)在的服務(wù)器只能支持CXL 1.1標準，但基本上已經(jīng)可以連接與運行，等到下一代也就是支持CXL 2.0服務(wù)器上線后，就能更好地利用它的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)這一標準的普及。

在2024年年初，我們可以用一句話來形容，就是萬事俱備，CXL只欠應用這場東風了。

當然，關(guān)于CXL競爭依舊不可避免，有韓國業(yè)內(nèi)人士表示，“雖然公眾不知道，但三星電子和 SK 海力士都‘全力以赴’確保在 CXL 技術(shù)方面取得領(lǐng)先地位，就像他們對 HBM 所做的那樣。”

卷完了HBM，內(nèi)存廠商又瞄上了CXL，一場新的內(nèi)存戰(zhàn)爭，即將展開。