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    CXL 支援 CPU 與 GPU 共享記憶體 Intel Xe 顯示卡或勝 NVIDIA NVLink

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    呀粗
    覺得科技很有趣,努力增補電腦知識中。喜歡儲設計精美的電腦產品包裝盒。

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    Intel 最近舉行了 Interconnect Day 2019 ,當中詳細介紹了處理器與處理器之間的 Compute Express Link(CXL)超高速互聯新標準。雖然現階段構思僅供數據中心的伺服器使用,但如果發展理想的話,業界推斷有機會應用於未來的 Intel Xe 架構獨立顯示卡,使多張顯示卡(Multi-GPU)可真正共用到記憶體資源,或許會發展出比 NVIDIA SLI 或 AMD CrossFire 更先進的 Multi-GPU 互聯技術,於 CPU 與 GPU 的互聯甚或媲美 NVIDIA NVLink。

    就好比數據中心的伺服器和 Switch 用 LAN 線或光纖線互聯,CXL 將會是 CPU 與 GPU 的新一代互聯技術。Source:Wccftech
    就好比數據中心的伺服器和 Switch 用 LAN 線或光纖線互聯,CXL 將會是 CPU 與 GPU 的新一代互聯技術。Source:Wccftech

    CXL 技術簡介

    取代 PCIe

    先講回 Intel CXL 標準的原意——作為 CPU 與 Accelerator 加速器(如 FPGA / GPU 顯示卡)之間的互聯通信。一直以來, CPU 都是透過主機板上的 PCIe 插槽及 PCIe 協議( Protocol )與顯示卡溝通,但當 Intel 聯合阿里巴巴、 Cisco 、 Dell EMC 、 Facebook 、 Google 、 HPE 、華為及微軟組成強大陣容的聯盟後,就發表了 CXL 的開放標準,以解決目前 PCIe 協議於 CPU 與顯示卡之間的高延遲( Latency )及頻寬不足的問題。

    目前 CPU 與 GPU 之間是透過 PCIe 互聯。Source:NVIDIA
    目前 CPU 與 GPU 之間是透過 PCIe 互聯。Source:NVIDIA

    Intel 與多個廠商組成聯盟,使 CXL 技術具備極高兼容性。Source:Anandtech
    Intel 與多個廠商組成聯盟,使 CXL 技術具備極高兼容性。Source:Anandtech

    兼容性高

    為兼容各品牌的各種產品, CXL 1.0 的物理層面是基於 PCIe 5.0 ,所以未來的 Server CPU 仍是置於主機板 CPU Socket,顯示卡 / 繪圖卡也是插在 PCIe 插槽上,不過 CPU 與 GPU 並非以 PCIe 協議進行溝通,而是採用新的 CXL 協議,因此 PCIe 5.0 可理解為純粹提供實體插槽。傳聞 Intel 會於 2020 年推出 Xe 系列獨立顯示卡, PCIe 5.0 可能會在差不多時間應用於伺服器,或者再晚一、兩年, Intel 預計 CXL 技術會於 PCIe 6.0 年代被廣泛應用。

    CXL 1.0 的物理層是基於 PCIe 5.0,所以顯示卡也是插在 PCIe 槽。Source:Anandtech
    CXL 1.0 的物理層是基於 PCIe 5.0,所以顯示卡也是插在 PCIe 槽。Source:Anandtech

    當顯示卡插進 PCIe 槽後,會自動協商用 PCIe 或 CXL Protocol 進行傳輸。Source:Wccftech
    當顯示卡插進 PCIe 槽後,會自動協商用 PCIe 或 CXL Protocol 進行傳輸。Source:Wccftech

    提升 CPU 與 GPU 的互聯效率

    CXL 強調低延遲,允許 CPU 與 GPU 之間繞過 PCIe 協議,用 CXL 協議來共用、互取對方的記憶體資源,形成一個「連貫」的記憶體池。當中可細分為 3 個協議:

    CXL.io :類似目前的 PCIe 輸入輸出 I/O,取代 PCIe 協議
    CXL.cache :容許加速器 /  GPU 要求存取 CPU 的快取( Cache )
    CXL.memory :反方向,容許 CPU 要求存取加速器 /  GPU 的記憶體,例如是 HBM2 等

    透過 CXL 協議, CPU 與 GPU 之間就形同連成單一個龐大的堆疊記憶體池( Stacked Memory ), CPU Cache 和 GPU HBM2 記憶體猶如放在一起,有效降低兩者之間的延遲,故此能大幅提升數據運算效率,令 AI 人工智能、機器學習、媒體服務、高效能運算( HPC )及雲端服務變得非常快速。

    CXL 使 CPU Cache 和 GPU 記憶體能夠共用。Source:Wccftech
    CXL 使 CPU Cache 和 GPU 記憶體能夠共用。Source:Wccftech

    CXL 的應用,本文集中講述中間一格。
    CXL 的應用,本文集中講述中間一格。Source:Wccftech

    CXL 或應用於 Intel Xe 家用顯示卡

    那為甚麼外媒 Wccftech 的編輯會認為 CXL 可推動 Intel Xe 架構多路顯示卡的發展,甚至有機會比 NVIDIA SLI 或 AMD CrossFire 先進呢?雖然目前 CXL 都只是指 Server CPU 及 GPU 之間的互聯, Intel 亦從沒說過 Xe 顯示卡會否與 CXL 有關,甚至也沒怎透露過更多眉目,但既然 CXL 可令 CPU 和 GPU 共用記憶體,也應該可在 GPU 與 GPU 之間上實現。

    目前 Intel 沒透露太多資料,只是邀請了很多設計師構想 Xe 顯示卡的外觀。本文的 Xe 卡圖片都是來自 Intel Odyssey「設計智囊團」,非落實的設計。
    目前 Intel 沒透露太多資料,只是邀請了很多設計師構想 Xe 顯示卡的外觀。本文的 Xe 卡圖片都是來自 Intel Odyssey「設計智囊團」,非落實的設計。

    過去 SLI 的限制

    Pascal 年代的 GeForce GTX 10 系列或更早前的遊戲顯示卡,所用的 NVIDIA SLI 多路顯示卡技術,並不太有效把多張顯示卡的記憶體「加起來」, API 或應用程式可能將之視為單一 GPU ,令工作分配未必平均,各張顯示卡需要不斷「同步」大家的資料,但 SLI 互聯技術的延遲又高、頻寬不夠,導致較少遊戲及應用程式能有效發輝 Multi-GPU 的功用。

    以前 NVIDIA GeForce 顯示卡用 SLI 橋接器(左),到 RTX 2080 及 RTX 2080 Ti 就轉用 NVLINK(右)。
    以前 NVIDIA GeForce 顯示卡用 SLI 橋接器(左),到 RTX 2080 及 RTX 2080 Ti 就轉用 NVLINK(右)。

    SLI 和 NVLink 是種 GPU 與 GPU 之間的互聯技術。
    SLI 和 NVLink 是種 GPU 與 GPU 之間的互聯技術

    NVLink 早已做到 CXL 功能

    不過上述 CXL 的功能,其實某程度上,NVIDIA 早於 2014 年的 NVLink 已經實現到。 NVLink 初期是應用於 Pascal 架構的 Tesla 顯示卡,之後在 Turing 架構的 GeForce RTX 2080 及 RTX 2080 Ti 打進家用市場。 NVLink 是種取代 SLI 的 Multi-GPU 互聯技術,能把各 GPU 的記憶體加起來(Stacked Memory),因而大幅提升頻寬及運算效率。但除了做 GPU <-> GPU 之間的互聯外,其實 NVLink 亦能於 GPU <-> CPU 之間、或 Multi-GPU <-> CPU 之間做到 Stacked Memory,使 CPU 與 GPU 的記憶體能夠共享,即是上述 CXL 的功能。只不過支援 NVLink 的 CPU 實在少之又少,最著名的是 IBM 的 POWER8 處理器。即使是 NVIDIA 的 DGX-2 超級電腦,都未能發揮到 NVLINK CPU <-> GPU 互聯優勢,因為內裡搭載的是 Intel Xeon CPU,並不支援 NVLink 。

    NVLink 可應用於 GPU 與 CPU 之間的互聯。Source:NVIDIA
    NVLink 可應用於 GPU 與 CPU 之間的互聯。Source:NVIDIA

    NVIDIA 自家的 DGX 超級電腦搭載 Intel Xeon CPU,所以 Tesla P100 與 CPU 之間並無 NVLink 連接。Source:WikiChip
    NVIDIA 自家的 DGX 超級電腦搭載 Intel Xeon CPU ,所以 Tesla P100 與 CPU 之間並無 NVLink 連接。Source:WikiChip

    CXL 比 NVLink 優勝之處

    無可置疑,Intel 是市佔率最高的 CPU 品牌,若要在 CPU <-> GPU 互聯技術比武, CXL 絕對比 NVIDIA NVLink 有更大優勢,兼容的產品亦多很多。不過 CXL 能否在家用市場大放異彩,就很難說準,始終目前都很少遊戲開發者會為 SLI / NVLink 一小撮人加入 Multi-GPU 技術,更遑論購買多張 Intel Xe 顯示卡的客戶群, CXL 的 CPU <-> GPU 互聯能否為遊戲帶來突破性影響,亦是未知之數。一切還是待 Intel 發表 Xe 顯示卡才下定論吧。

    Source:WccftechNVIDIA NVLink BlogAnandtechIBM

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