關于Gen-Z的性能和原理分析

我們所知道的計算機系統(tǒng)是建立在網絡和存儲速度較慢，而CPU內存的反應速度較快基礎上的。多年來，設計人員為這些組件開發(fā)了相應的語言和接口，需要多層軟件將內存命令轉換為網絡和存儲命令，反之亦然。

到目前為止，CPU內存對相對于網絡和存儲I / O的速度使得這些軟件層對系統(tǒng)性能的影響很小。

然而，隨著摩爾定律的發(fā)展，網絡和存儲技術正迅速趕上CPU內存速度，現在幾代軟件層發(fā)揮的作用變得越來越重要。

在本文中，我們將Gen-Z結構視為消除現有系統(tǒng)瓶頸的解決方案，并通過統(tǒng)一通信路徑并使用CPU內存加載/存儲語言簡化軟件來顯著提高系統(tǒng)效率和性能。

邁向新的計算架構

如圖1所示，計算架構正在迅速發(fā)展為異構系統(tǒng)，包括多種計算單元（CPU / SoC，GPU，FPGA）和不同類型的內存/存儲元件（DRAM，存儲器），在本地互連在一起或遠程通信。

此類體系結構應通過允許添加或刪除資源，或在更新版本/技術可用時替換此類資源來提供更好的靈活性和可伸縮性。

圖1 - 新的計算架構

以CPU為中心的方法

利用當今以CPU內存為中心的方法，圖1中的系統(tǒng)使用各種硅組件、接口和軟件層實現，如圖2所示。

圖2 - 以CPU內存為中心的系統(tǒng)架構

在計算系統(tǒng)的這種特定實現中，PCI Express被用來連接CPU內存、GPU / FPGA內存和高性能/低延遲存儲器。SSD陣列通過主機總線適配器或NIC連接，使用光纖通道、Infiniband、NVMe-oF或以太網作為傳輸接口。

其中一個CPU的DRAM中的數據必須在到達SSD陣列之前遍歷4個接口域，隨后會產生相關的軟件開銷和緩沖區(qū)復制操作。

這里，可擴展性是一個問題：升級到下一代SCM可能需要升級/更換相關的CPU / SoC。同樣，擴展SSD陣列可能需要HBA / NIC下游的結構交換機。

內存語義方法

Gen-Z是一種內存語義結構，它將CPU內存字節(jié)可尋址的加載/存儲模型擴展到整個系統(tǒng)。事實證明，加載/存儲模型是CPU與內存子系統(tǒng)通信的最快、最有效的方法。為了啟用此模型，Gen-Z將計算與介質分離，將介質特定功能與其正確所屬的介質放在一起。圖3說明了這個原理。

圖3 - 從CPU內存接口到與介質無關的結構

這一重要變化允許系統(tǒng)中的每個計算實體都是介質不可知和分解的。使用Gen-Z內存語義結構，可以使用交換拓撲實現圖1中的系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 - 使用Gen-Z的系統(tǒng)架構

通過這種方法，所有設備彼此對等并通過簡化的、高性能、低延遲的通信路徑說出相同的加載/存儲語言，而不會導致當前總線體系結構的轉換懲罰和軟件開銷。

Gen-Z協議定義了大量的內存語義操作（通過OpCodes / OpClasses），可以實現高效的數據傳輸，以卸載計算資源，優(yōu)化互連使用并降低軟件開銷。在所示的示例中，可以使用適當的OpCode / OpClass在一次加載和一次存儲操作中將來自DRAM的數據復制到SSD陣列。

在可擴展性方面，系統(tǒng)可以通過獨立升級，添加或刪除計算，內存或存儲元素而不影響功能，為每個工作負載和環(huán)境精確定制。

關于Gen-Z

Gen-Z架構專注于提供高效率、高帶寬和低延遲。

通過利用經過驗證的裝載/存儲模型實現高效率。簡化了Gen-Z硬件接口層，從而最大限度地減少了對軟件層的需求。消除這種復雜性、開銷和誘導系統(tǒng)延遲可以顯著提高系統(tǒng)性能。

高帶寬以兩種方式實現。Gen-Z支持非對稱通信路徑，這意味著可以將更多通道專用于讀取路徑而不是寫入路徑，反之亦然。此外，Gen-Z支持多種信令速率，包括16,25,32,56和112 GT / s?？偠灾@些功能將使Gen-Z能夠跟上行業(yè)不斷增長的速度需求，同時還允許將Gen-Z通信路徑調整為特定的工作負載流量模式。

通過減少軟件堆棧來實現低延遲。與傳統(tǒng)的服務器存儲和大量分層的網絡堆棧不同，Gen-Z采用輕量級軟件接口，直接對硬件進行內存讀寫操作。

芯片設計師需要的Gen-Z資源

希望成功開發(fā)Gen-Z產品的芯片設計師需要一些關鍵資源，具體如下：

Gen-Z控制器IP：SoC、交換機、存儲介質控制器和其他類型的Gen-Z設備都需要可配置的高質量控制器IP才能連接到Gen-Z結構。在撰寫本文時，兩家IP供應商，Gen-Z聯盟的成員已經宣布了Gen-Z控制器IP的當前和未來可用性。

Gen-Z PHY IP：初始Gen-Z實施將專注于經過驗證的、部署的NRZ PHY信令技術和速度，利用16和32 GT / s的PCIe PHY和25 GT / s的IEEE802.3 PHY的可用性。后期部署可能會利用先進的PAM4 PHY信令速率，如56和112 GT / s。

Gen-Z驗證IP：全面驗證IP（VIP）工具的可用性對于保證集成在SoC之前和之后Gen-Z IP的質量至關重要。在撰寫本文時，兩家供應商已宣布為Gen-Z提供驗證IP。

FPGA原型開發(fā)板：FPGA原型開發(fā)是確保系統(tǒng)級功能和互操作性的必要步驟。目前的FPGA技術允許Gen-Z原型設計高達56 GT / s（PAM4）和32 GT / s（NRZ）。還開發(fā)了連接器，以通過銅和光學連接以這些速率實現多通道Gen-Z信令。FPGA原型開發(fā)板可從多家供應商處獲得，預計基于FPGA技術的Gen-Z特定原型開發(fā)平臺即將推出。

Gen-Z聯盟包括來自各個技術領域的成員，這對于構建產品生態(tài)系統(tǒng)至關重要，其中所有必需的硬件和軟件組件彼此互操作。

結語

Gen-Z為計算機行業(yè)提供了一個獨特的機會，可以利用現有的CPU內存重新定義現代計算并克服當前的挑戰(zhàn)。隨著新公司繼續(xù)加入不斷發(fā)展的Gen-Z開放式生態(tài)系統(tǒng)，構建模塊、產品和服務的可用性自然會增加，并使新設計和產品能夠應對新的工作負載和新出現的挑戰(zhàn)。

Gen-Z為創(chuàng)新的高性能、低延遲解決方案提供了機會，這些解決方案將是開放、簡單且經濟、高效的。