Definition Was ist CXL (Compute Express Link)?

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Compute Express Link (CXL) ist ein offener Verbindungsstandard für die schnelle und latenzarme Verbindung zwischen Host-Prozessor und Beschleunigerkarten oder Speichererweiterungen. Als physikalischer Layer dient PCI-Express, zunächst in der Version 5.0.

Mit Compute Express Link (CXL) soll ein Industriestandard für die schnelle und Cache-kohärente Kommunikation zwischen Host-Prozessoren und Beschleunigern sowie Speichererweiterungen in Servern geschaffen werden. Entwickelt wird der Standard unter dem Dach des CXL-Konsortiums. Dessen Gründungsmitglieder waren 2019 neben Intel als Initiator noch Alibaba, Cisco, DellEMC, Facebook (heute Meta), Google, HPE, Huawei und Microsoft. 2022 kamen AMD, Nvidia, Samsung und Xilinx als Mitglieder des Direktoriums hinzu. Sie waren zuvor am konkurrierenden Gen-Z-Konsortium beteiligt, dessen Spezifikationen und weitere Assets Ende 2021 an den CXL-Zusammenschluss transferiert wurden. Denselben Schritt unternahmen im August 2022 die Firmen hinter dem OpenCAPI-Standard.

Die Spezifikation 1.0 von CLX wurde März 2019 veröffentlicht, gleich gefolgt von CXL 1.1 im Juni 2019. Im November 2020 wurde CXL 2.0 veröffentlicht und im August 2022 die Version 3.0 der Spezifikation. Alle CXL-Spezifikationen sind abwärtskompatibel.

Die Technik von CXL

CXL nutzt PCI Express als physikalischen Layer. Bei CLX 1.1 und 2.0 ist es PCIe 5.0 mit 32 GT/s, CXL 3.0 setzt PCIe 6.0 voraus. Der Standard definiert drei Protokolle:

• CXL.io basiert auf dem PCIe-Protokoll mit einigen Erweiterungen. Es wird für Geräteerkennung, Konfiguration, Initialisierung, I/O-Virtualisierung und DMA genutzt.

• CXL.cache ermöglicht einem Gerät wie etwa einer Smart-NIC-Karte oder einem Beschleuniger den Zugriff auf und das Puffern von Host-Speicher mit niedriger Latenz. Die Host-CPU sorgt für die Kohärenz der Daten im Cache.

• CXL.mem ermöglicht der Host-CPU den Zugriff auf den Speicher eines CXL-Geräts.

CXL wurde für die Unterstützung von drei verschiedenen Gerätetypen entworfen:

• Typ-1-Geräte sind Beschleuniger ohne eigenen Speicher wie etwa SmartNICs. Sie nutzen CXL.io und CXL.cache.

• Typ-2-Geräte sind Beschleuniger wie GPUs, FPGAs oder ASICs mit eigenem Speicher (GDDR oder HBM). Hier werden CXL.io, CXL.mem und CXL.cache genutzt, um der Karte den Zugriff auf den Host-Speicher und dem Host-Prozessor den Zugriff auf den Speicher des Beschleunigers zu ermöglichen.

• Typ-3-Geräte sind Speichererweiterungen mit DRAM oder Flash-Memory in Form von Karten mit PCI-Express-Schnittstelle. Sie ermöglichen ein kostengünstiges Vergrößern des Hauptspeichers mittels CXL.io und CXL.mem.

Mit CXL 2.0 wird die Unterstützung für Switching und Pooling sowie Fabric-Management ergänzt. Über einen CXL-Switch kann nun ein Pool von CXL-Geräten geschaffen werden, auf den unterschiedliche Hosts zugreifen können.

CXL 3.0 baut auf PCIe 6.0 auf und verdoppelt damit die Datenrate auf 64 GT/s. Zudem bringt die Spezifikation Multi-Level-Switching, ein verbessertes Memory-Pooling und die Unterstützung für eine Composable Disaggregated Infrastructure.

Die ersten CPUs mit CXL-Unterstützung (CXL 1.1) sind die Epyc-7000-Serie von AMD (Genoa) und Intels Sapphire Rapids. Erweiterungskarten für CLX bietet Intel in Form eines Agilex-FPGA-Beschleunigers und der GPU Max (Ponte Vecchio) an. Samsung hat einen DDR5-Memory-Expander präsentiert.

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