CXL崛起：2024启航，2025年开启新时代

在2019年，Intel主导联合多家阿里巴巴、Facebook(也就是改名后Meta)、谷歌、Dell、华为、思科、微软、HPE最初的八巨头，发布了新的互联协议CXL，全称Comupte Express Link。由于在服务器领域享有绝对领导地位，Intel一经号令，遍得到万众呼应。特别是另外两家CPU巨头AMD/ARM和GPU一哥NVDIA的加入，让CXL阵营更加全面强大，为下一步的生态普及打下了坚实的基础。

CXL诞生的基础是为了解决CPU内存和附加设备内存的互联，实现资源共享，得到最大的性能提升。随着数据大规模超算、AI、5G、云技术、边缘计算、自动驾驶等蓬勃发展，未来的数据存在指数级的增长且要求实时计算。
 

根据有关机构的测算，从2020到2025年，用于AI计算的服务器的数量将成长2倍。而AI计算的服务器对内存和存储的需求更加的强劲，对计算的性能也有更高的要求。

然后随着CPU core的不断增加，单core享用的内存带宽却在不断的下降，这对计算绝对是巨大的拖后腿，这就必须要有新的计算互联技术来解决这个头疼的问题，CXL也就顺势而生。

CXL 2.0是基于PCIe 5.0基础上定义，允许替代协议使用物理PCIe层的PCIe 5.0特性。当CXL加速器或者扩展卡、PCIE设备同时插入主机端口时，会优先pcie协议1.0速率协商，当双方确认支持CXL后，再激活CXL互联协议。

CXL协议包含了三种协议，分别是CXL.io、CXL.cache、CXL.memory.

• CXL.io:是基础协议，基本跟pcie 5.0协议等同。用于初始化、链接、枚举、注册，CXL设备必须要支持CXL.io.

• CXL.cache:定义CPU和设备之间互联，允许CXL设备低延迟访问主机缓存数据。

• CXL.memory:用于CPU直接访问CXL设备的内存的协议

这三种协议，CXL.io是必须的，CXL.cache和CXL.memory可以自由组合使用，不强制。根据三种协议的组合形式，CXL协议支持的设备类型主要分为三类：

• Type1: 智能网卡NIC等缺少本地内存的加速设备，可以在同CXL.io和CXL.cache直接访问加载在主机内存的数据，减少访问的延迟。

• Typ2: GPU、FPGA等计算设备都配置了内存，可以使用CXL.io、CXL.cache、CXL.memory三个协议组合，CPU和计算设备之间可以相互快速访问，同样可以降低访问的延迟。

• Type3: 内存扩展设备，利用CXL.io和CXL.memory进行内存扩展，增加内存带宽，解绑CPU单core内存带宽不足的问题。

从2019年的CXL 1.0，CXL协议目前已经发展了CXL 3.0。目前的CXL 1.1（PCIe 5.0）支持直接内存扩展器连接。CXL 2.0（PCIe 5.0）将引入CXL交换机，扩展内存池功能。同时，CXL 3.0利用PCIe 6.0将启用级联交换机和点对点连接，促进完整的服务器解聚和可组合性。CXL标准包括三种协议（CXL.io、CXL.cache和CXL.mem），支持三种不同的CXL设备类型。这三种CXL设备类型，目前来看，Type3内存扩展方案的发展最迅速，也是带给数据中心和内存厂商最大的机遇。

根据Yole机构分析数据显示，CXL在2024年开始爬坡，在2025年将会大规模上量，也就是代表着CXL的时代从2025年开始正式到来。

服务器目前正面临着内存性能挑战，而CXL部署提供了短期和长期的解决方案。从CXL 1.1开始，AI云服务器可以从内存扩展中受益，而CXL 3.0有可能为GPU、DPU、FPGA和ASIC等加速器提供直接访问内存池的权限。预计云服务提供商和超大规模企业将对由CXL 2.0发起的内存池和可组合服务器表现出浓厚的兴趣。同时，数据库服务器将利用运行更大的内存数据库以加快分析速度的能力。

数据中心工作负载变得越来越复杂，需要越来越多的计算能力和内存来处理不断增长的数据量。内存是一种非常昂贵的资源，2022年占服务器价值的平均比例约为30%，预计到2025年将超过40%。为了解决这些问题，已经提出了新型内存处理器接口，旨在优化资源的使用和加速数据中心工作负载的执行。在这种动态背景下，CXL已经崛起并获得了业界的广泛支持。

三星和海力士目前都发布了CXL内存扩展方案，Marvell也为了CXL收购了CXL技术领先开发商Tanzanite，国内厂商澜起科技在今、去年也发布全球首款CXL内存扩展控制器芯片(MXC), 三星的CXL 2.0产品也是采用的澜起CXL内存扩展控制器。

三星的CXL产品方案-举例：

采用E3.S接口，也是数据中心为了的趋势，基于CXL2.0协议，CXL link带宽x8，容量512GB，基于DDR5设计，最大带宽达到32GB/s.
 

三星测试场景中，用DDR+CXL纵向扩展 vs DDR*3横向扩展进行性能比对，结果发现，在4K chunk size场景下，性能提升接近3倍，也可以看出CXL带来的巨大收益。

同时，三星还是提出了基于CXL协议的SSD。

基于这种架构，IO可以更小力度的访问，结合DRAM聚合，实现更大的IO性能。海力士也提出了类似的架构，实现Byte字节粒度的访问。

海力士CXL产品方案-举例：

也是基于DDR5，但是容量没有三星的大，只有96GB. 同样基于CXL2.0 over PCIe Gen5 x8, 随机带宽最大30GB/s.

未来CXL将是巨大的机遇，CXL扩展expander、内存池化、加速计算、CXL switch都将发挥各自的能量，打造强大的CXL生态，造福互联世界，让我们共同期待！