利用Gen-Z实现内存共享和低延迟

shuszhao

不要与人口学中的千禧世代搞混了，Gen-Z是一种语义存储（memory-semantic）体系架构，它已经发展到了一定程度，需要更好地定义来适应更大规模的规范与标准，例如在数据中心越来越受欢迎的成熟NVM Express和新兴Compute Express Link（CXL）协议。
Gen-Z使用语义存储通信，以最小开销在不同组件的内存之间传送数据，它不仅使存储器件互连，也使处理器和加速器互连，加速器可以减轻CPU的处理压力，越来越受到存储和人工智能等应用的青睐。Gen-Z在资源供应和共享方面更灵活、响应更快，当应用所需资源发生变化时，可以重新配置系统。
与许多体系架构一样，在支持和增强现有系统方面，Gen-Z会尽量使其达到平衡，同时还可以创建新的体系架构。Gen-Z架构强调要弄清谁在做什么。研究机构Coughlin and Associates的总裁Thomas Coughlin说：“这个问题令人困扰，很多事情他们可能都在做重复工作，如果能互通有无，搞清谁在做什么和如何做，并且一起去做，那就太好了。”

Gen-Z之所以能成为主流，一个重要原因就是可以支持不同类型标准化设备的互操作性，其他体系架构（如CXL）的支持者也认同协作的重要性。
“人们采用不同的方式创建网络及包含各种要素（如联网、存储和计算，以及加速器）的架构，我们认为所有这些方式之间的关系都需要讨论清楚。”Coughlin说，“如何使所有这一切协同工作？如何创建最佳的网络和架构，使它们尽可能以有效的方式在本地和远程工作？对NVMe over Fabric与Gen-Z进行区分只是其中的一个例子。”

                               
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图1：Gen-Z架构的开发重点是通过下一代器件（如持久性内存）的透明集成实现持续的性能提升，并通过组合式存储器和加速器来充分利用DRAM。（图片来源：Gen-Z联盟）

Gen-Z联盟声称，Gen-Z本身的主要技术优势是能够将DRAM和非易失性存储器及未来的持久性存储技术结合起来，它还使用一种高带宽、低延迟和高效的协议来简化软硬件设计，降低了解决方案的成本和复杂性。与任何新的体系架构一样，Gen-Z的目标是在不降低系统性能的情况下可以灵活扩展，同时保持设计兼容性，以集成到现有平台并与任何必需的软件兼容。
“为实现这一架构，大家必须合作，因此Gen-Z联盟与OpenFabrics联盟（OFA）签署了合作意向书（MOU）。”Gen-Z联盟主席Paul Grun表示，合作对双方都有利。Gen-Z需要在整个架构拓扑上实现类似存储的语义，帮助Gen-Z实现分布式存储架构；OFA的目标则是加速OFA的发展并推进新结构的采用，以形成良好的网络生态系统。“很明显，Gen-Z是下一代架构。”他接着说，但OFA不是标准机构，而是开发者。“我们为他们提供所需的软件来加速架构的开发和采用。”
架构所采用的先进软件可以是任何适合当前和未来高性能计算、云服务和企业级数据中心的API及相关软件，在需要高效联网、超低延迟、更快的存储连接、可扩展并行计算和云服务的场景中使用。Grun说，OFA与具体的架构和供应商无关，它主要关注作为OpenFabrics接口（OFI）一部分的用户模式API（称为libfabricAPI），并对需要公共管理框架的组合式异构网络进行网络管理。
Grun提到，最近宣布的合作意向书拟定，OFA将为Gen-Z提供libfabric程序，使支持libfabric的任何应用或中间件都能轻松使用Gen-Z功能，OFA同时还将研究对libfabric API进行增强的可能性。Gen-Z将是首个用于管理组合式网络的解决方案，这一方案使用DMTF的Redfish标准，由管理框架、“抽象”的架构管理器和特定架构的插件组成。

                               
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图2：Gen-Z可以集成到处理器中，而不会影响传统的存储控制器。例如，DDR存储控制器仍将独立为处理器的一部分地址空间提供服务，Gen-Z则将独立为另一部分服务。（图片来源：Gen-Z联盟）

Bowman说，有一些器件，如存储器、高速GPU等，在任何现有的架构上都不能很好地工作，而是需要适合自己的高速率、低延迟安全架构，Gen-Z则反映了这些器件对行业标准架构的需求。他说：“我们发现DDR接口的引脚太多了，希望能够实现一些器件民主，避免所有事务都必须由主机CPU处理。”
Bowman说，作为一种语义存储协议，Gen-Z可通过GPU、AI器件或FPGA等加速器（而非CPU）简单地读写存储空间并获取信息，同时还可以访问本地存储器和Gen-Z上的存储器。“这样，不同的器件就可以共享内存——内存可以分配给器件，也可以由多个器件共享。”
Gen-Z联盟称Gen-Z架构在连接器件和共享内存时表现出极低的延迟，但是速率不如直连到内存快。“从我们的一个演示可以看出，与Gen-Z连接的存储器件延迟降低了5倍，可与一些最快的NVMe器件通信。”他说，目前有两种方法连接到Gen-Z。一种方法是在端点设备中使用本机接口，另一种方法是采用直连到Gen-Z接口的FPGA。
当然，Gen-Z不仅需要适应OFA的发展，也要配合其他架构（如刚起步的CXL和成熟的NVMe over Fabric）的进步。但是正如Grun所指出的，由一家公司来开发其中任何一种架构的成本都太高。如同不应再将存储器和联网分开考虑，所有这些架构也都需要关联在一起。“我认为它就像一张拥有很多重要织线的大挂毯。”

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Gen-Z之所以能成为主流，一个重要原因就是可以支持不同类型标准化设备的互操作性

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