CCIX緩存一致性互聯(lián)技術(shù)概述
緩存一致性的加速器互聯(lián)，即 CCIX?（讀成“see 6”）是一種能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上器件通過(guò)緩存一致性的方式來(lái)共享數(shù)據(jù)的片間互聯(lián)。機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用正深刻的變革數(shù)據(jù)處理的方式。通過(guò)片外加速器的定制，傳統(tǒng)處理器從計(jì)算到網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用都得到了增強(qiáng)；這推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)整體向加速器和異構(gòu)計(jì)算發(fā)展。對(duì)目前很多計(jì)算任務(wù)，加速器能夠比單獨(dú)的處理器速度更 快、功耗更低的完成所需功能。
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今天，高科技的版圖是由新的、大規(guī)模的消費(fèi)者服務(wù)的創(chuàng)新構(gòu)成的，例如 5G、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和自動(dòng)駕駛。機(jī)器學(xué) 習(xí)和人工智能應(yīng)用根本性的改變了消費(fèi)者行為。這又推進(jìn)了平臺(tái)和解決方案不斷演進(jìn)，通過(guò)高效、可擴(kuò)展的方式來(lái)支持這些新應(yīng)用。僅以中央處理器為中心的服務(wù)器架構(gòu)的解決方案無(wú)法滿足這些應(yīng)用的性能需求。因此需要基于高效的異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的解決方案，包含加速器例如圖形處理單元（GPU）、可編程邏 輯陣列（FGPA）、智能網(wǎng)卡（NIC）和很多其它領(lǐng)域特定的可編程器件。PCI Express? (PCIe?) 是目前最常見(jiàn)的，處理器和片外加速器間傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議。盡管 PCIe 協(xié)議作為輸入輸出(IO)協(xié)議很有效，但不能支持 IO 設(shè)備成為對(duì)等計(jì)算模型中的一 個(gè)無(wú)縫組件。隨著片外加速器的應(yīng)用越來(lái)越多，高性能、低延時(shí)和易用性成 為下一代互聯(lián)的首要訴求。
高性能、低延時(shí)的片間互聯(lián)接口是任何基于片外加速器的系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。產(chǎn)業(yè)成功的很重要的一點(diǎn)是，處理器、加速器和其它外設(shè)的廠商能獲得一個(gè)非私有的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證片間的無(wú)縫傳輸。這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)烈訴求促成了 CCIX 聯(lián)盟的成立，CCIX聯(lián)盟由一群有共同理念、希望解決片外加速器互聯(lián)需求的公司組成。通過(guò)變革加速器的內(nèi)存和數(shù)據(jù)移動(dòng)的方式，這個(gè)新的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)使能下一代平臺(tái)和解決方案起到關(guān)鍵作用。
CCIX 采用兩種機(jī)制來(lái)提高性能、降低延時(shí)。第一種機(jī)制是采用緩存一致性，自動(dòng)保持處理器和加速器的緩存一致，提升易用性、降低延時(shí)。第二種機(jī)制是提高 CCIX 鏈接的原始帶寬。最高鏈接速率升至 25GT/s (千兆傳輸/秒)。CCIX 規(guī)范也規(guī)定了多個(gè)CCIX 端口如何聚合提供超過(guò)單個(gè)接口的性能，匹配加速器和內(nèi)存擴(kuò)展帶寬。
多處理器系統(tǒng)已經(jīng)部署了確保不同處理器緩存一致性的技術(shù)。將現(xiàn)有緩存一致性互聯(lián)的基本原理擴(kuò)展到加速器，應(yīng)用數(shù)據(jù)就可以在處理器緩存和加速器緩存間自主傳遞，不需要軟件驅(qū)動(dòng)參與數(shù)據(jù)傳遞。除了緩存，CCIX 還支持操作系統(tǒng)分頁(yè)的內(nèi)存（系統(tǒng)內(nèi)存）擴(kuò)展包含 PCIe 設(shè)備帶的內(nèi)存。CCIX 的數(shù)據(jù)共享模型是基于以虛擬地址（VA）尋址的共享內(nèi)存。
處理器和加速器的緩存和/或內(nèi)存通過(guò) CCIX協(xié)議自動(dòng)更新。因?yàn)閿?shù)據(jù)通過(guò) CCIX 協(xié)議自動(dòng)同步，只需要傳遞數(shù)據(jù)指針而不需依賴復(fù)雜的直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)驅(qū)動(dòng)。自動(dòng)同步能減小數(shù)據(jù)延時(shí)，提升應(yīng)用性能。同時(shí)減小了軟件開發(fā)者的負(fù)擔(dān)，使他們聚焦于應(yīng)用而不是加速器和主處理器間數(shù)據(jù)傳遞的底層機(jī)制。
CCIX 架構(gòu)是從 PCI Express 基本架構(gòu)擴(kuò)展的分層架構(gòu)。一般來(lái)看，CCIX 可看作兩個(gè)主要規(guī)范，包含各層級(jí)協(xié)議。CCIX 協(xié)議規(guī)范包含 CCIX 協(xié)議層和 CCIX 鏈接層。這些層規(guī)定緩存一致性協(xié)議、報(bào)文發(fā)送、流控和 CCIX 傳輸部分的協(xié)議。CCIX 傳輸規(guī)范包含 CCIX 和 PCIe 事務(wù)層，PCIe 數(shù)據(jù)鏈路層，和 CCIX 物理層。這些層負(fù)責(zé)器件間的物理連接，包括速率和帶寬協(xié)商，傳輸包錯(cuò)誤檢測(cè)和重試，和初始包編碼協(xié)議。
CCIX 棧的最上層是 CCIX 協(xié)議層。這一層負(fù)責(zé)一致性協(xié)議，包括內(nèi)存的讀、寫流。這一層提供了片上一致性協(xié)議（例如 Arm AMBA CHI）的簡(jiǎn)單映射。這一層定義的緩存狀態(tài)使得硬件能夠確定內(nèi)存的狀態(tài)。比如硬件可以確定數(shù)據(jù)是否唯一且未被修改（和內(nèi)存一致），或是共享且被修改的（和內(nèi)存不一致）。
CCIX 協(xié)議層之下是 CCIX 鏈接層。這一層負(fù)責(zé) CCIX 協(xié)議層定義的代理（agent）之間消息的傳輸格式。目前 CCIX 鏈接層是構(gòu)建在 PCIe 之上，但是基于分層架構(gòu)，CCIX 將來(lái)可以映射到不同的傳輸層。此外，這一層負(fù)責(zé)端口聚合，使得多個(gè)端口能夠聚合在一起提升帶寬。
CCIX 和 PCIe 事務(wù)層負(fù)責(zé)處理它們各自的包。PCIe 協(xié)議支持部署虛擬通道，使得不同數(shù)據(jù)流通過(guò)一個(gè) PCIe 鏈路。將 CCIX 和 PCIe 傳輸流各分到一個(gè)虛擬通道，CCIX 和PCIe 傳輸可以共享相同的鏈路。CCIX 能夠傳輸標(biāo)準(zhǔn)的 PCIe 包，或經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 CCIX 包。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 CCIX 包刪減了 PCIe 包里的幾個(gè)不必要的字段。傳輸標(biāo)準(zhǔn)的 PCIe 包時(shí)可以采用現(xiàn)有的 PCIe 交換器。傳輸經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 CCIX 包，能降低 PCIe 的額外開銷，使得一致性傳輸?shù)陌?、更高效?/span>
PCIe 數(shù)據(jù)鏈路層執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路層的所有正常功能。這些功能包括 CRC 錯(cuò)誤校驗(yàn)、包確認(rèn)和超時(shí)檢查，和信用初始化及交換。
CCIX/PCIe 物理層的基礎(chǔ)是 PCIe 物理層。CCIX 擴(kuò)展了物理層來(lái)支持 25GT/S（千兆傳輸/秒）。這個(gè)較快的速率稱為 ESM（擴(kuò)展速率模式），會(huì)在兩個(gè)具備 ESM 模式的器件連接時(shí)自動(dòng)識(shí)別，速率比當(dāng)前的第四代 PCIe 速率 16GT/S提升 56%。
得益于分層架構(gòu)，CCIX 能夠支持多種靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是直接附加的共享虛擬內(nèi)存。但其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如交換器、菊花鏈或網(wǎng)狀拓?fù)洌埠苋菀妆粯?gòu)建和支持。
CCIX 協(xié)議定義了 CCIX 組成模塊的內(nèi)存訪問(wèn)協(xié)議。所有 CCIX 器 件至少有一個(gè)具備 CCIX 鏈接的端口。一個(gè) CCIX 端口關(guān)聯(lián)一組物理管腳，用于和另一個(gè) CCIX 端口連接，在兩個(gè)或多個(gè)不同芯片間交互信息。
同時(shí)定義了一些不同的代理類型，哪種代理在哪一個(gè)器件取決于器件的功能。定義的代理類型包括：請(qǐng)求代理（RA）、主代 理（HA）、從代理（SA）和錯(cuò)誤代理（Error Agent）。請(qǐng)求代理、主代理、從代理、錯(cuò)誤代理，系統(tǒng)里的端口和鏈接統(tǒng)稱CCIX 組件。一個(gè)代理在協(xié)議中由一個(gè)代理 ID 標(biāo)識(shí)。以下對(duì)每一種代理類型進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。
基于上述的代理類別，可以描述 CCIX 可見(jiàn)的一些常見(jiàn)用例。
加速器共享處理器內(nèi)存：當(dāng)采用和部署 CCIX 時(shí)，最常見(jiàn)的初始用例是處理器和加速器共享緩存。這個(gè)用例里有兩個(gè)請(qǐng)求代理，各自管理自己的緩存。主代理在處理器上，管理連接到該處理器的內(nèi)存的訪問(wèn)。
共享的處理器和加速器內(nèi)存：下一種常用模型可能是處理器和加速器共享虛擬內(nèi)存。在這個(gè)用例里，加速器和處理器的內(nèi)存同在一個(gè)共享虛擬內(nèi)存池里。處理器只需要簡(jiǎn)單的將待處理的數(shù)據(jù)的地址指針傳給加速器，而不需要復(fù)雜的 PCIe DMA 和驅(qū)動(dòng)在處理器和加速器內(nèi)存之間傳遞數(shù)據(jù)。有兩個(gè)請(qǐng)求代理管理各自的緩存，有兩個(gè)主代理管理內(nèi)存。免去軟件驅(qū)動(dòng)開發(fā)和額外開銷，可以大幅提升系統(tǒng)性能和簡(jiǎn)化軟件。
拓展基本結(jié)構(gòu)：得益于 CCIX 非常靈活的特性，它可以在展示的這些基本數(shù)據(jù)流之外進(jìn)行拓展。從直接附帶的加速器、到網(wǎng)狀拓?fù)浜托切途W(wǎng)絡(luò)， CCIX 具備很可觀的選項(xiàng)來(lái)支持很多種類的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
CCIX 聯(lián)盟是一個(gè)開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織，制定獨(dú)立于任何處理器架構(gòu)的、非私有的 CCIX 標(biāo)準(zhǔn)。CCIX 標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)存擴(kuò)展器件和加速器提供高性能、低延時(shí)、芯片與芯片間的互聯(lián)。它特別為應(yīng) 對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及其它需要異構(gòu)計(jì)算的應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。CCIX 標(biāo)準(zhǔn)將是革命性的進(jìn)步，它拓展了開放、異構(gòu)架構(gòu)和緩存一致性共享內(nèi)存模型的優(yōu)勢(shì)，來(lái)滿足未來(lái)數(shù)據(jù)中心不斷演進(jìn)的需求。
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ARM系列處理器應(yīng)用技術(shù)完全手冊(cè)
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3、ARM行業(yè)研究框架
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5、國(guó)產(chǎn)CPU研究框架
6、行業(yè)深度報(bào)告：GPU研究框架
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