1.2　相关互连协议的提出

近年来，为了解决计算系统中CPU与加速器间的一致性访问问题、I/O墙问题，一系列高速缓存一致性互连协议标准陆续被提出。表1-1展示了相关互连协议的对比。

2014年，IBM、AMD和赛灵思（Xilinx）等公司联合发布行业标准设备接口OpenCAPI，这一接口支持处理器以标准化高速串行、低延迟的方式与加速器设备连接，在IBM的POWER 9处理器系列中首次实现。OpenCAPI物理层采用IBM的Bluelink，通道单向传输速率可以达到25 Gbit/s，且能与NVLink复用。目前主要用于IBM POWER的主机与外围设备互连，范围比较有限。在拓扑结构上，OpenCAPI只支持与CPU直连的点对点结构，未实现对OpenCAPI Switch等功能的支持，无法实现跨任意拓扑和交换机的一致性维护，架构扩展能力受限。

随着人工智能等应用领域对并行计算结构的依赖，为充分发挥多GPU系统的计算性能，英伟达（NVIDIA）于2016年推出了一种总线及其通信协议——NVLink，以期提升CPU与NVIDIA GPU之间的通信带宽。第四代NVLink最多支持 18 条链路，双向传输带宽高达900 GB/s，这一带宽是PCIe 5.0 x16的7倍。同时，第四代NVLink允许CPU在读取数据时缓存GPU显存，从而能使处理器低延迟地收发共享内存池中的数据。NVSwitch可用于节点内GPU之间的多对多通信，其级联架构大大提高了GPU大规模扩展能力。但是，作为英伟达私有协议，NVLink除了实现NVIDIA GPU间高速通信，作为系统总线目前仅在IBM的POWER PC架构、ARM架构CPU中实现，尚未形成支持其他架构加速器的总线行业标准。

2016年，AMD、ARM和赛灵思等公司联合推出对称的缓存一致性协议CCIX（Cache Coherent Interconnect for Accelerator），让CPU之外的硬件加速器（例如FPGA、GPU等）也能以缓存一致的方式使用与多个处理器共享的内存，在异构系统中实现更快的内存访问。CCIX交换机（Switch）也支持多种灵活的系统拓扑。但是，作为对称的缓存一致性协议，CCIX交换机存在两方面的不足：一方面，设备设计的复杂性较高；另一方面，缺少用来协调和管理通信的中心节点，如果一个设备发生故障，可能会影响多个设备之间共享的数据和状态信息，导致系统不稳定甚至崩溃。在生态建设方面，目前产业界仅在ARM Neoverse系列CPU中实现了对CCIX的支持。

2016年，惠普（HP）等公司基于HPE The Machine项目中内存池化架构原型样机的研究，组成Gen-Z联盟，提出支持以内存为中心架构的低延迟总线协议Gen-Z，可以连接智能网卡、加速器（GPU、FPGA、ASIC等）、DRAM、SCM、闪存（Flash）等多种类型设备，支持计算单元对DRAM或SCM的字节寻址的加载/存储。内存语义（Memory Semantics）和Switch技术的实现，使得Gen-Z在资源扩展性及内存池化能力方面具有优势，可为数据中心提供高传输带宽和大规模扩展能力。但是，Gen-Z没有内置硬件维护缓存一致性，相应的软件开销较大。在生态建设方面，产业界尚没有支持Gen-Z的商用CPU以及硬件产品。