让高性能计算芯片设计与CXL规范修订保持同步
作者：Ettore Giliberti，SmartDV Technologies资深应用工程师
在当今的高性能计算领域，确保处理器、存储和加速器之间快速可靠的通信对系统性能和可扩展性至关重要。因此，就诞生了Compute Express Link®（CXL®）标准：其目标是实现一致的内存访问、低延迟的数据传输，以及不同先进架构之间的无缝互操作性。
作为CXL联盟的活跃成员，SmartDV Technologies在设计和验证IP方面拥有数十年的专业知识，可以帮助工程团队了解不断发展的标准。我们符合规范的VIP产品组合使团队能够充满信心地采用最新的CXL版本来加速开发，同时保持鲁棒性和准确性。
随着CXL规范的快速演进发展，在对越来越多围绕它所打造的设计进行验证时，所使用的工具和构建的基础架构也必须同样迅速发展。维护与新规范的修订保持同步的验证IP （VIP）不是一项小任务，特别是处理从CXL 2.0到3.0的主要版本转换。
作为全球领先的VIP和定制IP解决方案提供商，我们在SmartDV Technologies亲眼目睹了VIP的快速适应能力的重要性，它们需要能够覆盖不同的版本，同时还要保持稳健性和准确性。这篇技术文章探讨了这些更新带来的技术挑战和工程考量因素，并引用了最近在支持CXL 3.0实际工作项目中所积累的示例。
持续演进的需要
基于CXL的硬件在流片前的验证既复杂又要求苛刻，因此VIP必须能够准确地模拟互连的主机和设备端，并提供可靠的协议检查器来验证系统行为。
功能强大的VIP基础架构对于构建可靠的验证IP和随着规范的发展而实现快速更新至关重要。下面的图表说明了SmartDV的 CXL VIP所采用的高级架构。
图1：SmartDV CXL VIP功能原理图
随着CXL规范的更新，VIP也必须进行相应的升级，且通常要求在紧迫的时间内完成。
例如，从CXL 2.0到3.0的版本转换引入了一些重要的更改，这就需要对VIP进行大量更新，包括功能和协议处理。
关键变更和实施挑战
- • 支持256字节的数据Flit（流控制单元）
在CXL 3.0版本中，协议的Flit现已可支持256字节的数据，而CXL 2.0只支持68字节的数据。这带来了一些架构上的变化：
- • 信用值（LLCRD），以前在单个Flit单元中传输，现在通过使用2字节字段（字节数为240-241）直接嵌入到协议Flit中。
- • 在传输一个非空的协议Flit之前，请求、响应和数据（Flit类型为cache/mem）的初始信用值需要在协议Flit中公布。
- • 公布的信用值反映了当前接收缓冲区的可用性。
- • Flit格式增强和循环冗余校验（CRC）处理
CXL 3.0引入了三种类型的Flit格式：
- • 标准的256字节
- • 延迟优化的（LO）Flit
- • PBR Flit
延迟优化的Flit需要以不同的方式去计算CRC。前8个数据槽（122字节）需要在数据槽7 （6字节）中放置一个CRC，而其余数据槽（116B）需要一个单独的CRC。这种双重CRC结构要求在VIP内部要有精确实现和验证。
此外，现在的ARB/MUX链路管理数据包（ALMP）Flit包括CRC和前向纠错（FEC），而不再如CXL 2.0所要求的那样，为了完整性目的而需要复制数据。虽然这种改变简化了物理层表示层，但它将CRC/FEC管理的责任转移到协议栈中的一个全新位置。
- • 内存一致性和反向无效处理
CXL 3.0通过支持M2S反向无效窥探（Back-Invalidate Snoop, BISnp）通道改进了存储协议行为。在CXL 2.0中，设备到主机（device-to-host，D2H）的请求在等待M2S进程时可能会阻塞，从而限制了架构选择，无法使用诸如内含式窥探过滤器（Inclusive Snoop Filter）等手段。通过BISnp而不是CXL.缓存通道来解决一致性，CXL 3.0支持更灵活和高效的存储架构。
- • 重试机制被移至物理层
CXL 3.0中最重要的变化之一是将重试机制从链路层重新迁移到物理层。在CXL 2.0中，通过使用链路层中的本地和远程状态转换来管理重试。现在在CXL 3.0中，重试是通过一个Flit序列号握手系统来处理的。
全新的重试机制的主要特性包括：
- • 新增传输端重试缓冲区，可用来存储所有协议Flits（CXL.io, CXL.cache / mem ALMP)。
- • 基于序列号的、由确认驱动的缓冲区清除。
- • 选择性否定确认（NACK）重放：能够重传特定的Flits，而不是重播所有未被确认的片段。
- • 标准回放：所有等待确认的Flit的完整回放。
结语
为支持全新的规范修订版本，开发和更新CXL通用验证方法（UVM） VIP并不是一项简单的任务。即便有一个功能强大的、可重用的VIP基础架构，深入的领域知识和大量的工程工作也是必不可少的。为了让您了解所涉及的复杂性和所需时间，CXL 3.0主要的版本更新可能需要的工程工作量如下：
- • 将重试机制迁移到物理层：需要4周时间
- • 增加对256字节Flit和相关协议更改的支持：需要5周时间
这些时间估算都假设任务全部是由经验丰富的工程师负责，他们非常熟悉现有的VIP和CXL协议栈。
构建一个可扩展的、可自适应的CXL VIP不仅仅是编码工作；它也关系到对规范变更的预测和构建体系结构，从而适应未来的增长。
SmartDV Technologies凭借其在设计IP和验证IP两个方面都具有的丰富经验，为工程团队提供适用于像CXL这样的先进协议的高质量的、符合规范的VIP。随着标准的不断演进，SmartDV仍然致力于帮助客户保持领先地位。
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