計算機主要組件的封裝幾十年來相對穩(wěn)定，但現(xiàn)在正經(jīng)歷一場革命。例如，在內(nèi)存和中央處理器(CPU)之間已經(jīng)達到散熱和帶寬極限的情況下，業(yè)界正在尋求新的方案來提高性能并降低功耗。

 

最近兩年，引領這一追求的是混合內(nèi)存立方體(HMC)構想(圖1)。這是美光科技(Micron)提出的概念，業(yè)已被龐大的產(chǎn)業(yè)領導者聯(lián)盟——混合內(nèi)存立方體聯(lián)盟(Hybrid Memory Cube Consortium)所采用。

 

圖1 混合內(nèi)存立方體。

 

這一概念基于用一組高速串行連接取代傳統(tǒng)的DRAM總線，同時使內(nèi)存和運算芯片在物理上非常接近，以便去掉驅動DRAM總線的功率晶體管。由此產(chǎn)生的模塊可將內(nèi)存的功耗降低70%~90%，目前性能可達160GB/s水平，這是兩項令人矚目的進展。未來的配置目標是超過上述指針的兩倍，最終是使用多個內(nèi)存模塊實現(xiàn)1TB/s的吞吐率。

 

硅穿孔(TSV)是使能技術(enabling technology)。透過在邏輯模塊上堆棧內(nèi)存裸片并使用TSV將頂層連接到邏輯電路，使用大量的并行鏈路，可實現(xiàn)很小的面積占用。今天的產(chǎn)品通常有四個堆棧裸片，所以每個模塊的容量限制在16GB。

 

邏輯層可以是CPU、繪圖處理器(GPU)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或只是控制邏輯，似乎所有這些選項都開始出現(xiàn)。來看一些應用，CPU選項看來顯而易見，在CPU之上構建DRAM得到的稍厚的混合芯片，應用在智能型手機和平板計算機上令人關注，這是一種節(jié)省寶貴空間的方式，但更重要的是節(jié)省稀少且缺乏的電能。使用16GB容量的方案，已經(jīng)是個可行的建議，而更高密度的封裝將擴大到整個市場。

 

在服務器中，更高的帶寬是吸引力所在。目前尚不清楚市場是否會跟進CPU/內(nèi)存堆棧路徑，或是選擇多個內(nèi)存芯片的緊密并列封裝，后者可將帶寬提升到500+GB/s范圍并增加HMC容量。舉例來說，英特爾(Intel)的Knights Landing Phi芯片旨在使用堆棧內(nèi)存結構(圖2)。

 

圖2 英特爾Knights Landing代號Xeon Phi處理器。(圖片來源：英特爾)

 

AMD和Nvidia這兩家GPU制造商選擇了采用多通道并行總線不同的模塊化方法(高帶寬內(nèi)存，HBM)。HMB比RAM總線寬得多，可提供更高帶寬。DRAM裸片堆棧和與GPU緊密耦合旨在解決性能和功耗問題，將模塊方法應用到GPU引發(fā)了與服務器相同的封裝問題，因此解決方案的采用可能取決于GPU產(chǎn)品是針對消費類還是針對人工智能(AI)市場。

 

在服務器系統(tǒng)中用作加速器的FPGA，其本身的故事仍在不斷演繹，盡管像Altera/Intel和賽靈思(Xilinx)這樣的公司已經(jīng)為HMC提供了原型開發(fā)板。

 

這種模塊化方法透露出主要的管道含義。然主導力的天平明顯地倒向內(nèi)存芯片制造商(如美光)，而對沒代工廠的DIMM組裝廠商不利，但這并非一蹴可幾，因為系統(tǒng)結構和芯片生態(tài)系統(tǒng)還沒有發(fā)展到可正確使用模塊化方案。可能的情況是，智能型手機的封閉性將使其成為更容易滲透的市場。

 

服務器市場轉向模塊化方法，很可能會因服務器核心中以結構為中心架構的興起而變得復雜。諸如Gen-Z之類的方法使得串行內(nèi)存連接成為將CPU、GPU、FPGA和外部通訊連接在一起的RDMA結構的焦點，它使所有服務器單元之間直接使用公共內(nèi)存，以及共享內(nèi)存和接口的跨集群成為可能。未來AMD和Nvidia的計劃將致力于內(nèi)存與GPU之間更緊密的耦合，以使當前架構將大量數(shù)據(jù)從CPU內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)紾PU內(nèi)存的問題不再困難。

 

主導力的天平倒向芯片制造商不僅傷及DIMM制造商，還同樣殃及插卡制造商。服務器主板將可能具有針對適配驅動器或LAN的SoC方案的ZIF插槽，以及用于內(nèi)存和計算組件的更多插槽。

 

但供貨商陣營也并非一團和氣。英特爾在談論與業(yè)內(nèi)其他家不同的途徑。業(yè)內(nèi)有討論可更好填補Optane NVDIMM和L3高速緩存之間性能差距的高帶寬、低延遲(HBLL)DIMM方案，而不是用于服務器的HMC。

 

最后的難題是，雖然這些新的內(nèi)存速度非?？?，但容量有限，目前為16GB或更小。雖然這與DIMM類似，但其架構將當今的許多模塊排除在外。隨著對TB容量內(nèi)存的需求， 該問題尚沒有得體的對策。英特爾在NVDIMM中內(nèi)置傲騰(Optane)的HBLL方法很可能是條解決之道。

 

盡管英特爾明顯的離經(jīng)叛道(沒有任何東西正式宣布為產(chǎn)品)，但很明顯，系統(tǒng)將變得更快、更模塊化。為實現(xiàn)這種模塊化，以太網(wǎng)絡NVMe作為一種共享主儲存的方式在市場上備受矚目——這種架構可使驅動器與服務器分開，盡管它們可能仍然共享封裝。所有這些都將在2018年上半年成為整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展藍圖，并導致系統(tǒng)性能真正大幅度地提升，從而推動整個系統(tǒng)和儲存市場的發(fā)展。




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