Gen-Z聯盟(Gen-Z Consortium)在日前舉行的2017年快閃記憶體高峰會(Flash Memory Summit)展示其無需特定記憶體的互連原型,並計劃自2019年起用於新一代的持久型記憶體;預計它可能率先用於現正開發中的高性能DRAM模組。

來自Hewlett-Packard Enterprise (HPE)、Western Digital (WD)、Lam Research以及其他公司的主管指出,新的記憶體類型將顛覆現有的記憶體和處理器設計,而Gen-Z聯盟將會是這一過程中的重要推手。

長久以來,新型的相變、電阻和磁阻式記憶體一直著眼於成為快閃記憶體與DRAM的替代或補充技術。截至目前為止,這些新型的記憶體也已經琢磨出一些較小的利基市場了。

Lam Research技術長Rick Gottscho表示,「有些新的記憶體看起來就像DRAM一樣快,並持續改善而使其變得更快。」他預期當今的平面DRAM設計最終將達到微縮限制。

Gottscho等人更強調,新型記憶體的神聖使命在於成為新一代處理器的核心。他以未來的機器學習晶片概念為例表示,「神經網路的權重無法像數位定量一樣儲存,而是作為類比電阻值儲存⋯⋯突觸到突觸,如此就不至於存在晶片外,而能實現極其快速的資料傳輸⋯⋯讓記憶體晶片成為電腦!」

WD描述了一個類似的概念,顯示持久型記憶體周圍將圍繞著採用開放指令集的大量低閘數處理器。該公司宣佈將在2020年以前推出可變電阻式記憶體(ReRAM),並支援Gen-Z互連以及RISC-VISA。

20170912_GenZ_NT31P1 圖1:WD描述以記憶體為中心的運算架構 (來源:Western Digital)

WD技術長Martin Fink在發表專題演說時表示:「處理器專有介面的概念並沒什麼意義。」他強調,所有的新型記憶體都將發揮作用。

HPE 3Par儲存部門首席軟體架構師Siamak Nazari認為:「轉型至新型記憶體將追隨硬碟轉型至快閃記憶體的相同路徑,首先發生在快取層。例如我們的首款新型記憶體產品看來似乎相當傳統,但它添加了新的快取層,最終還必須融合儲存與運算,才能取得最大優勢。」

新型DIMM縮減接腳數 提升速度與容量

率先導入Gen-Z互連技術的首款記憶體在去年10月發表,它可能會是搭載新型DIMM的DRAM。

包括HPE以及至少另外兩家公司都使用Gen-Z來定義模組——封裝更高容量、以更高資料速率執行,而且使用較當今DIMM更少80%的接腳。新的模組將有助於彌合與2.5D堆疊晶片(支援更高資料率,但成本更高且容量較低)之間的差距。

多處理器可直接存取新的模組。這種途徑不僅減少資料複製的延遲,並簡化處理器故障的恢復程序。

Gen-Z將實現支援非對稱讀寫操作的DIMM,以及當今DIMM所使用的對稱型式。隨著DRAM微縮電容器至其實體極限,有些人關注於其可能開始表現出新特性,而使非對稱連接具有價值。

Gen-Z的任務是在嵌入式PCI Express或乙太網路模組中,使用串列解串器(SerDes)連接處理器和記憶體。根據所使用的PCIe或乙太網路世代,分別提供了一系列的資料速率選擇。

許多工程師都在呼籲使用112G介面,為記憶體模組打造每秒400GBytes的傳輸速率,但這預計要到2020年以後才能實現。當今的28G NRZ和56G PAM-4介面更可能成為首款商業產品,時間點大約是在2019年左右。

20170912_GenZ_NT31P2 Gen-Z瞄準應用於廣泛的處理器和記憶體 (來源:Gen-Z)

基於乙太網路的途徑使用802.3電子層的最佳化版本,為不同的資料速率和距離提供各種實體介面支援,包括為封裝於機架內獨立外殼的模組提供40dB超長距離的支援。此外,該途徑還可支援突發模式傳輸,進一步實現節能。

其他工程師還看好在使用PCIe Gen3的處理器中導入8GT/s SerDes的可能性。此外,該發展方向也有助於未來的晶片發展至支援16GT/s和32GT/s傳輸速率的PCIe Gen4和Gen5版本。

IBM則為其即將推出的Power9處理器打造基於OpenCAPI介面的設計。Gen-Z支援網狀網路、交換機與透明路由器拓撲,以及OpenCAPI所欠缺的記憶體、儲存語義與硬體強制安全功能。然而,Gen-Z規格至少要到今年年底後才會完善,因此,IBM在這方面存在領先一年上市的優勢。

英特爾(Intel)希望能夠同時在OpenCAPI和Gen-Z上取得成功。其Apache Pass記憶體模組將採用目前出貨中SSD所用的3DXP晶片,並預計在明年開始出貨。

英特爾的3DXP晶片支援DRAM與快閃記憶體間的延遲,並可提高容量。Apache Pass模組預計將使用DD4或DDR5介面,並可能包括一些英特爾的專有協議。

JEDEC和SNIA的JESD248 DDR4 NVDIMM-N標準榮獲最佳展品獎。該標準定義了NAND快閃記憶體模組——預計接下來將獲得許多公司採用,以擴展內部記憶體資料庫或提供新的快取層。

預計2019年導入商用

Gen-Z將免費與聯盟成員分享支援基本讀/寫操作的RTL,可用於控制器、交換機和橋接器。展會中也將展示採用程式碼的FPGA。

目前已有一款商用Gen-Z橋接器(最初針對處理器專有的一致性連接介面)正開發中,以及至少兩款設計分別用於Gen-Z媒體控制器和交換機。

設計人員必須儘快決定是否將Gen-Z嵌入於至少一款處理器中,這些處理器預計要到2020年之後出貨,但它們必須在硬體中支援Gen-Z,才能達到最高資料速率和最低延遲。

20170912_GenZ_NT31P3 圖3:Gen-Z將改寫處理器和記憶體關係

HPE已經打造出以記憶體為中心的電腦原型了,採用的即是Gen-Z的早期版本。此外,該聯盟也為多家公司認可的連接器加以定義。HPE研究人員兼Gen-Z創辦人之一的Michael Krause表示:「它雖然不是一個巨大的生態系統,但正在成長中。」

從2011年開始的這項工作最初集中於智慧型手機,如今則看到伺服器以及其他的資料中心設備成為更有利潤的目標。HPE的另一個動機是為其新型記憶體——憶阻器在尋找新市場之前預先鋪路。

Krause表示,Gen-Z旨在成為通用的協議,廣泛支援讀/寫、載入/儲存以及緩衝區放置和獲取。「當算術邏輯單元(ALU)與記憶體通訊時,我試圖讓運算回到一開始。這種簡單的模式為軟體大幅削減開銷,而且近來有很多人都在問如何破解記憶體和儲存軟體堆疊。」

該聯盟最近發佈了新版規格,並從晶片和系統設計人員及其客戶處獲得了反饋。Krause說:「我還曾經與一家銀行交談,發現他們對於Gen-Z內建安全更感興趣。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Gen-Z Points to New Memories,by Rick Merritt)