SSDの新たな挑戦「CXL接続」はストレージの希望なのか？：研究開発で分かるSSDの挑戦【第1回】

CXL接続SSDはまだ研究開発段階にあるに過ぎないが、それが実現した場合にはストレージの設計やコンピューティング在り方を大きく変える可能性がある。どのようなものなのか。

[Jim Handy，TechTarget]

　業界標準のインターコネクト（相互接続）規格「Compute Express Link」（CXL）を活用する研究開発が進んでいる。その目的の一つは、SSDの動作を高速化することだ。

　CXLを活用することで、揮発性メモリの一種「DRAM」（Dynamic Random Access Memory）よりも安価で、より容量の大きなメモリプール（プログラムごとのメモリ確保機能）を確保する「永続メモリ」（PMEM）が実現する。永続メモリとは、メモリとストレージの双方の特徴を持つメモリを指す。

　CXL接続SSDが普及する上で鍵になるのは、ストレージインタフェース規格「NVMe」（Non-Volatile Memory Express）で接続するSSD（以下、NVMe接続SSD）との違いだ。

CXL接続で実現する「新型SSD」の挑戦とは？

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　Intelは、永続メモリとして提供していた不揮発性メモリ「Intel Optane」（以下、Optane）のサポートを終了している。つまりCXL接続は、Optaneを対象にしていない。CXL接続を活用する一つの方法になるのは、ストレージの業界団体Storage Networking Industry Association（SNIA）が開発したプログラミングモデル「NVM Programming Model」（NPM）だ。

　NPMは、不揮発性メモリの読み書き速度の高速化を目的にしている。CXL接続SSDと、NPMによる次世代プログラムを組み合わせることは、新型SSDと、未来のコンピューティングシステム実現の後押しとなるはずだ。

　汎用（はんよう）インタフェース規格「PCI Express」（PCIe）と、CXLの明確な違いは分かりにくい。実際のところ信号レベルでの違いはないが、プロトコルは異なる。CXLが使用するプロトコル3種の一つ「CXL.io」は、標準的なPCIeのI/O（入出力）デバイスで利用できる。CXLはPCIeよりも高速なプロトコルだと言える。

　CXLは、「ファーメモリ」（サーバのマザーボード外にあるメモリ）に大規模なメモリプールを確保し、「ニアメモリ」（サーバのマザーボード上に存在するメモリ）の容量を拡張するために開発された。それらのメモリは全て、サーバのメモリアドレス空間（メモリアドレスによってアクセスできるメモリ領域）にマッピングされ、CPUの「メモリ管理ユニット」の管理下に置かれる。

　CXLではキャッシュコヒーレンシ（複数のキャッシュの一貫性）を管理する必要がある。これはPCIeとは異なる。ニアメモリやファーメモリにある任意のメモリアドレスの内容は、CPUのキャッシュメモリにあるそのメモリアドレスのレプリカ（複製）よりも古いことがある。これは、他のCPUがそのメモリアドレスを読み取ろうとすると、大きな問題を引き起こす可能性がある。そのため、CXLのキャッシュコヒーレンシの機能は、他のCPUのキャッシュメモリに新しいデータが存在する場合、古いデータをCPUに転送することがないように制御する。

　ソフトウェアは、CXLのプロトコル「CXL.mem」または「CXL.cache」を使い、メモリにバイトセマンティクス（文字列をバイト数単位で指定すること）でアクセスする。ソフトウェアは、ファーメモリをニアメモリと同じように扱う。つまりCXL接続SSDである場合、SSDもメモリであるかのようにソフトウェアとCXLのプロトコルで通信する。

　NVMe接続SSDへのアクセスは、ブロック（複数のメモリセルを束ねたページの集合体）単位になる。この通信は、CXLではCXL.ioが担う。

　CXLはニアメモリとそれより低速なファーメモリの、異なるアクセスタイミングを管理する。この点を重視する結果、CXL接続SSDは標準的なSSDと同じくらい低速で動作する可能性がある。CXLはメモリセマンティクス（メモリアクセスの順序のルール）を使用して、CPUへのデータ通信を管理する役割も担う。こうした動作による遅延の原因を最小限に抑えるために、CXL接続SSDは比較的大きなキャッシュメモリを搭載すると考えられる。

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　第2回は、Samsung Electronicsが公開したCXL接続SSDを見る。

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