CXL 固態硬碟（Compute Express Link Solid State Drive）是一種利用CXL（Compute Express Link）技術的高性能儲存解決方案；CXL 是一種新興的高速互連技術，主要重點在於實現高頻寬、低延遲的連接，將處理器、加速器、和儲存設備等組件相連；預期可大幅提升系統的儲存性能和數據處理效率；也使得它在需要高性能儲存解決方案的情境中，如資料中心 (Datacenter)、人工智能、高性能計算等領域，具有重要的應用價值。
儘管 CXL SSD 目前仍處於研究階段，但其性能表現有很大的潛力，當其作為簡單的記憶體擴充使用時，它們應該能夠改善管理大型資料集的程式。
最近的研究開發並模擬了利用 Compute Express Link（CXL）介面來加速操作的固態硬碟（SSD），它們打算透過該介面提供一個大容量的永久性記憶體池 (memory pool)，其成本低於全 DRAM 記憶體池 (all-DRAM pool)。
CXL SSD 也是一種替代方案，可以利用儲存網路產業協會（SNIA, Storage Networking Industry Association）的非揮發性記憶體（NVM）編程模型的優勢，SNIA NVM 編程模型提供了一個標準化的介面和編程模型，用於存取諸如 Intel 的 Optane 永久性記憶體等非揮發性記憶體技術；儘管 NVM 編程模型最初是為Optane 等技術設計的，但它也可以擴展支援 CXL SSD；透過必要的軟體和驅動程序，可以將 CXL SSD 整合到編程模型中，使應用程序能夠存取和利用 CXL SSD 作為永久性記憶體；NVM 編程模型為軟體與永久性記憶體的交互，提供了一種一致且標準化的方式，確保與不同的儲存技術（包括CXL SSD）的相容性和易於整合。這對開發商來說具有重要意義，因為非揮發性 DIMM 的成本較高，而 Intel 正在逐步停止對 Optane 技術的支援；當 CXL SSD 與使用該模型的下一代程式結合時，開發商將獲得顯著的好處。
CXL SSD 提供了一個具有成本效益的解決方案，相較於非揮發性 DIMM 而言，使其成為開發商吸引人的選擇；透過與 SNIA NVM 編程模型的兼容性，CXL SSD實現了無縫整合，使開發商能夠在不需支付替代技術高昂成本的情況下，充分利用永久性記憶體的優勢；這種新型儲存技術，為未來的計算系統帶來了效率和擴展性方面的提升。
CXL SSD 在需要大容量記憶體的應用中可能會變得流行。然而，CXL SSD 為何表現不同於 NVMe SSD 可能仍不清楚。
CXL SSD與NVMe SSD之間的性能差異主要在於它們的介面和功能，CXL（Compute Express Link）提供了更高的帶寬和更低的延遲，能夠更有效地處理大量資料的傳輸需求。 相比之下，NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一種專為固態硬碟（SSD）設計的通訊協定，它專為利用固態儲存器的低延遲和高吞吐量而優化，提供了快速的資料傳輸和低延遲的存取能力。
因此，CXL SSD和NVMe SSD之間的性能差異主要在於它們的介面和互連技術；CXL SSD 透過CXL介面實現了更高的帶寬和更低的延遲，能夠更好地滿足大容量記憶體需求，並更有效地處理資料傳輸。這使得CXL SSD在大型記憶體應用中可能表現出更好的性能，並具有更高的擴展性。VIAVI 在 NVMe SSD 上有對應的解決方案，並有豐富的 Debug 經驗，並可隨時支援 CXL 新的應用型態，在目前 VIAVI PCIe Gen5 with CXL 中提供對應的功能。
什麼是以 CXL 為基礎的 SSD？
CXL（Compute Express Link）使用 PCIe 介面，但在協定層面上有所不同；雖然在訊號層面上，這兩者確實是相同的，但它們的協議不同；CXL採用比PCIe更快的協議，儘管CXL.io支持標準的PCIe I/O設備。
CXL 的開發是為了支援在伺服器主機板之外（遠端記憶體，位於伺服器主機板之外的記憶體）建立大容量的記憶體池，以擴展位於伺服器主機板上的記憶體（近端記憶體，直接安裝在主機板上的記憶體）；所有這些記憶體都映射到伺服器的記憶體位址址空間中，並由伺服器處理器晶片的記憶體管理單元進行管理。使用遠端記憶體的好處在於可以擴展系統的記憶體容量，提供更大的記憶體資源給應用程式使用，這對於需要處理大量資料、或運行記憶體密集型工作負載的應用程式來說尤其重要。
CXL需要管理一致性的問題，這點與PCIe不同；無論是近端記憶體還是遠端記憶體，任何記憶體位址的內容，都可能比處理器暫存該地址的副本更舊；這在沒有其他處理器嘗試讀取該記憶體地址時，並不是一個大問題；CXL的記憶體一致性方案被仔細的明確規定，以確保如果在其他處理器的暫存器中存在更新的版本，舊的資料永遠不會傳送給處理器。
這表示 CXL 在處理記憶體一致性的過程中需要進行相應的管理，以確保不同處理器之間的記憶體共享運作正確；CXL的協議規範中明確定義了記憶體一致性的方式，以確保在共享記憶體時不會出現資料不一致的情況；這有助於確保不同處理器之間的資料一致性，避免舊資料被誤用、或共享資料的不一致性問題；這對於多處理器系統中的共享記憶體操作非常重要，使得系統能夠正確地協調和管理不同處理器之間的資料共享。
軟體透過位於 CXL.mem 或 CXL.cache 裝置上的記憶體，以位元組的方式進行存取，就像處於伺服器主機板本身的記憶體一樣；如果 SSD 是一個 CXL 裝置，它必須以類似記憶體的方式，透過軟體和 CXL.mem協定來進行通訊；換句話說，軟體可以像處理伺服器主機板上的記憶體一樣，存取和操作這個CXL SSD；CXL SSD不僅僅是一個傳統的儲存設備，而是以一種與記憶體相似的方式與軟體進行交互，它使用CXL.mem 協定，使得軟體能夠直接將其視為記憶體，以進行存取和操作，就像處理本地記憶體一樣。
標準的 SSD 透過 PCIe 匯流排上的 NVMe 協定進行通訊，使用區塊的方式進行存取；而對於CXL標準，這種通信方式則被稱為CXL.io。
因此，CXL 裝置（包括SSD）與標準 SSD 在通訊方式和協議上存在差異；CXL 裝置以記憶體的形式進行存取，並使用 CXL 協定進行與軟體和系統的通訊，而標準 SSD 則使用 NVMe 協定以區塊的方式進行通訊；這些差異使得 CXL 裝置能夠更直接地與軟體和系統交互，實現更高效的存取和操作。
CXL 在必然較慢的遠端記憶體與近端記憶體之間處理不同的時序問題，而 CXL SSD 更進一步：固態硬碟可以選擇以與標準 SSD 相同的速度執行，而 CXL 通道仍然使用記憶體機制 ( semantics) 來管理資料傳輸到處理器，為了最小化這種慢速操作，可以預期 CXL SSD 將具備相對巨大的暫存器。
CXL SSD 在處理速度較慢的操作時，可以利用更大的暫存來最小化延遲。透過擁有大容量的暫存器，CXL SSD可以在資料傳輸過程中暫存更多的資料，從而加速處理器對資料的存取速度；這種設計可以有效地緩解由於遠端記憶體較慢而引起的性能瓶頸，提供更快速和高效的操作。
三星 (Samsung)：這就是可行的方法
三星是 SSD 整合 CXL 介面的倡導者，在 2022 年的 Flash Memory Summit 上展示了該公司稱之為 "記憶體機制 SSD"（MS-SSD） 的產品。
MS-SSD 的理論基礎是從軟體的角度來看，固態硬碟中的永久性媒體是透過記憶體位元組機制，而不是通常用於 SSD 的區塊機制來存取的。
I/O 機制（區塊機制，block semantics）通常是透過中斷驅動系統執行的，這可能是從 20 世紀 80 年代初開始的慣例，當時，軟體的 I/O 路徑 (routine) 可能會給磁碟存取增加毫秒級的延遲，而這並不會被注意到；這是處理器與速度明顯較慢的 I/O 設備打交道的一種很好的方式。
在 2000 年代初，當 SSD 首次開始廣泛被接受時，SSD 使用者注意到 I/O 路徑會減慢SSD的速度；對軟體進行改進提高了速度，但基於處理器中斷管理的基本磁碟 I/O 結構，限制了改進的程度。
與此同時，DRAM 匯流排在 1990 年代被設計為盡可能快速運行，因此匯流排失去了任何暫停等待慢速記憶體設備的能力，只有記憶體可以連接到記憶體通道，儲存設備則必須透過I/O通道。
在永久性記憶體出現後軟體元素成為一個問題，可參閱下圖：
上下兩個長條圖的紅色部分代表軟體的 I/O 堆疊所造成的延遲，對於代表 NVMe NAND 快閃記憶體（Flash Memory）固態硬碟的上方長條圖來說，這部分延遲在整體存取時間中是可管理的；而在包含 Intel 的 Optane 永久性記憶體模組的下方長條圖中，紅色部分佔總延遲的大約一半。
50% 的速度損失是無法接受的，這促使 CXL 的開發成為一個更快的介面，CXL 以接近記憶體速度運作，但與雙資料率記憶體匯流排不同的是，它可以與不同速度的記憶體配合使用。
三星採用 CXL 介面設計固態硬碟，使得使用固態硬碟作為記憶體成為可能；因此，SNIA 和各種軟體公司為支援像 Optane 這樣的永久性記憶體所做的所有工作，現在可以與廉價的以 NAND 快閃記憶體為基礎的儲存一起使用；SNIA NVM Programming Model是軟體使用的協議，用於利用 Intel 的 Optane 永久性記憶體的功能，現在還可以用於支援 CXL 介面上的 NAND 快閃記憶體固態硬碟。
然而，由於 NAND 快閃記憶體速度較慢，三星的設計使用大容量 DRAM 來盡可能地作為SSD的快取；在三星於 Flash Memory Summit 展示的 2TB 原型中，內部搭載了高達 16GB 的 DRAM 快取，這樣大容量的快取將可能成為CXL SSD的常態。
然而，這樣的大容量快取帶來了回報，根據三星在該活動中分享的基準測試結果，聲稱與現有 SSD 相比，隨機讀取性能提升了約 1900％；三星聲稱，MS-SSD 可以向主機呈現約為 2TB伺服器記憶體的擴展，該記憶體的平均延遲取決於 SSD 內部快取的命中率。
這個 SSD 的全部 2TB 空間並不需要全部映射為記憶體，三星的設備可以劃分為記憶體區域和 SSD 區域，分別由 CXL.mem 或 CXL.io 服務，這就是三星所謂的 "雙模式" 操作。主要為了能提供更大的靈活性。
如果 CXL SSD 作為永久性記憶體獲得廣泛接受，儲存管理員的工作，將與當 Intel 的 Optane 技術成為主流時的情況類似。
如同 Intel 的 Optane 技術成為主流的情況一樣，如果 CXL SSD 技術被廣泛採用與接受，儲存管理員 (storage administrator) 將需要適應和管理 CXL SSD 的特性和功能，他們可能需要重新評估儲存策略和架構，以充分利用CXL SSD 提供的高速儲存和永久性記憶體特性；同時，他們還需要考慮資料保護、故障恢復、和資料管理等方面的因素。
此外，儲存管理員還需要與硬體供應商、軟體開發人員、和其他相關方合作，以確保在使用 CXL SSD 時能夠實現最佳的性能和可靠性；他們可能需要了解 CXL 技術的工作原理和最佳實踐，並獲取相應的訓練和支援。
持續性記憶體操作的可能性
三星的第一代原型不支援記憶體持續性，實現這一點還需要一些努力，因為在停電期間需要保持整個 16 GB 的 DRAM 不中斷供電，直到其內容完全寫入 SSD 的 NAND 快閃記憶體中，這需要一個大容量的電力儲存裝置，如電池、或超級電容；該公司的目標是在第二代原型中實現持續性記憶體操作，該原型計劃於去年年底完成。
如果 CXL SSD 作為持續性記憶體獲得廣泛採用，儲存管理員的工作將發展得與 Intel 的 Optane 技術成為主流時類似，軟體和晶片供應商期望讓自動資料管理軟體將隱藏任何問題，使儲存管理員無需操心；然而，需要考慮資料的安全性，因為敏感資料可能存在於 CXL SSD、和映射到較慢記憶體儲存層級的傳統SSD中。
其他 CXL SSD 的發展
三星並不是唯一一家計劃支援 CXL 界面與 SSD 整合的公司，Kioxia 公開了一個 Kioxia 專有的 XL-Flash 晶片設計的 CXL SSD 概念驗證；XL-Flash 是一種專注於速度的 NAND 快閃記憶體，可能是為了因應 3D XPoint 記憶體的上市，一些公司最初認為它對標準 NAND 閃存SSD 構成了威脅；Kioxia 的CXL SSD設計著重於64位元的處理速度，特別是64位元的隨機寫入。
該公司解釋稱，他們預計讓這個設計的性能接近 DRAM，比 Optane 更快，它支援的記憶體容量比近端儲存 DRAM 大兩個量級，比近端儲存 Optane 持續性記憶體 DIMM 大10倍；Kioxia 的設計使用了一個大的預取緩衝區 (pre-fetch buffer)，但與三星的設計不同之處，在於增加了硬體壓縮以幫助提高速度；由於資料較小，SSD 所需的頻寬較少，因此可以加速寫入。
此外，韓國 CAMEL (Computer Architecture and Memory Systems Laboratory) 與 RISC-V 和OpenExpress 合作，對 CXL SSD進行了模擬，以更好地了解它可能提供的性能優勢；他們使用一個模擬器，模擬了以三星超高速 Z-NAND 晶片為基礎的 32 GB SSD 的操作，與一個具有大容量 DRAM 的系統進行了比較。
性能高度依賴於 SSD 中資料的局部性；這是很自然的，因為高局部性 (locality) 意味著大部分 SSD 存取會命中 SSD 的 DRAM 閃存，而不是其 NAND 閃存；對於高局部性，CXL SSD 提供的資料的延遲只有 CPU 本地 DRAM 的 2.4 倍；然而，在局部性較低的情況下，CXL SSD 的延遲是 DRAM的 84 倍，顯然，CXL SSD 對於高度局部化的大數據應用帶來更高的性能。
CAMEL 在高局部性應用中發現，NVMe SSD 的延遲時間是 CXL SSD的129倍；然而，在低局部性應用中，NVMe SSD 的延遲時間只比 CXL SSD 高大約50%。
這表示在高局部性應用中，CXL SSD 表現出比 NVMe SSD 更低的延遲時間，高局部性代表資料存取更集中在 SSD 的 DRAM 閃存中，因此 CXL SSD 可以更快地提供資料，從而降低延遲時間。然而，在低局部性應用中，資料存取很分散，導致 CXL SSD 的延遲時間僅略高於 NVMe SSD的50%。
這些結果顯示了 CXL SSD 在處理高局部性資料存取時的性能優勢，並且在低局部性應用中仍然能夠提供相對較低的延遲時間；這對於需要高效處理大型資料集的應用程序來說，CXL SSD可能是一個有價值的儲存解決方案。
這種區域敏感性呼應了三星的研究結果，其 CXL SSD 在 128 字元的隨機讀取中，在命中閃存時達到約2,000 萬 IOPS 的操作速度，並具有亞微秒級 (sub-microsecond) 的延遲時間。
當資料命中 SSD 的閃存時，CXL SSD 能夠以非常高的 IOPS（每秒輸入/輸出操作次數）進行操作，同時具有非常低的延遲時間；這是由於閃存命中，可以迅速從高速 DRAM 閃存中提供資料，而無需訪問較慢的NAND 閃存；這使得 CXL SSD 在需要高效處理大量小型資料存取的應用場景中表現出色。
VIAVI Solutions XGIG 5P16 CXL 協定分析與驗證平台
XGIG 5P16協定分析與驗證平台 是一個針對PCI Express 5.0/CXL協定的分析和驗證平台。它具備支援最新的PCIe、NVMe和CXL協定規範的能力，同時提供強大的專家系統（Expert System），以幫助您快速檢測PCIe每一層的錯誤。 這個平台還具備LTSSM（Link Training and Status State Machine）功能，它能清晰顯示每個狀態的行為模式，有助於快速排除故障。LTSSM是用於PCIe連接的狀態機，透過監控和分析其行為，您能夠快速識別並解決問題。
XGIG 5P16平台的最高配置支援16通道，可實現32GT/s的傳輸速度。這使得它在高速連接和大容量資料傳輸方面非常強大。此外，該平台還支援同時串接多台VIAVI Xgig系列產品，這樣您就能擴展測試能力，進行更複雜的A-J-A（分析-錯誤注入-分析）模式測試。這種模式下，您能夠在資料流中注入錯誤並進行分析，以測試系統的容錯性和恢復能力。
VIAVI Solutions XGIG 5P16 在 CXL 應用中，可以提供以下測試功能：
頻寬測試： XGIG 5P16 可以測試 CXL 介面的頻寬性能，確定其在資料傳輸方面的效能；它可以捕捉並分析 CXL 通訊的資料流，以評估其頻寬的利用率和效率。
協定分析： XGIG 5P16 可以解析和分析 CXL 通訊協定，確保通訊的正確性和一致性；它可以檢測和識別任何協定錯誤或異常，幫助使用者進行除錯。
延遲測試： XGIG 5P16 可以量測 CXL 通訊的延遲時間，包括從發送端到接收端的傳輸延遲和處理延遲；這有助於評估 CXL SSD 的性能和響應時間。
效能評估： XGIG 5P16可以透過模擬不同工作負載和資料流量的情境，對 CXL SSD 進行效能評估；它可以測試SSD 的性能極限，並提供有關傳輸量、IOPS 和延遲等指標的評估。
故障排除： XGIG 5P16 提供了強大的故障排除工具，用於檢測和解決 CXL SSD 通訊中的問題；它可以識別資料封包丟失、錯誤、或重複等問題，並幫助使用者定位和解決故障。
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匯流排協定測試解決方案總覽 > 翔宇科技代理了各種匯流排協定測試解決方案，包括：PCIe、NVMe、CXL、Serial Attached SCSI、Serial ATA、Fibre Channel、Ethernet、MIPI M-PHY、 UniPro、UFS、A-PHY、I3C、USB、CAN、I2C、SPI、eSPI 等測試工具。
文章來源：TechTarget | Storage
翻譯與整理：翔宇科技 量測事業群