GPU是怎么勾搭NVMe的
广告：冬瓜哥新作《大话计算机》将于8月份出版，详细内容点击链接。
很久很久以前，CPU和内存是分离的，内存控制器位于北桥。CPU每次取数据都要经过北桥中转，CPU嫌太慢，于是，把内存控制器直接集成到了自己内部，而北桥则只保留PCIE控制器。再后来，嫌PCIE控制器也离得太远了，就也把它收归麾下，北桥成了光杆司令，于是退出了历史舞台。现在的主板上只有CPU和I/O桥在一唱一和。突然不知哪天，杀出来了个GPU，之前人们也未曾想过GPU除了渲染图像还能做更多事情，甚至被用来挖矿。GPU也要访问内存，但是现在访问内存要从CPU走一圈，GPU不干了，明明是我在计算，CPU只是控制，为啥我要不远万里从CPU那取数据。于是，GPU和NVMe盘开始勾搭上了。欲知详情，往下看。
本文组织：
- DELLEMC R840/R940xa服务器简介
- GPU和NVMe到底怎么勾搭的
1
R840/R940xa服务器简介
5月8日，DELLEMC宣布了两款新服务器： PowerEdge R840和R940xa。这两款服务器都是4路CPU机型，将于2018年第二季度上市。
R840支持多达24个直连（直连到CPU，未经过PCIE Switch）NVMe驱动器和2个GPU卡或FPGA卡作为CPU加速器。在Monte Carlo Risk Analysis模拟中，R840相比R820快3.5倍。支持OpenManage RESTful API管理和用于DevOps集成的IDRAC9。显然，R940xa和R840面向的市场除了传统高端服务器市场外还可以定位到人工智能(AI)、机器学习和数据分析场景。
此外R840最大支持48个DIMM内存槽，以及最高12个NVDIMM槽位。支持RDIMM /LRDIMM，最大速率2666MT/s，最大容量6TB。
R840前背板有24个2.5槽位，或者8个3.5槽位，对应着不同的背板可选。具体支持的选项如下：最多8个3.5” SAS SATA (HDDs/SSDs) ，或者最多24个2.5” SAS/SATA (HDDs/SSDs) ，或者最多24个 NVMe PCIe SSDs，或者SAS/SATA盘与NVMe盘混插（NVMe盘数量最多12个）。这些不同的选项对应了不同的背板选择。前面板还支持额外2个2.5 SAS/SATA盘位。
NVMe与SAS/SATA混插的具体场景，冬瓜哥很早之前就写过一篇文章介绍。有兴趣可以阅读：【冬瓜哥画PPT】最完整的存储系统接口/协议/连接方式总结 一文的后面部分。
R940xa为一款4U4路的机型。最大可支持4个双槽占位的GPU卡或者8个FPGA卡。硬盘槽位可达32个，其中4个可以用于SAS/SATA和NVMe混插。R940xa(“XA”代表“eXtreme Aggregation”)，因为它的最大GPU：CPU为1:1。
2
GPU是怎么勾搭NVMe的
R840和R940xa这次无一例外的都支持大量NVMe槽位。GPU配NVMe，也算是好马配好鞍。由于GPU运算时可能需要吞吐大量数据，硬盘如果拖了后腿，那么就喂不饱GPU。但是，NVMe是连接到CPU上，而NVMe的数据也需要先到DDR RAM，然后才能被GPU访问。而DDR RRAM也是连接到CPU上。如下图所示。
看到上面的图，是不是感到，任何数据都要进CPU转一圈，只因为DDR controller被集成到CPU内部了。这完全多此一举。为何不能让GPU直接从NVMe读数据呢？其实是可以的，只要GPU内部跑一个NVMe驱动就可以了，并负责NVMe的枚举、初始化操作，这样就与CPU完全没什么关系了。但是这样做会让Mr.CPU感到很尴尬，没它啥事了。最好的办法是依然让Mr.CPU+OS来枚举初始化和配置NVMe，但是读写数据的时候可以让GPU与NVMe直接沟通。NVMe盘是带有DMA Engine的，只要将DMA目标地址设置为GPU BAR内的某个空间即可让NVMe盘将数据DMA到GPU BAR内，或者从GPU BAR拿出来。而GPU并不会把它内部所有存储器都映射到BAR里，只可以做到现用现分。所以要求对应的GPU必须支持这种P2P bypass CPU方式。
AMD GPU的DirectGMA技术便是这样一种技术。如上图所示，第一步通过GPU提供的编程库向GPU申请一块显存，GPU传回指针。第二步配置NVMe的DMA engine让其将数据DMA到对应指针处。第三步DMA数据，这一步直接bypass CPU/RAM，直接通过PCIE通道实现NVMe与GPU的直接勾搭，延迟下降一大截。第四步调用GPU编程库通知GPU开始计算。
实现上述的P2P传输过程需要一个部件的参与，那就是PCIE Switch。目前市场上主流产品为Microsemi公司提供的PCIE Switch产品。如下图所示，当采用了GPU到NVMe的P2P之后，其性能大幅提升。可节省host一端的投资，比如RAM使用量和性能可以下降，CPU规格可以下降，CPU与PCIE Switch的连接通道可以为x4甚至x2，节省PCIE通道的耗费量。
