Compute Express Link, kurz CXL, ist eine der vielversprechendsten Technologien für die Zukunft moderner Rechenzentren und Serversysteme. Seit der Veröffentlichung der ersten CXL-Standards im Jahr 2019 hat sich insbesondere in den letzten Jahren enorm viel getan. Der neue Standard zielt darauf ab, die Speicherarchitektur grundlegend zu verändern und die immer größer werdenden Anforderungen moderner Anwendungen, etwa im Bereich Künstliche Intelligenz oder bei hyperskalierbaren Cloud-Diensten, effizient zu bedienen. Im Jahr 2025 zeigt sich deutlich, dass CXL langsam aber sicher an Fahrt gewinnt, auch wenn noch einige Herausforderungen zu meistern sind. Die Metapher „Der Elefant lernt tanzen“ bringt dabei sehr gut die Komplexität und die Herausforderungen dieser Technologie zum Ausdruck, die inzwischen von Experten lebhaft diskutiert wird.
Der Kern von CXL liegt darin, eine kohärente Speicherverbindung zwischen Prozessoren, sogenannten xPUs (wie CPUs, GPUs, FPGAs), und diversen Speicherkomponenten herzustellen. Dabei soll eine Lücke geschlossen werden, die bisher bei konventionellen DDR-basierten Speichersystemen kaum überbrückbar war. Konventionelle Systeme sind oft limitiert durch isolierte Speicher, die nur lokal am jeweiligen Prozessor hängen, wodurch sogenannter „stranded memory“ entsteht – ungenutzter Speicher, der beispielsweise in einem CPU-Socket feststeckt und nicht effizient in einem Rechenzentrum verteilt werden kann. CXL adressiert genau dieses Problem, indem es Speicher ressourcennetzwerkartig flexibel und gemeinschaftlich über mehrere Geräte hinweg nutzbar macht. Die technischen Grundlagen von CXL entwickeln sich seit der ersten Version 1.
0 kontinuierlich weiter, sodass die aktuelle Version 3.2 eine Reihe von Erweiterungen bietet, die die Skalierbarkeit und Einsatzvielfalt erhöhen. CXL ermöglicht es nicht nur, mehr Speicher an einen einzelnen Prozessor anzubinden, sondern auch, über Netzwerk-Switches Speicher und Prozessoren in mehreren Server-Racks miteinander zu verbinden und so einen einheitlichen Speicherpool für sehr komplexe Anwendungen bereitzustellen. Die Vision, mehrere Rechenzentren rüstiger und einfacher speicherseitig miteinander zu verknüpfen, ist damit realistischer geworden. Ein bedeutender Vorteil von CXL ist die Reduktion des sogenannten Speichereingangs-Ausgangs (I/O)-Engpasses, der für viele datenintensive Anwendungen wie große Datenbanken, maschinelles Lernen oder High Performance Computing (HPC) problematisch ist.
CXL bietet über PCIe Gen5-Verbindungen hohe Bandbreiten und erlaubt gleichzeitig, Speicherressourcen effizienter zu verteilen. Während die Latenzen gegenüber klassischem DDR-SDRAM etwas höher sind, wird dies durch die erhöhte Verfügbarkeit und flexible Nutzung von Speicherressourcen mehr als ausgeglichen. So konnten in realen Tests mit Microsoft SQL-Datenbanksystemen etwa die SSD-Zugriffe drastisch reduziert werden, was die Gesamtperformance deutlich steigerte. Diese technologischen Fortschritte sind aber nicht ohne Herausforderungen zu realisieren. Die Hardware-Implementierung von CXL-basierten Speichermodulen ist zwar inzwischen in mehreren Produktlinien verfügbar, die breite Marktreife hängt jedoch stark von der Software-Unterstützung ab.
Betriebssysteme und Anwendungen benötigen erweiterte Mechanismen, um die neuen CXL-Fähigkeiten voll auszuschöpfen. Dies betrifft im Besonderen die Verwaltung und das Scheduling von Speicherressourcen über Netzwerkgrenzen hinweg sowie die optimale Nutzung der Speicherkoherenz zwischen verschiedenen Prozessortypen. Französische Experten und auch große Hersteller prognostizieren daher, dass der Durchbruch erst ab 2027 erfolgen wird, wenn eine breitere Ökosystem-Unterstützung gewährleistet ist. Darüber hinaus zeigen unterschiedliche Anwendergruppen unterschiedliche Bedürfnisse und Einschätzungen zur Nutzung von CXL. Während große Cloud-Hyperscaler und Anbieter von KI-Systemen großen Wert auf den flexiblen, memory-zentrierten Ansatz legen, sehen PC-Hersteller momentan wenig Mehrwert in einer CXL-Anbindung.
Ihre Anforderungen an Speicherzugriffe und Bandbreiten werden derzeit noch durch traditionelle Speicherformate gut bedient. Die verschiedenen Interessen beeinflussen somit auch maßgeblich die Weiterentwicklung und Marktdurchdringung von CXL-Technologien. Die Relevanz von CXL zeigt sich außerdem in der zunehmenden Integration in die Speicherhierarchien moderner Server. Während traditionell ein einzelner Prozessor seine direkten, lokal angebundenen DRAM-Module verwendet und dahinter Speichersysteme wie SSDs oder HDDs stehen, öffnet CXL den Speicherraum auf eine neue Dimension. CXL ermöglicht es, Speicher nicht nur an einem einzelnen Server zu erweitern, sondern vernetzt ihn flexibel über das gesamte Datenzentrum, quasi als eine Zwischenschicht zwischen lokalem Speicher und persistentem Speicher.
Dieser Ansatz unterstützt künftig Szenarien, bei denen die klare Trennung und Limitierung bisheriger Speicherbereiche aufgebrochen wird. Die Entwicklungen rund um CXL sind auch in der Industrie hoch dynamisch. Unternehmen wie Micron, AMD, IBM, Google und weitere spezialisierte OEMs arbeiten intensiv an der Implementierung und Integration von CXL in ihre Produkte und Services. Forschung und Praxis testen die reale Leistungsfähigkeit, wobei die Bandbreite und Erhöhung des nutzbaren Speichers im Vordergrund stehen. Interessant ist, dass CXL zwar etwas höhere Zugriffszeiten als klassischer DDR-SDRAM aufweist, dafür aber durch die mögliche Anzahl an Ports pro CPU und die damit verbundene parallele Speicheranbindung deutlich größere Gesamtdatenübertragungsraten erreicht werden.
Damit wird der Engpass an CPUs und Speicherinterfaces effizient entschärft. Ein weiterer spannender Aspekt ist die Unterstützung verschiedener Speicherarten über CXL. Der Standard bietet die Möglichkeit, DDR4, DDR5 und zukünftige DDR6 Speichermodule zusammen über dieselbe Verbindung zu nutzen, ohne dass Software und Anwendungen sich intensiv um die Unterschiede kümmern müssen. Diese Abstraktion und Vereinheitlichung senkt den Wartungsaufwand und erhöht die Flexibilität für Systemadministratoren bei der Planung und dem Betrieb komplexer Infrastrukturen. Prognosen zeigen, dass sich die Investitionen in CXL-Technologien künftig ausweiten werden, insbesondere im Bereich großer Rechenzentren, die massiv auf KI, Cloud-Services und HPC setzen.
Die Möglichkeiten, Speicher dynamisch und kosteneffizient anzupassen und zu erweitern, passen perfekt in die Anforderungen der nächsten Technologie-Generationen. Dies wird auch Auswirkungen auf die Architektur zukünftiger Hardware-Hersteller haben, die vermehrt CPUs mit mehr CXL-Anschlüssen und passenden Switches ausstatten werden. Trotz der komplexen Technik ist die Akzeptanz von CXL ein wichtiger Schritt, um den wachsenden Speicherbedarf von Anwendungen ohne unvernünftige Kostenexplosionen zu befriedigen. Die Etablierung des Standards auf breiter Basis wird allerdings Zeit benötigen. Entwickler, Hersteller und Anwender müssen gemeinsam an der Verbesserung von Hard- und Software zusammenarbeiten.
