CXL（Compute Express Link）（CXL: シーエックスエル）

2025年10月14日

CXL（Compute Express Link）（CXL: シーエックスエル）

英語表記: CXL (Compute Express Link)

概要

CXLは、CPUとメモリ、そしてGPUやAIアクセラレータといったデバイス間のデータ転送を高速かつ効率的に行うために開発された、新しい世代のインターコネクト技術です。これは、従来のバス規格であるPCI Express（PCIe）の物理層を利用しつつ、メモリの一貫性（キャッシュコヒーレンシ）を確保するためのプロトコルを追加することで、データバス構造のボトルネックを解消することを目指しています。特に、メモリと処理能力を分離・共有することを可能にする「バス規格の画期的な進化形」として、高性能コンピューティング環境において非常に注目されています。

詳細解説

CXLは、私たちが現在学んでいる「コンピュータの構成要素」における「バス規格と進化」の最先端を体現する技術です。なぜCXLが必要とされたのでしょうか？それは、従来のバス構造、特にPCIeだけでは、現代のAIやビッグデータ処理が求める膨大なメモリ帯域幅と低遅延性に対応できなくなったからです。

従来のPCIeは、主にI/Oデバイス（ストレージやネットワークカードなど）を接続するための優れた規格でしたが、CPUとアクセラレータ（例えばGPU）が互いのメモリ空間にアクセスしようとする際には、データのコピーや複雑なソフトウェア処理が必要となり、これが大きな遅延（レイテンシ）の原因となっていました。これをIT業界では「メモリウォール」問題と呼んでおり、この壁を打ち破るためにCXLが誕生したのです。

CXLの最大の特徴は、PCIeの物理的な配線（電気信号の通り道）をそのまま利用しながら、その上に三つの重要なプロトコル層を追加している点にあります。

CXL.io: 従来のPCIe標準（I/Oアクセス）との互換性を保ちます。
CXL.cache: これがCXLの核となる部分です。アクセラレータがCPUのキャッシュメモリに直接アクセスし、CPUとの間でデータの整合性（キャッシュコヒーレンシ）を自動的に保つことを可能にします。これにより、データのコピー作業が不要となり、処理速度が飛躍的に向上します。
CXL.mem: デバイス側（アクセラレータなど）が、CPUのシステムメモリにシームレスにアクセスするためのプロトコルを提供します。これにより、メモリ資源をCPUとアクセラレータが共有しやすくなります。

この三つのプロトコルによって、CXLは単なる高速なデータバスではなく、「メモリを共有し、一貫性を保つインテリジェントなバス構造」へと進化しました。これは、データバス、アドレスバス、制御バスの機能を統合し、より効率的に管理する新しい仕組みだと言えるでしょう。特に、大規模なデータセンターにおいて、メモリ資源をCPUに固定せず、必要に応じて動的に割り当てたり、共有したりする「メモリプーリング」の実現に不可欠な技術として期待されています。

具体例・活用シーン

1. メモリプーリング（資源の共有）

CXLは、データセンターにおけるメモリ資源の利用効率を劇的に改善します。従来のサーバーでは、メモリはCPUに物理的に紐づいていましたが、CXLでは、大量のDRAMや不揮発性メモリを一つの大きなプールとして扱い、必要に応じて複数のCPUやアクセラレータに割り当てることができます。これは、まるでオフィスで各デスク（CPU）に固定された小さなプリンタを持つ代わりに、フロア全体で共有できる高性能な複合機（メモリプール）を持つようなものです。資源の無駄遣いが減り、コスト効率が向上します。

2. AI/機械学習の高速化

GPUやASICといったAIアクセラレータは、訓練データや推論に必要なパラメータを大量に必要とします。CXL以前は、これらのデータをCPUメモリからアクセラレータのローカルメモリに転送する際に大きなボトルネックが生じていました。CXLを導入することで、アクセラレータはCPUのメモリ空間に直接、低遅延でアクセスできるようになり、まるで自分のローカルメモリであるかのようにデータを読み書きできます。これにより、AIモデルの訓練時間が大幅に短縮されます。

3. アナロジー：共有図書館システム

CXLの革新性を理解するための最も良い比喩は、「共有図書館システム」です。

従来のバス構造（PCIeのみの場合）は、CPUとGPUがそれぞれ自分の研究室（ローカルメモリ）と、鍵のかかった独自の書庫（CPUメモリ、GPUメモリ）を持っている状態に似ています。GPUがCPUの書庫にあるデータ（本）を使うには、必ず「コピー担当者」（OSやドライバ）を介して、本をコピーしてもらう必要がありました。このコピー作業が、処理の遅延です。しかも、コピー中に元の本が更新されると、手元のコピーが無効になる（データ不整合）という問題も起こり得ます。

これに対し、CXLは、CPUとGPUが共通してアクセスできる「最新情報が常に保証された共有図書館」を構築します。

CXL.cacheプロトコルは、この図書館の「自動更新システム」のようなものです。CPUが本に書き込み（データ更新）を行っても、GPUがアクセスする際には常に最新版が保証されます。これにより、データのコピー作業は不要になり、両者がシームレスに、かつ一貫性をもって情報（データ）を共有できるようになるのです。これは、バス構造における「共有と整合性」の概念を根本的に変える、非常にエキサイティングな進化だと感じています。

資格試験向けチェックポイント

CXLは、応用情報技術者試験やその上位試験で出題される可能性が高い、最新の技術動向です。特に「バス規格と進化」の文脈で押さえておくべきポイントは以下の通りです。

PCIeとの関係性: CXLはPCIeの物理層（配線）を利用していますが、プロトコル層を追加することで機能を進化させています。CXLがPCIeを「置き換える」のではなく、「補完・拡張する」技術である点を理解しておきましょう。
キャッシュコヒーレンシ（Cache Coherence）: CXLの最も重要な機能は、CPUとアクセラレータ間でキャッシュメモリのデータ一貫性を自動的に維持する点です。このキーワードは、CXLの目的を問う設問で頻出します。
メモリウォール問題の解決: 大量のデータ処理において、CPUとメモリ間のデータ転送速度がボトルネックとなる問題を「メモリウォール」と呼びます。CXLは、このメモリウォールを打破するための技術として位置づけられます。
主要な応用分野: データセンター、クラウドコンピューティング、AI/機械学習といった高性能コンピューティング（HPC）環境での利用が主目的であることを覚えておきましょう。特に「メモリプーリング」や「メモリの非集積化（Disaggregation）」といった概念と結びつけて理解することが大切です。
バス構造の進化: CXLは、従来のI/O専用バス（PCIe）の概念を、メモリ共有と整合性維持を可能にする「統一メモリバス」へと進化させた事例として、バス構造の歴史的文脈の中で捉えてください。