蘋果M1芯片升級了，服務(wù)于應(yīng)用場景的芯片

在去年的蘋果發(fā)布會上，其產(chǎn)品包含iMac全線切到使用蘋果自主研發(fā)并設(shè)計的芯片M1系列，這個系列芯片也代表著蘋果放棄x86架構(gòu)，這一里程碑式性決定。關(guān)于其在架構(gòu)選擇方面的詳細(xì)解讀，可以參考之前的文章：

蘋果發(fā)布M1芯片放棄X86架構(gòu)

M1 Pro和Max都是去年M1的后續(xù)產(chǎn)品，M1是蘋果的第一代Mac芯片，它開啟了蘋果用自己的內(nèi)部設(shè)計取代基于x86芯片的征程。盡管M1速度很快，功耗表現(xiàn)也不錯，但它仍然是一個更小的SoC——仍然為iPad Pro系列等設(shè)備供電，以及相應(yīng)的較低的TDP（Thermal Design Power），自然還是輸給功能更加強勁地芯片，關(guān)于技術(shù)細(xì)節(jié)，在之前的文章中均有提到，這里不再贅述。

那么我們已知評功的M1芯片，于其說是為了制造出一款非常強大的明星產(chǎn)品，不如說是為了其生態(tài)鏈完整產(chǎn)品形態(tài)而服務(wù)的。那么后續(xù)M1基礎(chǔ)上更新的動作，則更值得探究。

Apple M1，擁有4個大性能核心、4個高效核心和8-GPU，在一個5nm工藝節(jié)點上擁有160億個晶體管。

而新的M1 Pro: 10核CPU, 16核GPU, 337億個晶體管。

M1 Pro繼續(xù)使用定制性的封裝，蘋果是封裝SoC芯片和內(nèi)存芯片在一個單一的有機PCB， 這與其他傳統(tǒng)芯片，如AMD或英特爾的DRAM芯片形成對比，后者的特點是內(nèi)存插槽或焊接到主板上，蘋果的做法可能會顯著提高用電效率。

與M1相比，他們將M1 Pro的內(nèi)存總線增加了一倍，從128位LPDDR4X接口轉(zhuǎn)移到更寬更快的256位LPDDR5接口，承諾系統(tǒng)帶寬高達(dá)200GB/s。 我們不知道這個數(shù)字是否是精準(zhǔn)地，但是LPDDR5-6400接口的寬度將達(dá)到204.8GB/s。

上圖將AnandTech分享地M1與M1 Pro進(jìn)行對比，

M1 Pro內(nèi)存接口更加鞏固在SoC的兩個角上，而不是像M1那樣沿著兩條邊展開。 由于接口寬度的增加，我們看到內(nèi)存控制器占用了相當(dāng)大一部分SoC。 顯然在內(nèi)存控制器后面直接使用了兩個系統(tǒng)級緩存(SLC)塊，對比M1，SoC的系統(tǒng)級緩存4MB L2，它是跨所有IP塊共享的。

蘋果的SLC設(shè)計精巧，因為它們服務(wù)于整個SoC，能夠擴大帶寬，減少延遲，或者只是通過避免內(nèi)存處理與芯片分離，極來降低功耗。 這個新一代SLC塊看起來相當(dāng)不同于我們在M1上看到的。 SRAM單元區(qū)域看起來比M1的大，所以雖然我們現(xiàn)在不能確切地確認(rèn)這一點，但這可能意味著每個SLC塊中有16MB的緩存——對于M1 Pro來說，這意味著總SLC緩存32MB。

在蘋果首此發(fā)布M1時，筆者最終得出的結(jié)論時——這是一款可以足夠好服務(wù)于蘋果生態(tài)完整性的芯片產(chǎn)品，但是并不代表是一款最高性能的SOC，也并不能說明Arm架構(gòu)將徹底在與X86競爭的這場戰(zhàn)役中占上風(fēng)。本次發(fā)布的M1 Pro產(chǎn)品，在性能核心方面，蘋果現(xiàn)在增加了一倍，達(dá)到8核。曾經(jīng)，蘋果的M1多線程性能方面落后于其他8核SOC，但隨著本次新品的推出，M1 Pro必然在多線程操作的過程中有著更加突出的表現(xiàn)。畢竟ARM，基本上可以稱之為精簡指令集（RISC）的代名詞，而針對設(shè)計超高性能的臺式機和服務(wù)器處理器，Intel的優(yōu)勢更加明顯。所以顯然，從蘋果進(jìn)階的芯片產(chǎn)品推出的方向看，他們更希望能夠在保持低功耗的RISC基礎(chǔ)上，可以讓芯片的多線程處理性能進(jìn)一步提升。

蘋果似乎鏡像了兩個4核塊，L2緩存也被鏡像。 雖然蘋果在這里引用了24MB的L2，但Anandtech認(rèn)為這是一個2x12MB的設(shè)置，使用的是類似AMD核心的設(shè)置。

在CPU性能指標(biāo)方面，蘋果與競爭對手進(jìn)行了一些比較，特別是這里比較的sku是英特爾的酷睿i7-1185G7和酷睿i7-11800H，這是英特爾最新的Tiger Lake 10nm“superin”CPU的4核和8核版本

蘋果的展示的運行測試結(jié)果顯示，在多線程性能方面，這兩款新芯片都大大超過了英特爾提供的任何芯片，而且功耗大大降低。 所呈現(xiàn)的性能/功率曲線顯示，在30W等功率使用情況下，新M1 Pro和Max的CPU吞吐量比11800H快1.7倍，其功率曲線非常陡峭。 然而，在同等的性能水平下——在本例中使用11800H的峰值性能——蘋果表示，新款M1 Pro/Max實現(xiàn)了同樣的性能，功耗降低了70%。 這兩個數(shù)字之間存在巨大差異，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了英特爾目前的成績。

但是筆者隱約記得在去年在發(fā)布會中，蘋果表示，這是世界上最快的CPU。但是想要真正評估，我們最好真的看一下Firestorm CPU內(nèi)核的微架構(gòu)。根據(jù)我們現(xiàn)有可以得到的信息有限，從蘋果官網(wǎng)注明的測試基準(zhǔn)，其實重點在于運行順暢，比如Safari瀏覽器上網(wǎng)，JavaScript的運行速度提升，睡眠模式喚醒等等，這個測試方式還是對macOS系列的產(chǎn)品有優(yōu)勢的。（筆者注，具體的測試方式Apple 于 2020 年 8 月和 10 月使用 JetStream 2、MotionMark 1.1 和 Speedometer 2.0 性能基準(zhǔn)對完成測試的瀏覽器進(jìn)行了此項測試。測試使用預(yù)發(fā)行版 Safari 14，以及 Chrome、Firefox 和 (Windows) Microsoft Edge 在測試時的最新穩(wěn)定版本，以及配備 Intel Core i5 處理器的 13 英寸 MacBook Pro 系統(tǒng)，運行預(yù)發(fā)行版 macOS Big Sur，并用啟動轉(zhuǎn)換運行 Windows 10 Home）

除了強大的CPU綜合體，蘋果還在擴大其自定義GPU架構(gòu)。 M1 Pro現(xiàn)在采用了16核GPU，宣傳的計算吞吐量性能為5.2 TFLOPs。更大的GPU將被更寬的內(nèi)存總線支持，以及大概32MB的SLC——后者本質(zhì)上類似于AMD的Infinity Cache。（筆者注：AMD推出的Infinity Cache架構(gòu)，主要目標(biāo)是希望解鎖游戲場景下，從1080p到4K的升級，否則，沿用傳統(tǒng)設(shè)計方式，則可能需要超級昂貴且消耗巨大的512位內(nèi)存總線，無限緩存位于主計算核心集群的旁邊，本質(zhì)上充當(dāng)一個小型但有效的內(nèi)存存儲。 它位于較小的L1和L2緩存之間，也在GPU本身）

據(jù)稱，蘋果的GPU性能大大超過了任何上一代競爭對手的集成顯卡性能，因此該公司選擇直接與中端筆記本電腦的IGPU進(jìn)行比較。 在這種情況下，M1 Pro與GeForce RTX 3050 Ti 4GB芯片進(jìn)行了對比，蘋果芯片在功耗降低70%的情況下實現(xiàn)了相似的性能。 這里顯示的功率水平約為30W，但是還不清楚是系統(tǒng)功率，SOC功率或者知識在比較GPU模塊本身的功耗。但是不可否認(rèn)的是，蘋果Mac系列產(chǎn)品圖形處理能力越發(fā)強大。

至此，本次發(fā)布會依然有驚喜，繼M1 Pro之后，M1 Max更加令人眼前一亮，因為本質(zhì)上并不是我們常見的SOC＋GPU的方式，它更像是GPU＋SOC，實際上此類的應(yīng)用配搭在消費類電子領(lǐng)域不太常見，更像是工業(yè)自動化領(lǐng)域做數(shù)據(jù)處理，外圍電路用簡單MCU控制的方式。

M1 Max的封裝更大，并且DRAM芯片從2增加到4，這也對應(yīng)于內(nèi)存接口寬度從256位增加到512位。400GB/s的巨大帶寬，如果它是LPDDR5-6400，可能更準(zhǔn)確地說是409.6GB/s。 這種帶寬基本上只出現(xiàn)在高端GPU中而不是傳統(tǒng)SoC。

根據(jù)上圖可以看到，對比M1 Pro整體上部的架構(gòu)還是近似的，另外兩個128位LPDDR5塊很明顯，而且有趣的是，它們還增加了SLC塊的數(shù)量。 如果確實是每個塊16MB，那么整個SoC就可以使用64MB的片上通用緩存。

在如此巨大的內(nèi)存帶寬資源下，或許除了顯卡的作用，也在功能上有其他方面的考量，筆者猜測這里與機器學(xué)習(xí)相關(guān)的模塊有相關(guān)性。畢竟在對比i9等core的同類型產(chǎn)品，跑相同的ML Model，M1 Max的速度會快很多。

綜上，畢竟ARM使用精簡指令集，芯片子模塊的門控時鐘和電源開關(guān)通常是設(shè)計電路時就決定的。在后端設(shè)計方面，諸如處理電壓，時鐘等問題，控制在輸入電壓切換的時候產(chǎn)生的動態(tài)功耗和關(guān)斷模塊的漏電功耗至關(guān)重要?？傮w來講，這個可能需要結(jié)合軟件系統(tǒng)來看，比如app workflowdata數(shù)據(jù)的手機，可以幫助優(yōu)化MacOS給中央處理器的各個核心分配的多線程任務(wù)等等。擁有自主OS的硬件在產(chǎn)品迭代的思路上有更多不可復(fù)制性。