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蘋(píng)果芯片為何再次驚艷行業(yè)？揭秘不講常理的造芯思路。
芯東西3月9日?qǐng)?bào)道，今夜凌晨，蘋(píng)果又開(kāi)了一場(chǎng)“芯片上”的發(fā)布會(huì)！意料之內(nèi)，芯片再次成為蘋(píng)果春季新品發(fā)布中最亮眼的存在；意料之外，傳聞已久的M2芯片沒(méi)有登場(chǎng)，反而是M1系列推出旗艦版M1 Ultra，以將兩塊M1芯片“粘”在一起的設(shè)計(jì)思路，震驚全場(chǎng)。
作為M1系列Mac電腦芯片的第四彈，M1 Ultra成為了蘋(píng)果電腦芯片的終極武器。蘋(píng)果通過(guò)一個(gè)三步走的策略，幾近完成Mac兩年換芯的大計(jì)，而且?guī)缀趺看味荚?ldquo;干翻”自己，也幾乎每次都在“教”芯片同行做事。
1140億顆晶體管、20核CPU、最高64核GPU、32核神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎、2.5TB/s數(shù)據(jù)傳輸速率、800GB/s內(nèi)存帶寬、最高128GB統(tǒng)一內(nèi)存……這些堪稱恐怖的規(guī)格全部集聚于一塊“至尊版”電腦芯片上。至此，蘋(píng)果在M1系列電腦芯片棋局上的落子，得以清晰而完整的展現(xiàn)。
▲蘋(píng)果M1系列四大芯片，從左至右：M1、M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra
好馬配好鞍，M1 Ultra芯片被搭載于單臺(tái)3萬(wàn)元起售的臺(tái)式機(jī)主機(jī)Mac Studio上，號(hào)稱比最快的iMac性能最高提升3.4倍，比頂配Mac Pro性能提升80%。
這是蘋(píng)果繼早前圓柱形“垃圾桶”式外形、長(zhǎng)方形機(jī)箱式外形后，對(duì)專業(yè)級(jí)桌面主機(jī)形態(tài)的又一次嘗試。雖然外形第一眼看起來(lái)像一個(gè)加厚版的Mac mini，但其內(nèi)里從結(jié)構(gòu)到配置則完全不同。
▲Mac Studio
除了首次在頂級(jí)專業(yè)臺(tái)式Mac中采用自研M1系列芯片外，蘋(píng)果還第一次往顯示器新品Studio Display里塞了一顆A13仿生芯片，A13之前被用在2019年iPhone 11系列智能手機(jī)、2021年入門(mén)級(jí)iPad 9中。而加入手機(jī)SoC級(jí)別的芯片，用來(lái)強(qiáng)化攝像頭和音箱功能，也是蘋(píng)果的顯示器形態(tài)的一次新嘗試。不過(guò)目前蘋(píng)果專業(yè)顯示器的天花板仍然是那臺(tái)售價(jià)超4萬(wàn)元的XDR 6K專業(yè)顯示器。
Mac Studio主機(jī)和Studio Display顯示器都從3月10日9點(diǎn)起預(yù)購(gòu)，主機(jī)3月18日發(fā)售，顯示器則要等獲批后發(fā)售。此外，新款iPad Air 5首次搭載與iPad Pro同款的M1芯片，第三代iPhone SE智能手機(jī)也換上了與最新iPhone 13系列同款的A15仿生芯片，兩款新品將從3月11日21點(diǎn)起預(yù)購(gòu)，3月18日發(fā)售。
蘋(píng)果Mac換芯的策略是什么？這個(gè)性能突破天際的電腦芯片解決了哪些核心難題？下面，芯東西將著重復(fù)盤(pán)和解讀這背后的技術(shù)邏輯。
01.M1 Max + M1 Max = M1 Ultra
從2020年6月宣布Mac換芯計(jì)劃，并在當(dāng)年11月首推電腦芯片M1，到現(xiàn)在不到兩年的時(shí)間，蘋(píng)果已接近完成既定的“兩年芯片過(guò)渡計(jì)劃”，只差最后一款Mac Pro。去年蘋(píng)果推出性能爆棚的M1 Max芯片時(shí)，大家普遍以為這已經(jīng)是M1系列芯片的封頂之作，畢竟M1 Max芯片已經(jīng)觸及臺(tái)積電N5制程可制造的極限，面積達(dá)到432mm²。結(jié)果，蘋(píng)果這次直接掀翻了臺(tái)式機(jī)芯片的天花板，亮出M1系列的真正收官之作——M1 Ultra。
據(jù)芯東西得知，M1 Ultra就是蘋(píng)果M1系列的最后一顆芯片，不會(huì)有第五顆了。而且從一開(kāi)始，蘋(píng)果就有清晰計(jì)劃要分為三個(gè)階段來(lái)將M1用到Mac產(chǎn)品：第一階段，進(jìn)入到普及性的Mac，包括MacBook Air、Mac Mini乃至入門(mén)版MacBook Pro；第二階段，來(lái)到更高階的MacBook Pro；第三階段，進(jìn)入專業(yè)級(jí)臺(tái)式機(jī)主機(jī)，將桌面電腦性能推升到一個(gè)新的高度。
M1 Ultra采用臺(tái)積電5nm工藝，由兩塊M1 Max芯片拼接而成，這樣的“組合”使得其晶體管數(shù)量達(dá)到1140億顆，這也是蘋(píng)果自研芯片的晶體管數(shù)量首次突破1000億顆。該芯片的各項(xiàng)硬件指標(biāo)也翻番：20核CPU包含16個(gè)高性能核心、4個(gè)高能效核心；GPU核心數(shù)量增至64核；32核神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎能夠帶來(lái)每秒22萬(wàn)億次的運(yùn)算能力；統(tǒng)一內(nèi)存最高規(guī)格達(dá)到128GB；內(nèi)存帶寬提升至800GB/s，達(dá)到最新型號(hào)臺(tái)式PC芯片的10倍以上。同時(shí)，M1 Ultra最高支持8TB的SSD固態(tài)硬盤(pán)存儲(chǔ)。
尤其是多die（Multi-die）GPU配置，可以說(shuō)是做了大膽而驚人的設(shè)計(jì)，這里的核心難度在于高端部件通常消耗的內(nèi)部帶寬過(guò)高，超過(guò)1TB/s，致使將它們連接起來(lái)在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)。像之前Mac Pro中用的傳統(tǒng)多GPU系統(tǒng)，每個(gè)GPU都是獨(dú)立的。因?yàn)閹挷粔颍鄠€(gè)GPU難以在單個(gè)圖形任務(wù)上進(jìn)行有效地協(xié)同。但如果能通過(guò)某種方式將多個(gè)GPU借助die-to-die技術(shù)連接起來(lái)，就可能在一個(gè)任務(wù)中同時(shí)使用它們。
這是多家芯片公司都在研究的問(wèn)題，目前看來(lái)，蘋(píng)果似乎成為了第一家實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的公司。在介紹M1 Ultra前，蘋(píng)果高管也就兩塊芯片“粘”在一起的難點(diǎn)賣了個(gè)關(guān)子，他說(shuō)直接采用兩塊芯片來(lái)增加芯片核心面積的方式很常見(jiàn)，但以前這種做法會(huì)增加功耗、拖慢傳輸速率，給開(kāi)發(fā)者增加負(fù)擔(dān)。那么蘋(píng)果怎么做呢？今天，蘋(píng)果揭曉了其秘密武器——UltraFusion。
在對(duì)M1 Ultra做規(guī)劃時(shí)，蘋(píng)果考慮到對(duì)統(tǒng)一內(nèi)存的擴(kuò)充，重點(diǎn)思考了延遲、帶寬、功耗和性能等指標(biāo)，選擇采用了融合拼接的方式，并與合作伙伴（芯片代工制造方）進(jìn)行了非常密切的合作，來(lái)實(shí)現(xiàn)UltraFusion技術(shù)的應(yīng)用。這里涉及復(fù)雜的技術(shù)難關(guān)，比如，為了做到統(tǒng)一的架構(gòu)，上面和下面的芯片延遲需相同，CPU看到的必須是一致的。
蘋(píng)果要求其延遲不要超過(guò)一般的延遲，對(duì)性能的影響不到10%。此前M1系列芯片一直采用蘋(píng)果自己定制的封裝方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高速統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)，而UltraFusion作為蘋(píng)果創(chuàng)新定制的多晶粒架構(gòu)，是2.5D先進(jìn)封裝的一個(gè)最新例子。
其基本原理應(yīng)該是某種硅中介層（interposer）被鋪在兩個(gè)M1 Max芯片下面，兩個(gè)芯片之間的信號(hào)可以通過(guò)硅中介層的布線。這使得M1 Ultra芯片可同時(shí)傳輸超過(guò)10000個(gè)信號(hào)，其連接密度是現(xiàn)有技術(shù)的兩倍，實(shí)現(xiàn)高達(dá)2.5TB/s低延遲處理器間帶寬，比業(yè)內(nèi)高端多芯片帶寬的4倍還多。
這意味著，M1 Ultra芯片雖然是兩個(gè)芯片的組合體，但在工作時(shí)會(huì)表現(xiàn)出一枚芯片的整體性，被所有軟件識(shí)別為一枚完整芯片，開(kāi)發(fā)者無(wú)需重寫(xiě)代碼就能直接運(yùn)用它的強(qiáng)大性能?？梢哉f(shuō)，史無(wú)前例。
總而言之，借助UltraFusion架構(gòu)，蘋(píng)果成為第一家將兩個(gè)GPU拼在一起而且實(shí)現(xiàn)2.5TB/秒超高傳輸速率的芯片供應(yīng)商。
蘋(píng)果這些不按常理出牌的做法，背后其實(shí)是一種以解決問(wèn)題為第一目的實(shí)用主義原則在做指導(dǎo)，比如他們把這個(gè)“粘接融合多個(gè)芯片”的UltraFusion架構(gòu)沒(méi)有當(dāng)做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，只是他們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)M1 Ultra性能功耗目標(biāo)的一個(gè)工具，而如果后面遇到更大的挑戰(zhàn)，說(shuō)不定還有整出怎樣更腦洞大開(kāi)的“工具”。
除了這些以外，M1 Ultra內(nèi)還集成了多種定制的蘋(píng)果技術(shù)，如能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)外接顯示器的顯示引擎、雷電4控制器集成、同類最佳的安全技術(shù)，包括蘋(píng)果最新的安全隔區(qū)、基于認(rèn)證硬件的安全啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)防漏洞利用技術(shù)。
02.性能實(shí)測(cè)：GPU功耗遠(yuǎn)低于英偉達(dá)3090
蘋(píng)果在特定電腦系統(tǒng)上進(jìn)行了性能測(cè)試，大致可以反映Mac Studio、Mac Pro和iMac的性能對(duì)比。
參與測(cè)試的Mac Studio系統(tǒng)配置為M1 Ultra芯片、128GB RAM、8TB 固態(tài)硬盤(pán)，Mac Pro系統(tǒng)配備了3.2GHz 16核英特爾Xeon W處理器、192GB RAM、4TB固態(tài)硬盤(pán)，27英寸iMac系統(tǒng)配備了3.6GHz 10核英特爾Core i9 處理器、128GB RAM、8TB固態(tài)硬盤(pán)。
根據(jù)蘋(píng)果提供的數(shù)據(jù)，在相同功耗下，M1 Ultra處理多線程任務(wù)的速度比16核英特爾旗艦至強(qiáng)i9-12900K提升了90%；實(shí)現(xiàn)同樣性能時(shí)，M1 Ultra的功耗比12900K少100W。
這里需注意的是，在多線程工作負(fù)載方面，蘋(píng)果可以說(shuō)一直都是頂級(jí)守擂者，但其在單線程方面有點(diǎn)擠牙膏，高性能核心已經(jīng)被英特爾新架構(gòu)超越。GPU方面尤其值得一提。
蘋(píng)果聲稱實(shí)現(xiàn)同樣的性能，M1 Ultra的功耗只有主流獨(dú)立GPU的1/3，或比最強(qiáng)顯卡英偉達(dá)GeForce RTX 3090少200W。
當(dāng)然，考慮到蘋(píng)果M1 Ultra采用的是臺(tái)積電5nm工藝，而英偉達(dá)3090采用的是三星8nm工藝，這里制造工藝的升級(jí)貢獻(xiàn)了一部分能效的提升。相比27英寸iMac中的AMD Radeon Pro 5700XT獨(dú)立顯卡，M1 Ultra的GPU性能提升高達(dá)4.5倍，甚至比起Mac Pro中的AMD Radeon Pro W6900X，性能提升幅度也達(dá)到了80%。下圖是蘋(píng)果關(guān)于8K渲染速度提升情況的測(cè)試結(jié)果。
M1 Ultra的媒體處理引擎資源同樣翻倍，其處理 ProRes格式視頻編解碼任務(wù)的吞吐能力提升至史上最高，最多可同時(shí)播放18條8K ProRes 422格式的視頻流。
03.將A13仿生芯片塞入顯示器
為了配合Mac Studio主機(jī)，蘋(píng)果還推出了一款分辨率達(dá)5K級(jí)別的新顯示器產(chǎn)品Studio Display。
這款顯示器首次內(nèi)置了蘋(píng)果的自研旗艦手機(jī)芯片A13，用于優(yōu)化視頻人物居中、空間音頻和“嘿 Siri”等功能的處理能力。同時(shí)，新款iPhone SE用上和iPhone 13系列同款的A15仿生芯片，有6核CPU和4核GPU，CPU性能比iPhone 8提升1.8倍，GPU處理速度比二代SE最高提升1.2倍，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理能力提升26倍。
iPad Air 5亦換上與iPad Pro同款的M1芯片，相比上代A14性能提升達(dá)到了60%，8核圖形處理器最高提速至2倍，16核神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎也讓機(jī)器學(xué)習(xí)性能大幅提升。
當(dāng)然，軟硬件協(xié)同是蘋(píng)果產(chǎn)品體驗(yàn)的一貫優(yōu)勢(shì)，macOS系統(tǒng)和各款專業(yè)App已為蘋(píng)果M1系列芯片優(yōu)化，能夠充分利用M1 Ultra的性能。面向碳中和，蘋(píng)果稱其定制芯片的出色能效幫助 Mac Studio在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)消耗更少電力，并稱Mac Studio在一整年里所消耗的電力比起一臺(tái)高端配置的臺(tái)式PC可節(jié)省最高達(dá)1000千瓦時(shí)。
蘋(píng)果目前在全球公司運(yùn)營(yíng)方面已實(shí)現(xiàn)碳中和，計(jì)劃在2030年年底前讓全部公司業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)碳中和，包括制造供應(yīng)鏈和所有產(chǎn)品生命周期在內(nèi)。這意味著蘋(píng)果所生產(chǎn)的每一枚芯片，從設(shè)計(jì)到制造，都將實(shí)現(xiàn)100%碳中和。
04.結(jié)語(yǔ)：蘋(píng)果芯，干翻自己！
如今，蘋(píng)果已經(jīng)在幾乎所有的Mac產(chǎn)品線中全面應(yīng)用了其自研芯片。今天蘋(píng)果的推出M1 Ultra芯片，雖說(shuō)與此前盛傳的M2芯片不符，但其直接將兩塊GPU連在一起的設(shè)計(jì)思路，乍一看有些出乎意料，但細(xì)想其實(shí)是非常合理的進(jìn)化方向。
決心在自研電腦芯片上一往無(wú)前后，蘋(píng)果每一次推出的M1系列芯片新品類都是各種先進(jìn)技術(shù)的集大成者，并且每一次都創(chuàng)造了一個(gè)新的芯片設(shè)計(jì)高地，誰(shuí)能想到當(dāng)初驚艷登場(chǎng)的M1芯片，如今竟成了M1系列中最低配的存在呢？
在單個(gè)芯片觸達(dá)實(shí)際尺寸極限后，蘋(píng)果開(kāi)始走堆料路線，并通過(guò)創(chuàng)新架構(gòu)將多個(gè)芯片封在一起，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)悍的性能效果。理論上，三個(gè)乃至更多芯片的組合，也是可以實(shí)現(xiàn)的，不過(guò)據(jù)芯東西了解，蘋(píng)果暫無(wú)這么做的興趣。
至于M1芯片終極版本究竟能在實(shí)際產(chǎn)品中發(fā)揮出怎樣的水準(zhǔn)？我們非常期待看到它在后續(xù)實(shí)測(cè)的表現(xiàn)。
編譯 | ZeR0
編輯 | 漠影
