Долгое время производительность Intel для Mac была на высшем уровне. Но в последние годы дорожная карта процессоров Intel стала менее интересной с точки зрения прироста мощности. Хотя в Apple и заверяют, что решение о смене «сердца» в «маках» связано не с этим.

«Речь о том, что мы можем сделать, а не о том, что не может сделать кто-то другой», — заявил в одном из интервью вице-президент компании по маркетингу Грег Джосвиак.

Apple не занимается продажей чипов на сторону, что позволяет действительно тесно интегрировать их с программным обеспечением и операционной системой. А потому был проведен большой анализ типичной рабочей нагрузки для Mac, от которого и отталкивались в разработке чипа.

M1 похож на чипы смартфонов, хоть и дебютировал на MacBook

M1 построен на микроархитектуре ARM, которая используется в чипах для смартфонов и годами применяется Apple в разработке чипов A-серии для «айфонов» и «айпадов». Мобильные чипы — это система на кристалле — условно, много разных чипов под одной крышкой.

На PC мы привыкли, что компьютер в итоге состоит из материнской платы, в выделенные слоты на которой устанавливаются процессор, планки оперативной памяти, видеокарта, накопители.

Мобильные же системы на кристалле (SoC) выполняются в виде одного чипа, который припаян к печатной плате. В этом чипе содержатся:

• центральный процессор — мозг, который отвечает за большинство исполняемого кода операционной системы и приложений;
• мобильная видеокарта — графический процессор, который связан с исполнением задач по визуализации;
• блок обработки изображений, который преобразует данные с камеры телефона в файлы изображений и видео;
• цифровой сигнальный процессор, который отвечает за более специфические вычисления, чем процессор (например, декомпрессию музыкальных файлов или анализ данных со встроенных датчиков);
• блок нейронной обработки, который также нужен для более специфичной задачи по выполнению алгоритмов машинного обучения: компьютерное зрение, распознавание голоса, нейросети;
• модемы беспроводной связи: Wi-Fi, Bluetooth, 5G.

M1 — это не процессор

M1 — первый и в чем-то уникальный чип Apple для компьютеров Mac. Это не процессор, а именно чип, система на кристалле, которая включает в себя несколько разных компонентов.

В чипе M1 расположены восемь ядер центрального процессора: четыре заточены под производительные задачи под нагрузкой, еще четыре — под энергоэффективную работу. Это уже классическая схема для многих мобильных чипов в современных смартфонах.

Помимо мозга, в чипе есть и другие компоненты, которые помогают всей системе функционировать. В первую очередь это восьмиядерный графический ускоритель. В некоторых базовых моделях в чипе семь ядер графики.

Есть сопроцессор Secure Enclave, который заменил скомпрометированную микросхему T2 в «маках» на Intel и переехал под крышку M1. Там же находятся нейросетевой движок, унифицированная архитектура памяти (RAM), контроллер SSD-накопителя, процессор обработки изображений, механизм кодирования/декодирования и контроллер интерфейса Thunderbolt — все на одной контактной площадке.

M1 построен на ультрасовременном 5-нанометровом техпроцессе с 16 млрд транзисторов. Это значит, что у него меньше транзисторы, которые отвечают за операции, на площадке их можно разместить больше и они будут потреблять меньше энергии.

Архитектура объединенной памяти

Фундаментом для M1 стали все те наработки в сфере интеллектуальной собственности, которые начали закладывать еще с десяток лет назад с первым процессором, затем графическим ускорителем, потом процессором обработки изображений и нейросетевым движком.

Несколько лет назад в Apple решили, что пора делать на всем этом фундаменте собственный десктопный чип, а масштабировать дело позволит архитектура объединенной памяти (Unified Memory Architecture).

В интернете можно найти множество тестов ноутбуков Apple на M1, которые сравнивают с топовыми моделями предыдущих поколений на Intel. Обзоры новинок были и у нас. Они оставили только положительные впечатления.

Одна из разгадок кроется в новой архитектуре системной памяти, которую Apple применила в чипе M1. Как уже говорилось выше, в чипе заключены не только центральный и графический процессоры, но и системная память.

Оперативная память в чипе — это единый пул, который доступен всем компонентам M1 (в частности, центральному и графическому процессорам, нейросетевому движку) и расположен очень близко ко всем из них. И когда графическим ядрам нужны данные, которые ранее использовали процессорные ядра, их не надо копировать или кешировать из одной части памяти в другую, выделенную непосредственно для работы с графикой. GPU просто обращается к той же части памяти, которую использовал CPU.

«Мы не только получили огромное преимущество в виде сырой производительности нашего GPU. Не менее важным было то, что благодаря архитектуре объединенной памяти мы не перемещали данные постоянно туда-сюда и не меняли форматы, что замедляло работу. Мы получили огромный прирост производительности», — хвастается старший вице-президент по технологиям аппаратного обеспечения Джони Сруджи.

На материнской плате новых MacBook нет слота для памяти или места, куда бы этот чип был припаян. Память находится в том же чипе M1. Для обывателя это означает, что он выбирает компьютер с определенным объемом оперативной памяти и никак не может в будущем сделать апгрейд.

Специалисты iFixit разбирали новые «маки» и показали, как выглядит эта интеграция памяти в чип. Две небольшие микросхемы памяти LPDDR4X от производителя SK Hynix распаяны рядом с чипом на одной контактной площадке, но не закрыты теплопроводящей крышечкой. Выглядит немного необычно для тех, кто привык к классическим камням от Intel и AMD.

Apple сделала это не для того, чтобы позлить пользователей, а для того, чтобы значительно нарастить производительность. Китайские спецы уже научились отпаивать микросхемы памяти и заменять их на более емкие. Правда, в процессе такого апгрейда существует серьезный риск загубить весь чип. Так что большинство владельцев MacBook на такой финт не решатся.

Пока основные модели компьютеров от Apple на новых чипах располагают 8 и 16 ГБ объединенной памяти. Для кого-то это может стать проблемой, хотя из личного опыта обработки роликов в 4K скажу, что Final Cut от «яблочников» отлично работает с такими тяжелыми файлами и на MacBook Pro с Intel Core i5 и 8 ГБ оперативной памяти. Вероятно, в следующих и более мощных итерациях чипа Apple Silicon мы увидим и рост объема оперативной памяти.

Больше декодеров

Еще одним важным ключом к успеху M1 называют разработки в микроархитектуре центрального процессора, которые Apple долгие годы оттачивала на мобильных чипах для iPhone. Последний актуальный чип A14 — это восьмое поколение семейства 64-битной микроархитектуры, с которой Apple дебютировала в чипе A7 для iPhone 5s.

Компания особо не распространяется о том, что происходит «под капотом» ее чипов. Специалисты AnandTech с помощью собственных микробенчмарков определили, что чип Apple A14 обладает восьмью декодерами, тогда как в процессорах от Intel и AMD на архитектуре x86 четыре декодера. Эти декодеры занимаются тем, что работают с поступающими из памяти инструкциями для процессора. Инструкции предоставляются операционной системой и программами. Инструкции бывают переменной и фиксированной длины. У ARM-архитектуры инструкции фиксированной длины, тогда как у инструкции для процессоров на x86 длина в байтах переменная, их сложнее декодировать.

В итоге в чипе Apple A14 «накормить» инструкциями параллельно восемь декодеров оказывается проще и быстрее. К тому же у разработок Apple буфер декодированных инструкций, которые можно «припарковать» в ожидании выполнения их процессорными ядрами, значительно больше. И специалисты полагают, что в случае с M1 мы имеем аналогичную ситуацию.

Что дальше?

Нет сомнений, что Apple готовит следующее поколение своих чипов, которые, вероятно, получат название M2. В индустрии ходят слухи, что новые чипы дебютируют во второй половине года в новых моделях MacBook Pro. Говорят, что TSMC, контрактный производитель чипов Apple, уже приступил к их массовому производству.

Согласно инсайдам финансового издания Bloomberg, сейчас в подвалах Apple инженеры работают над проектами чипов с 16 производительными ядрами и четырьмя энергоэффективными. Для настольных Mac Pro более высокого класса тестируют варианты с 32 производительными ядрами. Восьмиядерные M1 демонстрируют отличную производительность. Их последователи должны быть еще мощнее.

Предполагается, что M2 дебютирует в моделях MacBook Pro с 14- и 16-дюймовой диагональю экрана. Это будут существенно переработанные ноутбуки, которые лишатся сенсорной панели Touch Bar, получат новый дизайн и большее количество специфических портов — например, кардридер для фотографов и видеографов, которые наконец смогут отказаться от части своих переходников.

К тому же поговаривают, что M2 может появиться в iMac с большей диагональю экрана. Недавно компания анонсировала 24-дюймовые модели на M1. Был и планшет iPad Pro на M1. В течение ближайших двух лет компания собирается перевести все свои продукты на эту систему на кристалле.

Представленные прошлой осенью «маки» являются одними из самых быстрых в истории Apple. Но они, вероятно, будут самыми медленными Mac с Apple Silicon, которые когда-либо представит компания.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. nak@onliner.by