淺談M1芯片背后的故事

前不久，蘋果發(fā)布了在Arm芯片上運(yùn)行的Mac機(jī)器，當(dāng)我們驚嘆于蘋果為何能在自言芯片上不斷邁出自己堅(jiān)實(shí)的步伐時(shí)，背后到底有怎樣的故事呢？一家外媒近期采訪了蘋果公司軟件工程高級(jí)副總裁Craig Federighi、蘋果全球市場(chǎng)營(yíng)銷高級(jí)副總裁Greg Joswiak和硬件技術(shù)高級(jí)副總裁Johny Srouji，讓我們一起看看蘋果的真實(shí)想法。

為什么是現(xiàn)在？

Federighi表示，Mac是蘋果的靈魂，讓許多人參與到計(jì)算中來，也是許多人投入到蘋果生態(tài)的源頭。Mac也是人們的生產(chǎn)力工具，所以在蘋果所做的一切工具中，只要有機(jī)會(huì)，我們就會(huì)將所有的知識(shí)應(yīng)用到這個(gè)核心系統(tǒng)中來，算是一種夢(mèng)想成真。

Srouji補(bǔ)充道：“我們確實(shí)需要自己的定制芯片來交付提供真正的最好的Mac?！?/p>

從歷史角度來看，在PowerPC架構(gòu)即將走到盡頭的時(shí)候，蘋果在2006年選擇了英特爾的X86架構(gòu)。在最初幾年，英特爾是蘋果的最大福音，它們使與Windows和其他平臺(tái)的互操作性成為可能，使Mac成為更加靈活的計(jì)算機(jī)。除了臺(tái)式機(jī)，它們還使Apple可以將更多的精力放在越來越流行的筆記本電腦上。他們使Mac整體上更受歡迎，與此同時(shí)，iPod以及隨后不久的iPhone取得了巨大的成功。

長(zhǎng)期以來，英特爾的性能都是一流的。但是近年來，無論從性能方面還是在一致性方面，英特爾的CPU路線圖都不太可靠。但是受訪的三個(gè)人都堅(jiān)稱，這并不是變革背后的動(dòng)力。

Joswiak表示：“這是我們能做的，我們并不在乎別人不能做什么?！?/p>

最初知道這個(gè)決定的人很少。Federighi回憶道：“但從我們說要走這條路的那一刻起，那些認(rèn)識(shí)我們的人就笑而不語(yǔ)?！?/p>

Srouji將蘋果描述為一個(gè)能夠成功的特殊存在：“正如你所知道的，我們并沒有把芯片設(shè)計(jì)成通用解決方案——這讓我們能夠真正與軟件、系統(tǒng)和產(chǎn)品緊密集成——這正是我們所需要的?！?/p>

M1的設(shè)計(jì)

蘋果需要的是一種芯片，該芯片吸取了多年iPhone，iPad和其他產(chǎn)品的單芯片移動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，然后添加了各種附加功能，以滿足筆記本電腦或臺(tái)式電腦。

“在此期間，我們甚至還在設(shè)計(jì)架構(gòu)或定義功能，”Srouji回憶說，“Craig和我同一個(gè)辦公室，我們說，‘好吧，這就是我們想要設(shè)計(jì)的。將會(huì)是最重要的事情?！?/p>

當(dāng)蘋果公司首次宣布其計(jì)劃今年推出第一個(gè)Apple Silicon Mac時(shí)，旁觀者推測(cè)iPad Pro A12X或A12Z芯片是一個(gè)模板，新Mac芯片將類似于A14X-a加強(qiáng)版的芯片。

當(dāng)然不完全是這樣，F(xiàn)ederighi說：“M1本質(zhì)上是一個(gè)超集，因?yàn)楫?dāng)我們開始制作Mac芯片的時(shí)候，有很多不同之處，因此，對(duì)應(yīng)的與A14X或者其他的芯片相比就會(huì)有很多不同之處。”

“我們對(duì)Mac應(yīng)用程序工作負(fù)載、運(yùn)行典型Mac工作負(fù)載所需的圖形/GPU功能、所需的紋理格式、對(duì)各種GPU計(jì)算的支持以及Mac上可用的內(nèi)容進(jìn)行了大量分析。即使是內(nèi)核的數(shù)量，驅(qū)動(dòng)Mac大小顯示器的能力，對(duì)虛擬化和雷電的支持?！?/p>

“我們?cè)贛1中設(shè)計(jì)了很多很多功能，這些都是對(duì)Mac的要求，但相對(duì)于為iPhone編譯的應(yīng)用程序，這些都是超集功能?！?/p>

Srouji對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)充：

“我們已經(jīng)建立的很多IP基礎(chǔ)，成為M1的基礎(chǔ)，這一切開始于十多年前。你可能知道，我們從自己的CPU開始，然后是圖形、ISP和神經(jīng)引擎。

我們已經(jīng)開發(fā)了這些偉大的技術(shù)超過十年，然后幾年前，我們說，‘現(xiàn)在是時(shí)候使用我們稱之為可擴(kuò)展的架構(gòu)了?！?yàn)槲覀冇辛诉@些偉大IP的基礎(chǔ)，并且該架構(gòu)通過UMA是可擴(kuò)展的。

然后我們說，‘現(xiàn)在是時(shí)候?yàn)镸ac定制芯片了’，也就是M1。它不像某些iPhone芯片。這是一個(gè)完全不同的定制芯片，但我們確實(shí)使用了這些偉大的IP基礎(chǔ)?！?/p>

統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)

UMA是“統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)”的縮寫，當(dāng)潛在用戶看到M1的基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，他們會(huì)想，一款源自移動(dòng)設(shè)備、功耗相對(duì)較低的芯片怎么可能達(dá)到那樣的性能，蘋果指出UMA是獲得成功的關(guān)鍵因素。

Federighi聲稱：“現(xiàn)代計(jì)算或圖形渲染管道已經(jīng)發(fā)展，它們已經(jīng)成為GPU計(jì)算、GPU渲染、圖像信號(hào)處理等的‘混合體’。”

UMA本質(zhì)上是指所有的組件——中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、神經(jīng)處理器（NPU）、圖像信號(hào)處理器（ISP）等等——共享一個(gè)速度非常快的內(nèi)存池，并且位置非常接近。這與常見的桌面范例相反，比如，把一個(gè)內(nèi)存池分配給CPU，另一個(gè)分配給另一邊的GPU。

當(dāng)用戶運(yùn)行要求很高的、多方面的應(yīng)用程序時(shí)，傳統(tǒng)的管道最終可能會(huì)損失大量的時(shí)間和效率，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以被所有不同的處理器訪問。Federighi認(rèn)為，蘋果在M1上的成功，部分原因是在硬件和軟件層面拒絕了這種低效的模式：

Federighi認(rèn)為，“我們不僅獲得了GPU原始性能的巨大優(yōu)勢(shì)，而且同樣重要的是，使用統(tǒng)一的內(nèi)存架構(gòu)，我們不需要不斷地來回移動(dòng)數(shù)據(jù)，也不需要改變格式來減慢速度。我們的性能也有了很大的提高?！?/p>

“所以我認(rèn)為過去的工作量就如同，你想畫的三角形，把它們送到離散的GPU上，讓它去做它的事，永遠(yuǎn)不要回頭——現(xiàn)代計(jì)算機(jī)渲染管道并不是現(xiàn)在的樣子。這些東西在許多不同的執(zhí)行單元之間來回移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)這些效果?！?/p>

這不是唯一的優(yōu)化。近幾年來，蘋果的Metal圖形API采用了“基于tile的延遲渲染”，M1的GPU就是為了充分利用這一點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。Federighi解釋道：

“老派的GPUs基本上是同時(shí)在整個(gè)框架上操作，而我們可以移動(dòng)到極快的片上內(nèi)存，然后執(zhí)行一個(gè)巨大的操作序列。這是難以置信的帶寬效率的方式，這些離散的GPU沒有這樣的優(yōu)勢(shì)。然后你只要把它與我們高帶寬，以及芯片的其他效率結(jié)合起來，它就是一個(gè)更好的架構(gòu)。”

Mac硬件的下一步

一些技術(shù)愛好者懷疑，蘋果在M1上所做的事情，是否會(huì)擴(kuò)大到足以取代臺(tái)式電腦的高端性能，比如專門設(shè)計(jì)的iMac或Mac Pro。

提高低端機(jī)器的性能是一碼事，在低端機(jī)器上，性能并不是一個(gè)重要的優(yōu)先考慮的問題。爭(zhēng)論還在繼續(xù)，挑戰(zhàn)那些已經(jīng)為專業(yè)工作流程或游戲玩家打造的機(jī)器那完全就是另一回事。

不幸的是，蘋果公司并不傾向于談?wù)摷磳⑼瞥龅漠a(chǎn)品的任何有用的細(xì)節(jié)，所以對(duì)于懷疑者來說，這仍然是個(gè)問號(hào)。費(fèi)代里吉告訴我們：“我們以M1作為一系列芯片中的第一個(gè)，我們?cè)O(shè)計(jì)它來解決這個(gè)問題?！薄拔医ㄗh你的讀者根據(jù)以下幾點(diǎn)來評(píng)價(jià)我們：蘋果把心思放在了解決這個(gè)問題上，結(jié)果如何？”

盡管蘋果公司不愿透露具體細(xì)節(jié)，但我們對(duì)目前的產(chǎn)品陣容有一些線索。本周，蘋果發(fā)布了三款內(nèi)置M1的Mac電腦——MacBookAir和Mac mini臺(tái)式機(jī)的入門級(jí)版本以及13英寸的MacBook Pro。在很大程度上，所有芯片都是一樣的。（低端的MacBook Air的M1有七個(gè)GPU內(nèi)核，而不是八個(gè)。）當(dāng)我們這周評(píng)測(cè)Mac mini時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它在CPU任務(wù)方面擊敗了除最高級(jí)臺(tái)式機(jī)之外的所有機(jī)型，并且正在叩開快速離散GPU的大門。

用戶期望MacBook Pro能提供比Air更強(qiáng)勁的性能，并對(duì)這兩款電腦的區(qū)別表示了一些困惑。所以我們問蘋果，除了單一的GPU核心之外，MacBook Pro是如何提供更好的性能的。

“這都是關(guān)于每瓦特性能的，”Srouji回答：“系統(tǒng)的熱預(yù)算可以根據(jù)形狀因素不同而不同。根據(jù)你使用的冷卻系統(tǒng)的不同，情況也會(huì)有所不同。這決定了我們所謂的可持續(xù)峰值表現(xiàn)?！?/p>

換句話說，當(dāng)需要加速時(shí)，MacBook Air和Pro的性能應(yīng)該是相似的，但Pro可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持這種性能，這對(duì)許多要求較高的工作流程，比如視頻編輯。在這種情況下，空氣會(huì)加速循環(huán)以保持良好散熱。根據(jù)蘋果公司的說法，M1的性能越好，你可以賦予它更多的能量。

就在這一點(diǎn)上，Srouji在不久前的蘋果新款Mac電腦演示會(huì)上展示了一張圖表?！澳遣皇鞘袌?chǎng)結(jié)構(gòu)圖，” Srouji說?！斑@是一張真正的圖表，顯示了不同功率級(jí)別下的性能。”

Srouji說，任何看圖表的人都能看到MacBookAir在這個(gè)尺度上的位置，“但你會(huì)看到那條線一直向右延伸，當(dāng)它向右延伸時(shí)，性能就上升了?！?0瓦線右邊的區(qū)域就是MacBook Air和MacBook Pro的區(qū)別?！?/p>

Srouji補(bǔ)充道：“而且它會(huì)變得越來越大?！?/p>

值得注意的是，蘋果并沒有升級(jí)MacBook Pro或Mac mini的高端配置，這兩款設(shè)備都有便于用戶使用的32GB或64GB內(nèi)存，或四個(gè)Thunderbolt 3端口，或4TB存儲(chǔ)空間。

當(dāng)被問到為什么沒有32或64GB內(nèi)存的M1 MacBook pro時(shí)，F(xiàn)ederighi 表示：“我們針對(duì)一組特定系統(tǒng)設(shè)計(jì)了M1。這些是我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)，也是我們銷售的系統(tǒng)。”但蘋果公司已經(jīng)證實(shí)，它計(jì)劃在兩年內(nèi)將整個(gè)產(chǎn)品線轉(zhuǎn)移到蘋果芯片上——包括表現(xiàn)出色的Mac Pro。

言外之意似乎是，這只是一個(gè)開局。這可能是迄今為止發(fā)布的速度最快的Mac電腦中，但同時(shí)它們很可能是該公司從今往后推出的帶有Apple Silicon芯片的速度最慢的Mac電腦。除非Mac產(chǎn)品線的基本結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，否則它只會(huì)從現(xiàn)在起繼續(xù)前進(jìn)。

將iPhone和iPad應(yīng)用程序帶到Mac上

這是第一次，適用于這些平臺(tái)的應(yīng)用程序可以在Mac上運(yùn)行。雖然Mac經(jīng)常與高質(zhì)量的應(yīng)用程序聯(lián)系在一起，但它還沒有看到iOS和Windows所能獲得的大規(guī)模第三方軟件支持。向iOS應(yīng)用程序開放可能是解決這個(gè)問題的一個(gè)很有前途的方法，他們只能在Mac應(yīng)用程序商店找到好的體驗(yàn)。

去年，蘋果推出了Project Catalyst框架，旨在幫助開發(fā)人員輕松調(diào)整iPad應(yīng)用程序，使其在Mac上運(yùn)行良好。在這周的回顧中，我們發(fā)現(xiàn)了一些在macOS中運(yùn)行良好的應(yīng)用程序示例，但我們覺得有太多的應(yīng)用程序不能提供理想的用戶體驗(yàn)。

據(jù)Federighi說，“大約90%的應(yīng)用程序運(yùn)行良好?！敝劣跒槭裁从行┤丝赡懿粫?huì)，他說：

“一個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行不好有很多原因。它可能使用的技術(shù)在Mac上是不可用的，陀螺儀就是一個(gè)很好的例子。還有一些應(yīng)用，因?yàn)橐粋€(gè)原因，它們是舊的應(yīng)用，使用某種SPI，對(duì)底層執(zhí)行環(huán)境做出某些假設(shè)導(dǎo)致它們不能工作。所以我們對(duì)現(xiàn)有的游戲做了一定數(shù)量的自動(dòng)測(cè)試，看看它們是否會(huì)崩潰等等。如果他們有這些問題，我們會(huì)自動(dòng)從商店中篩選他們?！?/p>

對(duì)于“熱門游戲”，蘋果公司也會(huì)進(jìn)行人工評(píng)審，而經(jīng)過這一過程以及自動(dòng)評(píng)審的應(yīng)用程序會(huì)在Mac應(yīng)用程序商店中以略微不同的方式呈現(xiàn)給用戶。

實(shí)際上，蘋果會(huì)發(fā)出一份開發(fā)者協(xié)議，活躍的開發(fā)者必須每年簽署一份協(xié)議，才能繼續(xù)在AppStore上發(fā)布和支持應(yīng)用程序。Federighi說：“這個(gè)結(jié)尾的一部分基本上是在說，‘你想讓你的應(yīng)用程序在（蘋果的Mac電腦）上可用嗎？’所以他們有選擇退出的權(quán)利，而且他們可以在任何時(shí)候繼續(xù)退出?！?/p>

隨著時(shí)間的推移，我們可能會(huì)看到一些開發(fā)人員在努力使他們的應(yīng)用程序很好地在Mac上。這是早期仍為Apple Silicon，但在幾年內(nèi)，數(shù)以百萬計(jì)的Mac與M1的繼任者或兄弟姐妹將在市場(chǎng)上。數(shù)量越多，開發(fā)人員就越容易證明自己的努力是正確的。時(shí)間會(huì)告訴我們這個(gè)過程會(huì)有多快。

接下來是什么？

Federighi說，多年前，當(dāng)決定為Mac使用蘋果設(shè)計(jì)的芯片時(shí)，團(tuán)隊(duì)就在日歷上畫了個(gè)X，然后說，‘我們要這么做了。’多年以后，差不多就在我們選定的那天，這個(gè)目標(biāo)就實(shí)現(xiàn)了?！?/p>

回憶起整個(gè)過程挑戰(zhàn)，Srouji說：

“人們對(duì)這個(gè)項(xiàng)目非常熱情，對(duì)整個(gè)事情都非常熱情。不僅僅是M1——軟件，系統(tǒng)，把所有這些放在一起。這很困難，但很值得。我們愛Mac，我們愛電腦，造電腦。我認(rèn)為我們正在創(chuàng)造歷史，我們的工程師就是這么認(rèn)為的。順便說一下，這是有很多挑戰(zhàn)的一年。盡管有這些挑戰(zhàn)，我們還是成功了，我們按時(shí)完成了任務(wù)。這是我余生都會(huì)記得的事情，它是多么有意義，多么艱難?！?/p>

Federighi說，類似的，“我們有很多的血、汗和眼淚。但在某種程度上我們知道如何做到這一點(diǎn)。我們也知道我們會(huì)遇到什么?！?/p>

“我們以前就這樣做過，”Joswiak補(bǔ)充道，他指的是之前向PowerPC和Intel的過渡。但這一次，一切都是自己完成的，這對(duì)蘋果來說是一次不同的勝利?！拔覀兣d奮到頭暈。我們對(duì)此感到很興奮。這是見鬼的一周，我們對(duì)此的熱情是難以置信的真誠(chéng)。”

幾年前，蘋果的工程師們聚集在一間屋子里對(duì)MacBook air進(jìn)行了改造，使之成為第一臺(tái)Apple Silicon Mac電腦。多年后，蘋果公司發(fā)布了所有這些改進(jìn)的成果——好吧，至少是成果的第一步。

對(duì)一些人來說，這可能會(huì)讓人聯(lián)想到沃茲在車庫(kù)里的神話，但現(xiàn)在是一個(gè)完全不同的世界，一個(gè)完全不同的蘋果。我們正在進(jìn)入一個(gè)新的Mac時(shí)代——我們還不知道下個(gè)時(shí)代會(huì)是什么樣子。

不過，就目前而言，Srouji似乎很有信心。“很多時(shí)候都很艱難，”他承認(rèn)?！暗臀覀€(gè)人而言，我從不認(rèn)為我們做出的決定是錯(cuò)誤的?！?br /> 責(zé)任編輯:tzh