蘋果M1芯片如此厲害的三個原因分析

蘋果今年的發(fā)布會三部曲終于落下了帷幕。這場壓軸大戲上，發(fā)布了蘋果自研芯片Apple Silicon的第一代產(chǎn)品：M1芯片。首批搭載M1芯片的Mac機(jī)器共有三款：MacBook Air、13寸MacBook Pro和MacMini。不管是發(fā)布會上公布的性能提升，還是這幾天關(guān)于這幾款機(jī)器的實際評測紛紛出爐，M1芯片的性能和功耗完全超出人們預(yù)期，用“顛覆”來形容也不為過。

今天的文章就來聊聊蘋果的M1芯片。我想從芯片設(shè)計的角度，和大家一起看看M1芯片為何如此牛逼的三個主要原因。

芯片設(shè)計的PPA優(yōu)化

在設(shè)計芯片的時候，一個最重要的原則就是對PPA的優(yōu)化，也就是盡可能的優(yōu)化芯片的功耗（Power）、性能（Performance）和面積（Area）。通常情況下，這三點(diǎn)不能兼得。

比如，為了提升芯片的性能，我們可以加入多級流水線、增加總線寬度、或者增加各種硬核處理單元，但此時就很有可能會付出更高的功耗、以及更大的芯片面積作為代價。反之，如果我們想要設(shè)計低功耗的芯片，那也很有可能需要犧牲一部分芯片的性能。所以在實際工程實踐中，功耗、性能和面積往往都是相互折中、互相平衡的關(guān)系。 對于一個芯片來說，沒有完美的設(shè)計，只有完美的平衡。 這就像給你有限的預(yù)算去買食材做菜，那就很難既買到魚，又買到熊掌。

但是這次蘋果M1芯片的發(fā)布，給人最直觀的感受就是，在預(yù)算不變的情況下，你可以魚和熊掌，兩者兼得。

蘋果在發(fā)布會里放出了這張圖，它比較的是M1芯片和某個筆記本的CPU，但蘋果沒說是誰。為了方便敘述，這里姑且叫它“張三芯片”。在這張圖里，橫軸是功耗，縱軸是性能?？梢钥吹?，對于一個給定的功耗標(biāo)準(zhǔn)，M1的性能是張三的兩倍。對于一個給定的性能要求，M1的功耗是張三的四分之一。

也就是說，在高性能和低功耗這兩個往往此消彼長的維度里，M1芯片同時取得了極大的提升。除了CPU之外，M1里的GPU也取得了類似的性能提升和功耗下降。蘋果表示，M1有著當(dāng)前世界上最好的CPU每瓦性能，以及當(dāng)前世界上最快的集成顯卡。

在之前的文章 《英特爾11代酷睿TigerLake：全網(wǎng)最犀利點(diǎn)評》 里說過， 不管市場營銷用什么話術(shù)，跑分永遠(yuǎn)是不可能被繞開的一關(guān) 。雖然蘋果官方?jīng)]說跑分的事情，但是各類評測已經(jīng)給出了相當(dāng)高的跑分結(jié)果。

從Geekbench的跑分來看，這次搭載了M1芯片的三款產(chǎn)品，不管單核還是多核，都跑出了相當(dāng)高的分?jǐn)?shù)：

Mac Mini： 1682 / 7097

MacBook Air： 1687 / 7433

MacBook Pro： 1714 / 6802

事實上，它們的單核跑分都超過了AMD剛剛發(fā)布的銳龍9 5950X，也超過了英特爾的TigerLake旗艦版，也就是11代酷睿的i7-1165G7。

此外，這三款產(chǎn)品的單核和多核跑分也超過了目前正在賣的2019款16寸MacBook Pro。也就是說，單從CPU的跑分來看，這個新款的macbook air比蘋果去年剛剛發(fā)布的旗艦筆記本還要快了。

不僅是性能，搭載M1芯片的筆記本續(xù)航時間也有了大幅提升，最高可以達(dá)到20小時。

在我看來，M1芯片取得如此巨大的能效提升，主要有三個原因： 一個是使用了5納米工藝，第二個是一些芯片架構(gòu)創(chuàng)新，第三個則是軟硬件的深度優(yōu)化 ，接下來我們一個一個說。

臺積電5納米工藝

制造工藝這一點(diǎn)，很多文章都沒有提及，或是沒有重視。事實上，先進(jìn)工藝對于芯片的能效提升，起著非常重要的作用。 因為過去十年里芯片性能的提升，有超過60%直接或間接受益于半導(dǎo)體工藝的提升，而只有17%來自于芯片架構(gòu)的升級 。AMD能“彎道超車”英特爾的最主要原因之一，就是拋棄格羅方德，轉(zhuǎn)向臺積電的懷抱。

M1應(yīng)該是目前世界上第一個、也是唯一一個使用了臺積電5納米工藝的筆記本處理器芯片，其中包含了160億支晶體管。根據(jù)臺積電的數(shù)據(jù)，和前一代的7納米工藝相比，使用5納米工藝制造的晶體管：密度提升80%，速度提升15%，功耗降低30%。有了新的制造工藝，可以在芯片面積保持不變的情況下，往一顆芯片里塞進(jìn)去更多的晶體管，而且這些晶體管的功耗更低、性能更高。

也就是說，即使蘋果什么都不做，單純把A13芯片用5納米工藝流片出來，理想情況下就能達(dá)到這些“免費(fèi)”的性能、功耗和面積優(yōu)化。當(dāng)然實際情況要比這個復(fù)雜很多。

要知道，2019款16寸MacBook Pro用的還是英特爾的第九代CPU，使用的是英特爾14納米工藝，這和臺積電的5納米工藝至少有兩代的代差。所以也這也不難理解為什么從跑分來看，搭載M1的MacBook Air會降維打擊16寸MacBook Pro。

芯片架構(gòu)創(chuàng)新

這里特別要說的是蘋果的UMA結(jié)構(gòu)，也就是這次展示的統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)。 設(shè)計芯片的一個大的原則就是，存儲數(shù)據(jù)的地方離使用數(shù)據(jù)的地方越近，性能就越高、功耗也越低 。所以蘋果就把原本在電路板上的內(nèi)存顆粒，整合到芯片的封裝里。這樣最主要的好處就是讓芯片上的那些CPU、GPU、AI引擎都能夠更快的訪問到內(nèi)存，同時也大幅降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓摹４送猓鱾€模塊之間可以共享內(nèi)存，也省去了很多數(shù)據(jù)搬運(yùn)、拷貝的開銷。

值得注意的是，這種架構(gòu)設(shè)計和封裝方法其實并非蘋果獨(dú)有，其實在英偉達(dá)的A100GPU、AMD的Rome處理器，還有英特爾和賽靈思的高端FPGA芯片里，都使用了類似的方法，可以在同一個芯片封裝里集成了多個不同的計算和存儲單元。

這種封裝方式的具體的實現(xiàn)方式有很多種，比如AMD使用的芯粒chiplets，還有英特爾的EMIB技術(shù)，還有賽靈思在FPGA中使用的SSI，也就是堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)等等。 業(yè)界把這些技術(shù)都稱為是2.5D封裝技術(shù)，也就是是在水平方向上連接多個小硅片，然后組成一個大的芯片 。關(guān)于EMIB和SSI技術(shù)的具體分析，可以看之前寫過的這兩篇文章 《3D FPGA技術(shù) - 上篇》 《3D FPGA技術(shù) - 下篇》 。

這里多提一句，英特爾還有一個名叫Foveros的3D封裝技術(shù)。Foveros來自于希臘語，本意是“牛逼”。 這個技術(shù)不是在水平方向上擴(kuò)展，而是垂直擴(kuò)展。 也就是說，它可以將內(nèi)存顆粒、CPU、GPU、還有其他的芯片單元，像三明治一樣疊在一起，這樣就使得內(nèi)存和CPU的距離減少到0.1毫米左右，所以會進(jìn)一步增加內(nèi)存帶寬、減少傳輸延時，同時不會增加芯片的面積。在英特爾的Lakefiled CPU里就使用了這種技術(shù)。關(guān)于Foveros技術(shù)的更多內(nèi)容，也可以看一下之前的文章 《2019年會是10納米工藝的大年嗎》 。

蘋果生態(tài)的協(xié)同優(yōu)化

蘋果的M1芯片取得能效大幅提升的第三個原因，就是蘋果軟硬件的協(xié)同深度優(yōu)化，這一點(diǎn)我認(rèn)為也是蘋果最大的競爭優(yōu)勢。這是因為，前面說的5納米工藝，或者芯片架構(gòu)和封裝技術(shù)的升級，其他廠商可能也會（或者必然會）掌握和采用這些技術(shù)。 但是只有結(jié)合軟硬件、操作系統(tǒng)和生態(tài)做深度優(yōu)化，才是蘋果獨(dú)有的 。而且這也是為什么有且只有蘋果能將基于arm架構(gòu)的CPU真正做成牛逼的產(chǎn)品賣出來的原因。

有人說，蘋果的M1芯片的面世證明了Wintel聯(lián)盟并不難破，這一點(diǎn)我并不認(rèn)同?；赼rm架構(gòu)的消費(fèi)級CPU已經(jīng)說了很多很多年了，但放眼目前除蘋果之外的軟硬件廠商有誰能堪此大任呢？英特爾amd肯定不會做這種自廢武功的事情，不用多說，微軟之前嘗試過做一下基于arm的生態(tài)，但是以失敗告終。那么是讓聯(lián)想、戴爾去做arm筆記本，還是讓高通英偉達(dá)這些非cpu廠商去做生態(tài)呢，其實目前來看都是很不現(xiàn)實的。

關(guān)于軟硬件協(xié)同優(yōu)化這一點(diǎn)我很認(rèn)同某乎大v木頭龍的回答，大家可以去看一下。只要pc的軟硬件廠商還是各自為戰(zhàn)，只要不同的軟硬件還需要相互兼容和適配，不管是操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、驅(qū)動、CPU、GPU、內(nèi)存等等，這個生態(tài)系統(tǒng)就很難破解。生態(tài)系統(tǒng)有時候就像一個從山頂滾落的雪球，你一旦被他卷進(jìn)去就很難靠自己的力量逃脫，更不用說靠一己之力改變它的運(yùn)行軌跡。

相比之下，蘋果有著自己的生態(tài)， 這次M1芯片的發(fā)布，也正式完成了這個生態(tài)的閉環(huán) 。 你可以說蘋果生態(tài)太封閉，或者有這樣那樣的問題，但只有這種封閉的生態(tài)才有可能產(chǎn)生像M1芯片這樣的東西。

從Anandtech的這里就能看到， 在過去的5年里，英特爾芯片的單線程性能提升了28%，而蘋果則提升了將近3倍 。所以，蘋果采用自研的Apple Silicon芯片，也是必然的選擇。

但是，與英特爾AMD不同的是，你不可能單獨(dú)去買這個M1芯片。為了使用M1的高能效，就必須買蘋果的整個生態(tài)。而且即使像蘋果這樣的閉環(huán)生態(tài)，全面轉(zhuǎn)向arm架構(gòu)也需要兩年的時間，這里面會涉及大量的生態(tài)遷移工作，也勢必會給開發(fā)者造成很多額外的工作壓力。所以這個生態(tài)轉(zhuǎn)換并不容易。

結(jié)語

蘋果M1芯片的發(fā)布，也代表著基于arm架構(gòu)的消費(fèi)級處理器重新登上歷史舞臺，并且開始正面迎擊基于x86架構(gòu)的傳統(tǒng)處理器。雖然目前說x86架構(gòu)被arm取代還為時尚早，但在很多領(lǐng)域，比如mac電腦擅長的視頻和圖像等內(nèi)容創(chuàng)作領(lǐng)域，M1芯片已經(jīng)正式顛覆了人們對高能效的認(rèn)知。相信隨著更多后續(xù)產(chǎn)品的出現(xiàn)，會有更多的顛覆發(fā)生。同時，x86陣營如何應(yīng)戰(zhàn)，也是非常值得關(guān)注的重點(diǎn)。
責(zé)任編輯:tzh