揭開(kāi)蘋果首款自研Mac芯架構(gòu)的秘密

蘋果自研的首款Arm架構(gòu)Mac芯片M1已經(jīng)亮相一個(gè)月有余。這一個(gè)月的時(shí)間里，多項(xiàng)基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果顯示，M1芯片的性能不僅超越蘋果以往自研的全部芯片，并且超越了一眾x86架構(gòu)或Arm架構(gòu)的競(jìng)品。

然而，在領(lǐng)先的性能背后，蘋果M1芯片的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)成“謎”。即使是在雙十一凌晨舉辦的發(fā)布會(huì)上，蘋果也并未對(duì)M1的具體架構(gòu)講述過(guò)多。

不過(guò)，蘋果在發(fā)布會(huì)PPT上展示了M1芯片的封裝和架構(gòu)概念圖，而這張概念圖成為極客們發(fā)掘M1芯片設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的“藏寶圖”。此外，分析機(jī)構(gòu)System Plus Consulting發(fā)布了一張模糊的M1芯片模塊圖。

▲左–蘋果發(fā)布會(huì)上公布的概念圖；右-System Plus Consulting發(fā)布的模塊圖

借助這兩張圖及其他信息，美國(guó)科技媒體EE Times發(fā)布對(duì)于蘋果M1芯片的最新技術(shù)細(xì)節(jié)解讀，芯東西將其全文編譯如下：

一、解讀蘋果 M1芯片三大創(chuàng)新點(diǎn)

據(jù)EE Times報(bào)道，蘋果M1芯片在內(nèi)存、GPU、通用邏輯單元等方面做出創(chuàng)新。

首先，在對(duì)M1芯片內(nèi)存和GPU的設(shè)計(jì)過(guò)程中，蘋果芯片設(shè)計(jì)師借鑒了移動(dòng)處理器的設(shè)計(jì)方式。

內(nèi)存方面，M1芯片幾乎沒(méi)有為系統(tǒng)緩存專門留出空間。為了最大限度地提升芯片性能和散熱能力，M1芯片借鑒了移動(dòng)處理器讓DRAM物理上接近AP（應(yīng)用處理器）的設(shè)計(jì)方法。

在移動(dòng)處理器的“package-on-package ”架構(gòu)中，內(nèi)存會(huì)被堆疊在AP上。與此類似，M1芯片采用了“統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)（UMA）”，即通過(guò)將LPDDR4X DRAM整合到封裝中，釋放芯片面積。

借助“統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)”，M1芯片的CPU內(nèi)核和GPU內(nèi)核可以同時(shí)訪問(wèn)DRAM。

在GPU方面，M1芯片上為GPU核心劃分出一大塊面積。EE Times寫到，這種設(shè)計(jì)方式也在某種程度上借鑒了移動(dòng)應(yīng)用處理器的設(shè)計(jì)。

其次，蘋果芯片設(shè)計(jì)師在M1芯片通用邏輯單元的固件上構(gòu)建了一些功能，使CPU核心能夠處理要求更高的任務(wù)。

蘋果聯(lián)合創(chuàng)始人史蒂夫·喬布斯曾援引過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)家艾倫·凱的名言“真正重視軟件的人，應(yīng)該自己開(kāi)發(fā)硬件”。EE Times認(rèn)為，M1芯片對(duì)通用邏輯單元的獨(dú)特設(shè)計(jì)即是對(duì)這一理念的體現(xiàn)。

二、根據(jù)熱成像圖片確定 M1芯片上的內(nèi)核位置

EETimes文章指出，M1芯片采用“覆晶技術(shù)（flip-chip）”進(jìn)行封裝，這種技術(shù)通常用于封裝當(dāng)今最先進(jìn)的芯片。封裝過(guò)程中，技術(shù)人員使芯片連接點(diǎn)長(zhǎng)出“凸塊（bump）”，然后將芯片翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，使凸塊與基板（substrate）直接連結(jié)。

采用這種方法封裝的芯片，在紅外線照射下能夠顯示出較為清晰的平面圖?；诖?，EE Times分析了分析機(jī)構(gòu)MuAnalysis制作的M1芯片熱成像圖片。

在運(yùn)行計(jì)算任務(wù)時(shí)，M1芯片的熱成像圖片顯示出一個(gè)明黃色的區(qū)域，這表明M1芯片上有一個(gè)高性能的核心正在進(jìn)行運(yùn)算。

結(jié)合此前M1芯片的Geekbench 5基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果，EE Times確定了高性能內(nèi)核Firestorm內(nèi)核和高能效IceStorm內(nèi)核的位置。

此外，EE Times發(fā)現(xiàn)M1芯片的BGA基板上，有兩個(gè)并排安裝的全封裝LPDDR4X DRAM。這種設(shè)計(jì)與蘋果此前用于iPad的A12X芯片和A12Z芯片十分相似。

除了熱成像圖片外，EE Times還分析了M1芯片的CT掃描圖片。

根據(jù)分析機(jī)構(gòu)System Plus Consulting制作的CT掃描圖片，M1芯片在其表面和襯底均集成了去耦電容。

▲System Plus Consulting制作的M1芯片的CT掃描圖片

近幾年來(lái)，蘋果的iPad產(chǎn)品正顯示出向PC產(chǎn)品演變的趨勢(shì)。比如，蘋果今年發(fā)布的iPad Pro就打出了“你的下一臺(tái)電腦，何必是電腦”這樣的slogan。

上述產(chǎn)品趨勢(shì)，引發(fā)了外界對(duì)蘋果移動(dòng)處理器將向PC處理器拓展的猜測(cè)，而M1的發(fā)布恰好證實(shí)了這一點(diǎn)。

EE Times寫道，與采用其他品牌的芯片相比，蘋果采用自研芯片產(chǎn)品或能帶來(lái)更大的成本優(yōu)勢(shì)。如果能對(duì)M1芯片進(jìn)行更加細(xì)致的拆解，我們或能得到更多有關(guān)成本的細(xì)節(jié)分析。

結(jié)語(yǔ)：有關(guān) M1更多技術(shù)細(xì)節(jié)仍待解答

過(guò)去十年間，蘋果自研芯片版圖逐步從移動(dòng)處理器擴(kuò)展到Mac處理器，并從采用英特爾架構(gòu)逐步轉(zhuǎn)向Arm架構(gòu)。

自今年11月，蘋果首款自研Mac芯片M1亮相以來(lái)，各種基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果均顯示出M1芯片擁有超強(qiáng)功能。而M1芯片的技術(shù)細(xì)節(jié)亦成為半導(dǎo)體圈的“未解之謎”之一。

通過(guò)對(duì)蘋果發(fā)布的概念圖及M1芯片熱成像圖、CT掃描圖進(jìn)行分析，EE Times解讀出蘋果M1芯片的部分獨(dú)特設(shè)計(jì)。但是，M1芯片仍有技術(shù)細(xì)節(jié)留待解答，期待未來(lái)能有更加全面、權(quán)威的分析。

責(zé)任編輯：haq