浅谈M1芯片背后的故事

40145456 · 发表于 2020-11-25

浅谈M1芯片背后的故事

前不久，苹果发布了在Arm芯片上运行的Mac机器，当我们惊叹于苹果为何能在自言芯片上不断迈出自己坚实的步伐时，背后到底有怎样的故事呢？一家外媒近期采访了苹果公司软件工程高级副总裁Craig Federighi、苹果全球市场营销高级副总裁Greg Joswiak和硬件技术高级副总裁Johny Srouji，让我们一起看看苹果的真实想法。

为什么是现在？

Federighi表示，Mac是苹果的灵魂，让许多人参与到计算中来，也是许多人投入到苹果生态的源头。Mac也是人们的生产力工具，所以在苹果所做的一切工具中，只要有机会，我们就会将所有的知识应用到这个核心系统中来，算是一种梦想成真。

Srouji补充道：“我们确实需要自己的定制芯片来交付提供真正的最好的Mac。”

从历史角度来看，在PowerPC架构即将走到尽头的时候，苹果在2006年选择了英特尔的X86架构。在最初几年，英特尔是苹果的最大福音，它们使与Windows和其他平台的互操作性成为可能，使Mac成为更加灵活的计算机。除了台式机，它们还使Apple可以将更多的精力放在越来越流行的笔记本电脑上。他们使Mac整体上更受欢迎，与此同时，iPod以及随后不久的iPhone取得了巨大的成功。

长期以来，英特尔的性能都是一流的。但是近年来，无论从性能方面还是在一致性方面，英特尔的CPU路线图都不太可靠。但是受访的三个人都坚称，这并不是变革背后的动力。

Joswiak表示：“这是我们能做的，我们并不在乎别人不能做什么。”

最初知道这个决定的人很少。Federighi回忆道：“但从我们说要走这条路的那一刻起，那些认识我们的人就笑而不语。”

Srouji将苹果描述为一个能够成功的特殊存在：“正如你所知道的，我们并没有把芯片设计成通用解决方案——这让我们能够真正与软件、系统和产品紧密集成——这正是我们所需要的。”

M1的设计

苹果需要的是一种芯片，该芯片吸取了多年iPhone，iPad和其他产品的单芯片移动系统的经验教训，然后添加了各种附加功能，以满足笔记本电脑或台式电脑。

浅谈M1芯片背后的故事

“在此期间，我们甚至还在设计架构或定义功能，”Srouji回忆说，“Craig和我同一个办公室，我们说，‘好吧，这就是我们想要设计的。将会是最重要的事情。’”

当苹果公司首次宣布其计划今年推出第一个Apple Silicon Mac时，旁观者推测iPad Pro A12X或A12Z芯片是一个模板，新Mac芯片将类似于A14X-a加强版的芯片。

当然不完全是这样，Federighi说：“M1本质上是一个超集，因为当我们开始制作Mac芯片的时候，有很多不同之处，因此，对应的与A14X或者其他的芯片相比就会有很多不同之处。”

“我们对Mac应用程序工作负载、运行典型Mac工作负载所需的图形/GPU功能、所需的纹理格式、对各种GPU计算的支持以及Mac上可用的内容进行了大量分析。即使是内核的数量，驱动Mac大小显示器的能力，对虚拟化和雷电的支持。”

“我们在M1中设计了很多很多功能，这些都是对Mac的要求，但相对于为iPhone编译的应用程序，这些都是超集功能。”

Srouji对此进行了补充：

“我们已经建立的很多IP基础，成为M1的基础，这一切开始于十多年前。你可能知道，我们从自己的CPU开始，然后是图形、ISP和神经引擎。

我们已经开发了这些伟大的技术超过十年，然后几年前，我们说，‘现在是时候使用我们称之为可扩展的架构了。’因为我们有了这些伟大IP的基础，并且该架构通过UMA是可扩展的。

然后我们说，‘现在是时候为Mac定制芯片了’，也就是M1。它不像某些iPhone芯片。这是一个完全不同的定制芯片，但我们确实使用了这些伟大的IP基础。”

统一内存架构

UMA是“统一内存架构”的缩写，当潜在用户看到M1的基准测试时，他们会想，一款源自移动设备、功耗相对较低的芯片怎么可能达到那样的性能，苹果指出UMA是获得成功的关键因素。

Federighi声称：“现代计算或图形渲染管道已经发展，它们已经成为GPU计算、GPU渲染、图像信号处理等的‘混合体’。”

UMA本质上是指所有的组件——中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、神经处理器（NPU）、图像信号处理器（ISP）等等——共享一个速度非常快的内存池，并且位置非常接近。这与常见的桌面范例相反，比如，把一个内存池分配给CPU，另一个分配给另一边的GPU。

当用户运行要求很高的、多方面的应用程序时，传统的管道最终可能会损失大量的时间和效率，因为数据可以被所有不同的处理器访问。Federighi认为，苹果在M1上的成功，部分原因是在硬件和软件层面拒绝了这种低效的模式：

Federighi认为，“我们不仅获得了GPU原始性能的巨大优势，而且同样重要的是，使用统一的内存架构，我们不需要不断地来回移动数据，也不需要改变格式来减慢速度。我们的性能也有了很大的提高。”

“所以我认为过去的工作量就如同，你想画的三角形，把它们送到离散的GPU上，让它去做它的事，永远不要回头——现代计算机渲染管道并不是现在的样子。这些东西在许多不同的执行单元之间来回移动，以实现这些效果。”

这不是唯一的优化。近几年来，苹果的Metal图形API采用了“基于tile的延迟渲染”，M1的GPU就是为了充分利用这一点而设计的。Federighi解释道：

“老派的GPUs基本上是同时在整个框架上操作，而我们可以移动到极快的片上内存，然后执行一个巨大的操作序列。这是难以置信的带宽效率的方式，这些离散的GPU没有这样的优势。然后你只要把它与我们高带宽，以及芯片的其他效率结合起来，它就是一个更好的架构。”

Mac硬件的下一步

一些技术爱好者怀疑，苹果在M1上所做的事情，是否会扩大到足以取代台式电脑的高端性能，比如专门设计的iMac或Mac Pro。

提高低端机器的性能是一码事，在低端机器上，性能并不是一个重要的优先考虑的问题。争论还在继续，挑战那些已经为专业工作流程或游戏玩家打造的机器那完全就是另一回事。

不幸的是，苹果公司并不倾向于谈论即将推出的产品的任何有用的细节，所以对于怀疑者来说，这仍然是个问号。费代里吉告诉我们：“我们以M1作为一系列芯片中的第一个，我们设计它来解决这个问题。”“我建议你的读者根据以下几点来评价我们：苹果把心思放在了解决这个问题上，结果如何？”

尽管苹果公司不愿透露具体细节，但我们对目前的产品阵容有一些线索。本周，苹果发布了三款内置M1的Mac电脑——MacBookAir和Mac mini台式机的入门级版本以及13英寸的MacBook Pro。在很大程度上，所有芯片都是一样的。（低端的MacBook Air的M1有七个GPU内核，而不是八个。）当我们这周评测Mac mini时，我们发现它在CPU任务方面击败了除最高级台式机之外的所有机型，并且正在叩开快速离散GPU的大门。

用户期望MacBook Pro能提供比Air更强劲的性能，并对这两款电脑的区别表示了一些困惑。所以我们问苹果，除了单一的GPU核心之外，MacBook Pro是如何提供更好的性能的。

“这都是关于每瓦特性能的，”Srouji回答：“系统的热预算可以根据形状因素不同而不同。根据你使用的冷却系统的不同，情况也会有所不同。这决定了我们所谓的可持续峰值表现。”

换句话说，当需要加速时，MacBook Air和Pro的性能应该是相似的，但Pro可以在更长的时间内保持这种性能，这对许多要求较高的工作流程，比如视频编辑。在这种情况下，空气会加速循环以保持良好散热。根据苹果公司的说法，M1的性能越好，你可以赋予它更多的能量。

就在这一点上，Srouji在不久前的苹果新款Mac电脑演示会上展示了一张图表。“那不是市场结构图，” Srouji说。“这是一张真正的图表，显示了不同功率级别下的性能。”

Srouji说，任何看图表的人都能看到MacBookAir在这个尺度上的位置，“但你会看到那条线一直向右延伸，当它向右延伸时，性能就上升了。”10瓦线右边的区域就是MacBook Air和MacBook Pro的区别。”

Srouji补充道：“而且它会变得越来越大。”

值得注意的是，苹果并没有升级MacBook Pro或Mac mini的高端配置，这两款设备都有便于用户使用的32GB或64GB内存，或四个Thunderbolt 3端口，或4TB存储空间。

当被问到为什么没有32或64GB内存的M1 MacBook pro时，Federighi 表示：“我们针对一组特定系统设计了M1。这些是我们设计的系统，也是我们销售的系统。”但苹果公司已经证实，它计划在两年内将整个产品线转移到苹果芯片上——包括表现出色的Mac Pro。

言外之意似乎是，这只是一个开局。这可能是迄今为止发布的速度最快的Mac电脑中，但同时它们很可能是该公司从今往后推出的带有Apple Silicon芯片的速度最慢的Mac电脑。除非Mac产品线的基本结构发生巨大变化，否则它只会从现在起继续前进。

将iPhone和iPad应用程序带到Mac上

这是第一次，适用于这些平台的应用程序可以在Mac上运行。虽然Mac经常与高质量的应用程序联系在一起，但它还没有看到iOS和Windows所能获得的大规模第三方软件支持。向iOS应用程序开放可能是解决这个问题的一个很有前途的方法，他们只能在Mac应用程序商店找到好的体验。

去年，苹果推出了Project Catalyst框架，旨在帮助开发人员轻松调整iPad应用程序，使其在Mac上运行良好。在这周的回顾中，我们发现了一些在macOS中运行良好的应用程序示例，但我们觉得有太多的应用程序不能提供理想的用户体验。

据Federighi说，“大约90%的应用程序运行良好。”至于为什么有些人可能不会，他说：

“一个应用程序运行不好有很多原因。它可能使用的技术在Mac上是不可用的，陀螺仪就是一个很好的例子。还有一些应用，因为一个原因，它们是旧的应用，使用某种SPI，对底层执行环境做出某些假设导致它们不能工作。所以我们对现有的游戏做了一定数量的自动测试，看看它们是否会崩溃等等。如果他们有这些问题，我们会自动从商店中筛选他们。”

对于“热门游戏”，苹果公司也会进行人工评审，而经过这一过程以及自动评审的应用程序会在Mac应用程序商店中以略微不同的方式呈现给用户。

实际上，苹果会发出一份开发者协议，活跃的开发者必须每年签署一份协议，才能继续在AppStore上发布和支持应用程序。Federighi说：“这个结尾的一部分基本上是在说，‘你想让你的应用程序在（苹果的Mac电脑）上可用吗？’所以他们有选择退出的权利，而且他们可以在任何时候继续退出。”

随着时间的推移，我们可能会看到一些开发人员在努力使他们的应用程序很好地在Mac上。这是早期仍为Apple Silicon，但在几年内，数以百万计的Mac与M1的继任者或兄弟姐妹将在市场上。数量越多，开发人员就越容易证明自己的努力是正确的。时间会告诉我们这个过程会有多快。

接下来是什么？

Federighi说，多年前，当决定为Mac使用苹果设计的芯片时，团队就在日历上画了个X，然后说，‘我们要这么做了。’多年以后，差不多就在我们选定的那天，这个目标就实现了。”

回忆起整个过程挑战，Srouji说：

“人们对这个项目非常热情，对整个事情都非常热情。不仅仅是M1——软件，系统，把所有这些放在一起。这很困难，但很值得。我们爱Mac，我们爱电脑，造电脑。我认为我们正在创造历史，我们的工程师就是这么认为的。顺便说一下，这是有很多挑战的一年。尽管有这些挑战，我们还是成功了，我们按时完成了任务。这是我余生都会记得的事情，它是多么有意义，多么艰难。”

Federighi说，类似的，“我们有很多的血、汗和眼泪。但在某种程度上我们知道如何做到这一点。我们也知道我们会遇到什么。”

“我们以前就这样做过，”Joswiak补充道，他指的是之前向PowerPC和Intel的过渡。但这一次，一切都是自己完成的，这对苹果来说是一次不同的胜利。“我们兴奋到头晕。我们对此感到很兴奋。这是见鬼的一周，我们对此的热情是难以置信的真诚。”

几年前，苹果的工程师们聚集在一间屋子里对MacBook air进行了改造，使之成为第一台Apple Silicon Mac电脑。多年后，苹果公司发布了所有这些改进的成果——好吧，至少是成果的第一步。

对一些人来说，这可能会让人联想到沃兹在车库里的神话，但现在是一个完全不同的世界，一个完全不同的苹果。我们正在进入一个新的Mac时代——我们还不知道下个时代会是什么样子。

不过，就目前而言，Srouji似乎很有信心。“很多时候都很艰难，”他承认。“但就我个人而言，我从不认为我们做出的决定是错误的。”

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