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从多芯片走向一体化 苹果自研M1处理器究竟强在哪?

北京时间11月11日凌晨2点,苹果如期发布了传闻已久的全新Mac产品线,包括MacBook Air、13英寸MacBook Pro以及Mac mini,三款新品全部搭载了苹果自研的M1处理器,为期两年的Mac过渡计划正式开始。

和此前的预测不同,苹果将这颗基于ARM架构的首款自研处理器命名为M1,而非A14X,想必苹果对这颗“转型之作”寄予了更多期望。

早在今年6月的WWDC20上,苹果就宣布了Mac电脑将会转向苹果自研的Apple Silicon平台,也就是基于ARM架构的处理器。这是苹果自2006年从PowerPC转向x86架构后,再一次在Mac上进行CPU架构的转移。

传统多芯片封装

除了两颗DDR4内存颗粒,M1集成了包括CPU、GPU、I/O等在内的多种芯片

不同于传统的多芯片封装,苹果M1处理器将CPU、GPU、I/O芯片、T2安全芯片、Thunderbolt控制器全部集成在一片SoC上,尽管苹果并未公布M1的核心面积,但是我们依然可以从160亿晶体管的数量上一窥M1超高的集成度。

芯片密度越高,对制造工艺的挑战就越大,为此,苹果采用了最新的台积电5nm工艺,并且采用苹果独创的封装方式,一颗完整的M1 SoC由此诞生。

CPU由四个高性能大核心和四个高能效小核心组成

四个高性能大核心

四个高能效小核心

M1 CPU部分由八个核心组成,包括四个高性能大核心和四个高能效小核心,其中大核心基于超宽执行架构,每个核心集成192KB一级指令缓存、128KB一级数据缓存,四个核心共享12MB二级缓存。小核心基于宽执行架构,每个核心集成128KB一级指令缓存、64KB一级数据缓存,四个核心共享4MB二级缓存。

简而言之,M1对两种核心进行了不同的分工,性能核心尽可能高效地运行单个任务,同时最大限度地提高性能,能效核心则使用仅十分之一的功率应对更轻的工作负载。巧妙的大小核心设计方案让全新Mac既能以高性能处理高负载任务,同时也可以在低功耗下运行轻度负载。

苹果表示,M1在10W功耗(MacBook Air热设计功耗)下能够提供两倍于“最新笔记本芯片”的性能,能效比则高达三倍。

八个GPU核心

GPU部分同样为八核心设计,包括128个执行单元,支持最多24576个并发线程,浮点性能高达2.6TFlops,纹理填充率每秒820亿,像素填充率每秒410亿。苹果号称这是世界上最快的集成GPU,10W功耗下性能是“最新笔记本芯片”的两倍。

统一内存架构(UMA)

M1还采用了统一内存架构(UMA),CPU、GPU、神经引擎、缓存、DRAM内存全部通过Fabric高速总线连接在一起,得益于此,SoC中的所有模块都可以访问相同的数据,而无需在多个内存池之间复制数据,带宽更高、延迟更低,这就大大提高了处理器的性能和电源效率。

此外,M1还整合了Thunderbolt/USB 4控制器、PCIe 4.0控制器、Secure Enclave安全模块、机器学习加速器、高质量ISP、高性能NVMe存储、高效音频处理器、HDR视频处理器、高级显示引擎、性能控制器、加密加速器等等。

总的来看,苹果M1处理器完成了一次从多芯片走向一体化的过程,这也是苹果打造完整PC生态链的必经之路。我们有理由相信,凭借极强的设计和优化能力,以及为更好适配M1处理器所全新推出的macOS Big Sur操作系统,搭载M1处理器的全新Mac依然能够为用户带来如iPhone一般的流畅体验。

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