Я уже делал обзоры MacBook Pro, MacBook Air 13 дюймов и Mac mini на платформе Silicon, где мы убедились, что чип Apple M1 действительно быстрый по сравнению с топовыми решениями от Intel и графикой от AMD, который использовались на Маках предыдущих поколений.
Почему чип M1 уделывает классические процессоры Intel в связке с графикой от AMD? Попробуем разобраться в этой статье.
Чип vs Процессор
Но сначала разберемся, что вообще из себя представляет процессор.
Из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристаллы цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на блины, поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска.
Затем методами фотолитографии и травления создают интегральные схемы. После тестирования готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, заключаемые в корпуса.
Ключевым элементом любой вычислительной схемы является транзистор. По сути, это тот самый “кран”, который либо пропускает цифровые нолики и единицы, либо нет.
Размеры процессоров типовые, а вот количество транзисторов в них может быть разным. Чтобы поместить больше транзисторов (увеличить производительность системы) необходимо уменьшить их размер.
А количество транзисторов и определяет техпроцесс центрального процессора. Чем техпроцесс меньше, тем мощнее сам процессор.
Основным способом увеличения производительности в современных процессорах стало наращивание ядер. Каждое ядро является микропроцессором, который работает самостоятельно, читая и исполняя инструкции.
Но компания Apple пошла по другому пути. И вместо наращивания ядер она стала добавлять микропроцессоры, которые заточены под выполнение только каких-то определенных задач. Такие микропроцессоры производительнее и энергоэффективнее по сравнению с универсальными микропроцессорами.
А еще Apple решила объединить на одном чипе кучу других компонентов, которые раньше были разбросаны по всей материнской плате. Это плата ввода-вывода, чип безопасности T2 (шифрует данные), оперативная память, контроллер Thunderbolt портов.
В итоге мы получили не процессор, а систему на кристалле – чип. То, что уже давно используется в смартфонах.
Чип Apple M1: архитектура
Из чего вообще состоит чип M1 от Apple?
8-ядерный центральный процессор – выполняет большинство задач компьютера и программ. Есть два типа ядер: 4 высокопроизводительных для выполнения сложных задач и 4 энергоэффективных для решения простых задач с меньшим тепловыделением и затратами энергии. Контроллер производительности распределяет задачи между ядрами.
8-ядерный графический процессор GPU – используется в обработке графики и изображений, в том числе и в играх.
Я напомню, интегрированная графика уже давно используется в процессорах от Intel и AMD.
В привычном понимании, интегрированная графика – это энергоэффективная “заглушка” , которая выполняет базовые задачи вроде вывода изображения на экран и серфинга в сети. В то время, как мощная дискретная видеокарта бОльшую часть времени простаивает.
Apple на своей платформе решила отказаться от дискретной графики и сделала 8-ядерный графический процессор.
Кроме графики и центрального процессора чип M1 имеет еще кучу блоков: 16-ядерный блок нейронной обработки ускоряет работу машинного обучения и искусственного интеллекта, он анализирует видео, распознает голос и делает обработку фотографий с очень высокой скоростью.
Блок безопасности отвечает за шифрование, аутентификацию и безопасность системы.
Блок обработки изображений ISP используется для увеличения производительности во время обработки графики.
Обработчик цифровых сигналов выполняет более сложные вычислительные функции, например декомпрессию музыкальных файлов.
Кодировщик видео преобразует видео разных форматов.
Также разработчики интегрировали в чип M1 оперативную память. Теперь это называется “архитектурой единой памяти”.
Архитектура единой памяти
И тут мы возвращаемся в интегрированной графике – почему она такая слабая? Во-первых, потому что память для центрального и графического процессоров разделена. Выделяется отдельный пул памяти, в который ЦП копирует данные, чтобы графика могла с ним работать.
Во-вторых, у мощных видеокарт со своей памятью очень мощное тепловыделение, поэтому их выносят за пределы чипа.
В-третьих, к дискретной видеокарте необходимо провести медные пути (шины). А пропускная способность получается уже не такая высокая, как у единой памяти.
Благодаря блоку единой памяти процессор и графика обращаются к одним и тем же ячейкам памяти без дополнительного копирования.
Память имеет низкую задержку и мощную пропускную способность. А в мощном графическом процессоре снижено энергопотребление и тепловыделение, поэтому стало возможным расположить его в одном чипе.
В целом такое большое количество микрочипов удалось расположить на одном кристалле благодаря переходу Apple на техпроцесс 5 нм.
Итоговые размеры материнской платы стали сильно меньше. Вы только посмотрите на толщину нового iMac 24 дюйма – равномерные 11 мм по всему корпусу. 10 лет назад этим могли похвастаться только смартфоны, а сейчас чип M1 интегрируется уже в планшеты. Обзоры этих новинок будут на сайте.
Но у чипа M1 есть и свои недостатки. И самый главный – невозможность апгрейда. Вы ничего не сможете поменять в своем iMac или MacBook.
Декодеры на чипе M1
Еще одним неоспоримым преимуществом чипа M1 на архитектуре ARM, по сравнению с процессорами Intel на x86, стало количество декодеров. Декодеры занимаются нарезкой машинного кода на микрооперации для заполнения буфера.
Так вот, в топовых процессорах Intel и AMD всего 4 декодера, и больше быть не может из-за особенностей архитектуры. А в чипе от Apple 8 декодеров – для более быстрого заполнения буфера обмена. Да и сам буфер обмена больше в 3 раза, чем у среднестатистического процессора.
Intel и AMD безнадежно отстали?
Могут ли сделать что-то подобное Intel и AMD? Могут, и в принципе двигаются в этом направлении. AMD уже интегрирует более производительную графику в свои процессоры Ryzen. Производители добавляют все чаще специализированные сопроцессоры.
Но вся проблема Intel и AMD – это бизнес модель. Потому что сейчас они производят запчасти для ПК, а нужно будет производить практически весь компьютер (как чип M1).
И это никому не надо: ни конечному потребителю, ни производителям компьютеров (нет проблемы дефицита комплектующих и могут создавать множество модификаций ПК). Не надо это и разработчикам, потому что им добавляется работа по оптимизации софта.
А у компании Apple уже есть все: разработка железа и софта под него, сторонние разработчики, которым предоставляются все инструменты для работы. Плюс отсутствует конкуренция внутри платформы по части железа.
Еще одна проблема Intel и AMD – это декодеры, которые обеспечивают дополнительное выполнение инструкций – их нельзя наращивать из-за особенностей архитектуры x86.
Но вообще это не тупиковая ветвь развития. Компании Intel и AMD могут продолжать увеличивать число ядер и их частоты, увеличивать объем кэша и обеспечивать лучшее охлаждение.
Ждем Mac на чипе M1x или M2?
Apple же, в свою очередь, не может наращивать частоты, потому что чип станет слишком горячим. Но может увеличивать количество ядер.
Так ли это, сможем проверить вероятно, этим летом. По данным интернет-издания Nikkei, Apple уже запустила производство преемника чипа M1. Еще неизвестно точное название: M1x или M2.
Новые Маки на новых чипах будут рассчитаны для профессионалов. Вероятно, это будет новый MacBook Pro на 16 дюймов и iMac на 32 дюйма. Ждем презентацию WWDC 2021.
В целом, никто не хоронит Intel и AMD по одной простой причине – доля Apple на рынке ПК ничтожно мала. И Apple не продает свои чипы кому-то еще.
