1. 前言
之前看到 M1 芯片出来之后,就想说些什么,结果光写 x86 和 ARM 就写了 4000 多字,考虑到文章篇幅,只得分为上下两篇,上一篇文章发出后有很多人表示非常喜欢,让我赶紧更新,在这里向支持我的读者们表示感谢 。
那么话不多说,这篇我们来聊一聊,这次的芯片到底有何不同,以至于让那么多人说苹果不讲武德。
在这之前我先说明,我只是一个计算机专业的学生,从来就没有自诩自己是什么专家学者,我写博客也只是为了做一些简单的科普,把自己知道的一些知识分享给大家。如果文章中有什么错误的地方,还请各位读者指正。
2. M1 芯片 ≠ CPU
首先,我们要先摆脱一个认知误区,M1 芯片不是一块 CPU,而是一块专为 Mac 设计的 SoC 芯片。CPU 只是 M1 芯片的一个组成部分。
所谓 SoC 芯片,指的是系统级芯片(System on Chip),也称片上芯片,是一个将电脑或其他电子系统集成到单一芯片的集成电路。 SoC 集成的主要包括处理器(CPU,GPU 等)、基带、各种接口控制模块、各种互联总线等,其典型代表为手机芯片。举个例子,CPU 公司将自己的所生产的 CPU 设计卖给其他公司,而其他公司就根据该 CPU 自己添加上所需要的各种外设控制器,这就是 SoC。
所以简单来说:SoC 就是一块集成了 CPU、GPU 等多种结构的芯片。因此,千万不要简单的认为 M1 芯片就是 CPU。
官网有一张图,就很好地说明了 M1 芯片的组成成分。如下图所示,苹果称其为统一内存架构(Unified memory architechture),即通过 Fabric 高速总线将中央处理器、图形处理器、神经网络引擎、缓存、DRAM 内存全部连接在一起。因此,M1 芯片的强大,绝不是靠一个强悍的 CPU 支撑的,而是众多性能强大的部件结合苹果优秀的设计共同努力的成果。
3. 统一内存架构(UMA)
通过上一段内容,我们知道了 M1 芯片的强大光靠一颗强大的 CPU 是不够的,毕竟苹果也没办法突破物理定律,单纯通过设计让 CPU 的性能提升数倍。很明显苹果采用了其他的技巧来弯道超车,而「统一内存架构」就是其中之一。
我们知道,处理器在处理任务时,他要做的事情很简单就是取东西和算东西,也就是上一篇文章中提到的“接收指令+运算数据”。
和上篇文章一样,我们还是以打工人为例,取东西就是打工人搬砖,算东西就是打工人砌砖,你砌砖砌得再快再好,砖搬的慢,砌砖的速度也不会快。反过来也是,如果砌砖的慢,搬砖的块,就会有砖堆积。
因此理想状态下,搬砖的速度和砌砖的速度应该是一致的,这样就不用等对方。对于 CPU 来说也是同样的道理,如果双方的速度不一致,就会造成性能浪费。
因此,为了解决上述问题,苹果提供了一个解决方案,就是统一内存架构。
3.1 UMA 做了什么?
那么 UMA 到底做了什么?
我们电脑里面有很多 PU(Processing Unit),即处理单元(处理器),我们常见的有 CPU(Central Processing Unit,即中央处理器)、GPU(Graphics Processing Unit,即图形处理器)和 NPU(Neural network Processing Unit,神经网络处理器)。他们都需要取东西、算东西,但是在 UMA 出现之前,他们只能通过 CPU 来分配东西,而 CPU 还要事先从内存中取数据。显然,这种工作方式的效率很低,况且,不同的处理器对于数据的运算速度也是不同的,为了做到时序同步,一定程度上不利于硬件性能的发挥。
而且,每个处理单元作为一个独立的个体,各自处理的数据包格式也不一样。不同 PU 之间通信的语言都是不一样的,统一数据格式时也需要消耗时间,如果这样通信效率还高那才有问题。就像来自不同国家的打工人一起打工时,都说各自的语言,通过翻译才能进行沟通,这听起来效率就很低。
当然了,以上只是简单的举一些例子,真实情况肯定是比这更加复杂的,但即使是这样,我们也能感受到有很多本来不应该存在的步骤耽误了很多时间。所以,为了解决上述这些问题,苹果给出了几个解决方案。
3.1.1 PU 直接访问内存
没有 UMA 之前,需要先将数据从内存中取出,然后由 CPU 优先处理、分配,如下图所示
有了 UMA 之后,这些处理单元可以直接访问内存,再也不需要通过 CPU 去获取一些数据了,如下图所示
通过这样的设计方式,这个 PU 们不需要再和 CPU 同步语速,也不用什么乱七八糟的事情都先去找 CPU 过问一遍,这样就省下来一大笔时间了。
3.1.2 Apple-designed package
虽然解决了取数据时的时序问题,但是各处理单元的通信问题仍然没有得到解决,这里就要提到苹果所做的另一个解决方案了——Apple-designed package。
通过 Apple-designed package,各单元处理数据时的数据包格式统一了,他们之间的沟通不再需要翻译了,哪怕都说的是“阿巴阿巴阿巴”也都能明白各自说的是什么了,这就又省下了一部分时间。
3.1.3 高度集成
无论是拆解图还是实例图,都说明苹果这次的高度集成,是直接将内存放到了处理器的旁边,这极大的缩小了内存和处理器之间的物理距离,取数据的速度自然就会更快了。
千万别小看了这点物理距离的减少,目前的计算机都属于冯诺依曼结构,而该结构最大的一个隐患就是:在内存容量指数级提升以后,CPU 和内存之间的数据传输带宽成为了瓶颈,原因之一就在于内存和 CPU 的物理距离过大。虽然现在 CPU 和内存的速度越做越快,但是他们之间的距离却无法改变,而传输数据的速率-光速也无法改变。
我们可以来做一个简单的数学题,i9-7980XE 是一颗 18 核 36 线程的民用 CPU,这颗 CPU 最大睿频 4.4GHz,假设该 CPU 在一个时钟周期内执行一条运算指令,那么该 CPU 执行一个指令需要的时间是 0.000000000227273 秒,即 0.22ns(纳秒),那么在这段时间内,光所跑的距离是 0.0681819 米,四舍五入就约等于 7 厘米。所以说如果 CPU 和内存之间的距离超过 7 厘米,CPU 岂不是要多等一会才能继续收到指令了。这还是一次只取一条指令的情况,如果数量多了呢?
所以物理距离的缩小,自然可以让 CPU 取数据的速度更快一些,这也是 M1 芯片性能提升的关键一点。
3.2 超大缓存
上面说的这些也都只是让 CPU 取数据时可以更快一些,但是 CPU 和内存之间的数据传输带宽成为瓶颈不单单是因为物理距离的原因,最根本的原因还是因为 CPU 太快了,很难做到和内存同步。所以我们得把计算机经常用到的数据导入 cache,也就是缓存,避免计算机去内存要东西,更不应该让计算机去硬盘要东西。
3.2.1 什么是缓存
缓存就是数据交换的缓冲区(称作 Cache),是存贮数据(使用频繁的数据)的临时地方。其实在很多地方都用到了缓存,比如当用户查询数据,首先在缓存中寻找,如果找到了则直接执行。如果找不到,则去数据库中查找。
CPU 也同样设计了一个这样的存在,是一个用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。他的工作原理是:当处理器发出内存访问请求时,会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在(命中),则不经访问内存直接返回该数据;如果不存在(失效),则要先把内存中的相应数据载入缓存,再将其返回处理器。
还是拿搬砖这个例子来加深理解,如果我正在砌砖,就算搬砖的人把砖搬过来了,我也来不及砌,光让他在那站着等也不好,所以就让他把砖放到脚边(缓存),这个砌砖的每次就不用跑去搬砖的那里拿砖了,只需要从脚边(缓存)拿砖就好了。
所以,我们知道缓存主要是为了弥补 CPU 和内存之间的读写速度差异而出现的,因此理论上,在一定范围内,缓存自然是越大越好。
3.2.2 M1 芯片的缓存设计
M1 芯片同样也是这么设计的,只是苹果为 M1 芯片带了超大的缓存,这个缓存有多大呢,我们来做个简单的比较。(以下数据摘自维基百科和 CPU - Z)
L1 表示一级缓存,L2 表示二级缓存,即一级缓存的缓存。一级缓存还分为一级数据缓存(Data Cache,D-Cache,L1d)和一级指令缓存(Instruction Cache,I-Cache,L1i),分别用于存放数据及执行数据的指令解码,两者可同时被 CPU 访问,减少了 CPU 多核心、多线程争用缓存造成的冲突,提高了处理器的效能。一般 CPU 的 L1i 和 L1d 具备相同的容量。
这个对比结果非常明显,尤其是在二级缓存,虽然在 M1 芯片中,二级缓存是共享的,但这 16MB 的缓存还是比 i9-10900K 的二级缓存大了不少。虽然 i9-10900K 的三级缓存有 20MB,但是也只是比 M1 的二级缓存大了 4MB,并且三级缓存的速度是比二级缓存慢得多的。
而且,可别忘了,基于苹果这次的高度集成,DRAM 内存和处理器直接通过 Fabric 高速总线连接在一起,这样使得集成的内存可以近似看做是一个超大容量的 L3 缓存,苹果用牺牲扩展性换取吞吐量的策略,给 M1 芯片带来了更高的带宽与更低的延迟。当然了,缓存也并不是越大越好,一方面是制作的难度,另一方面缓存命中率也是评价缓存性能的一个重要指标。如果缓存过大,命中率就会下降,如果这样就会有些得不偿失了。
其实 M1 芯片之所以可以塞入这么大的缓存,和其制作工艺是有很大的关系的,相较于 10nm、14nm,M1 芯片采用台积电最先进的 5nm 工艺制成,晶体管越小,单位面积内可塞入晶体管的数量就更多,这样就让苹果可以为 M1 芯片设计更大的缓存。这一部分具体我们下一节来说。
现在再回过头看我们一开始所说的:“所谓统一内存架构,就是通过 Fabric 高速总线将中央处理器、图形处理器、神经网络引擎、缓存、DRAM 内存全部连接在一起。”这不仅仅是简单的将各单元连接在一起,而是苹果这么多年在移动端 SoC 优秀实践经验的结晶,是只属于苹果自己独享的 moment。
所以说,这么一套搞下来,哪怕 M1 芯片的 CPU 芯片的物理性能没有得到提升,性能也不是最强大的,但 UMA 的设计架构也会给 M1 芯片带来综合性能的提升。
况且,谁说 M1 芯片的 CPU 就不行了呢?
4. 制程&晶体管数量
Apple 官网对于 M1 芯片有如下的介绍:
M1 也是 Apple 首款采用先进 5 纳米制程打造的个人电脑芯片,封装了惊人的 160 亿个晶体管,其数量为 Apple 所有芯片之最。
这里我将两个重要的数字加粗标注了出来,第一个数字是刚才提到的 5 纳米制程,第二个数字是 160 亿个晶体管。
4.1 5 纳米制程指的是什么?
当我们阅读一个和芯片有关的文章时,经常会看到诸如 5nm、7nm、14nm 这些词,例如华为的“最后一款”麒麟芯片,麒麟 9000 就是 5nm 工艺制程,那么这个 5nm 指的到底是什么呢?
说实话,这一块内容水太深了,我自己也不是从事半导体领域的,很难解释清楚,这里就只能简单的说明一下。
引用知乎的一张图,在上图所示的晶体管结构中,电流从 Source(源极)流入 Drain(漏级),Gate(栅极)相当于闸门,主要负责控制两端源极和漏级的通断。电流会损耗,而栅极的宽度则决定了电流通过时的损耗,表现出来就是手机常见的发热和功耗。宽度越窄,功耗越低。而栅极的最小宽度(栅长),就是 XX nm 工艺中的数值。
简单来说就是,Leakage Path 越小,电流损耗越小,总体来看就是功耗越小。宏观来看,随着 Leakage Path 越小,晶体管之间的距离就越小,单位面积内可以塞入的晶体管数量就越多,整体的运算性能就越强。
最近,AMD 疯狂 yes 的原因和其工艺制程的提升有很大关系,而此次 M1 芯片所采用的是目前市面上最先进的 5nm 工艺制程,性能强也是意料之中的事情了。
4.2 为什么晶体管数量越多,运算性能越强?
晶体管就可以看成一个小开关,有通断两种状态。你可以理解为通是 1,断是 0,那么一个晶体管的一次开,或者一次关,就提供一个 2 位的数据:0 或者 1。用无数个 0 或者 1 就可以代表所有的数据。这也就是为什么电子时代信息被称为数字化。其实就是把所有的信息用数字来表示。而数字,可以用电脑来处理。电脑是没法直接处理人类的信息的。这就是计算机采用二进制表示数据的的原因。
所以我们要理解,是因为电路的这个特性才让先辈们选择二进制作为机器的语言,而不是因为二进制简单所以采用二进制的。
这里提两个小问题:人为什么要使用十进制?生活中有没有使用其他进制计数的例子?欢迎在评论区留下你的想法。
一个晶体管一次只能表示一个 0,或者 1。那么一大堆晶体管同时工作呢?
简单的说就像是一个大的存放开关的工厂,每个晶体管就是一个开关,关的时候表示 0,开的时候表示 1,晶体管越多,开关也越多,在处理同一个问题的时候走的线路也就越多。这就像是你以前学初中物理时的并联电路,之路越多流通的线路也越多。同样,CPU 的晶体管越多,单位时间内可以流过的电流的支路也就越多,反映在宏观上就是你在一颗 CPU 上能同时处理的数据也就越多,机器也就越快。
不过晶体管越多芯片性能越好这一点并不是绝对的,只是相对来说,晶体管多了之后,可设计的空间就更大了,剩下的就要看厂商能否利用好这部分设计空间了。
5. M1 真的完美吗?
那么问题来了?说了这么多 M1 芯片的优点,又是采用了 UMA 架构,又是最先进的工艺制程,他是一个完美的芯片吗?我想未必。
5.1 扩展性
相比上面的介绍让你对 M1 芯片的统一内存架构有了一定了解,也知道这样的架构对于性能的提升有很大的帮助。
只是将内存这样焊死在一块 SoC 芯片上,对于后期想要硬件扩展的用户来说,无疑是不可能的。
而且虽然 M1 的 GPU 的性能很强,但也是相对手机上的 GPU 来说的,和桌面级的 GPU 相比还是有很大的差距的,毕竟体积摆在那了,这对外接显示器或者玩游戏的用户来说也是很难熬的。同样的,外接显卡也是用不了的,不过应该也不会有人用 Mac 玩游戏吧。
Mac 当然可以玩游戏,这里挖个坑,下次我们来窥探一下未来——云游戏。
5.2 兼容性
从 x86 架构迁移到 ARM 架构,苹果是下了很大决心的,也是布局已久了。为了不让用户担心应用生态会出现较大的变化,苹果给出了三种不同应用的解决方案,分别是「Universal 通用应用」、「Rosetta 2 转译应用」以及「原生 ARM 应用」。其中,Universal 是横跨 ARM 和 X86 平台的应用,目前以后部分开发者将自家软件转向 Universal,例如 Adobe 的 Lightroom,Photoshop 则会在明年更新。这里不得不感慨一下苹果的号召力,apple silicon 一出,各大厂商都在快速跟进,估计隔壁某厂要羡慕哭了。
如果新应用没有适配 Universal,那你也可以通过 Rosetta 2 转译应用,那些原生的 X86 编译应用可以通过苹果提供的 Rosetta 工具,转译成可以在 ARM 平台直接运行的应用,虽然会损失一些性能,但是可以极大提升兼容性。目前从各种兼容性测试视频来看,Rosetta 2 的完成度非常高,并不像隔壁某厂,推出的是一个半成品。
如果说,上面两种解决方案还是无法满足你的需求,那么你还可以依托苹果建成依旧的 App Store 生态,直接运行原生 ARM 应用,它们能够直接在 macOS、iOS 和 iPadOS 上运行,相当于苹果打通了小屏到大屏的主要设备。
即便曾经 macOS 的软件生态还不完善,但在 iOS 几乎已经没有了这个问题,也使得搭载 M1 芯片的 Mac 产品并不需要太过担心没有足够的应用可以使用。
而且,从此次更新的 macOS Big Sur 也可以看出,苹果也是有意让这三端的风格更加统一。无论是系统界面还是图标样式,都在往 iPad 和 iPhone 上统一。
那么为什么同样的软件在迁移的时候会有兼容性的问题?这已经和本文要介绍的 M1 没什么关系了,考虑到篇幅问题,我们之后再说。
那么到底 M1 版 MacBook 能兼容什么软件、不能兼容什么软件?
一个个软件测试,工程量非常大,而且软件们也处于不停的更新换代中。好在 GitHub 上出现了一个关于 M1 版 MacBook 的兼容性测试项目“DoseitARM”。在这个项目中,可以看到开发工具、影音工具、图形图像工具、剪辑工具等各种生产力软件的兼容性测试。各类软件的兼容性又被分为几种不同的情况,分别如下:
他的地址是 :https://github.com/ThatGuySam/doesitarm
有兴趣的读者可以长期关注该项目。
6. 最后
对于财大气粗的苹果来说,未来无疑将会长期进行大量的投入来对 M 系列芯片进行迭代,并且其自有生态也保证了能够反哺 M 系列芯片的研发。希望国内的企业也可以像苹果一样有属于自己的芯片,未来值得期待!
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