Ковыряемся в чипе M1 от Apple
Apple M1, первый чип, созданный инженерами Apple и предназначенный для их собственной линейки компьютеров, превзошел многие конкурирующие микропроцессоры и почти все компоненты, используемые в других устройствах от Apple (особенно в тестах производительности на одно ядро и графических бенчмарках).
Apple была достаточно любезна, чтобы опубликовать фотографию кристалла (это еще одна небольшая деталь, которая приблизила компанию к AMD и Intel, поскольку теперь это традиционная стратегия анонса новых процессоров), и они были быстро разобраны супер-компьютерщиками – такими как Андрей Фрумусану из Anandtech.
Мы знаем из самых ранних анонсов, что M1 на базе ARM будет крепким представителем категории SoC.
Вероятно, аналитикам будет проще анализировать процессоры, собранные из чиплетов (ожидается, что такая архитектура ЦП будет вымещать традиционную). Поскольку каждый чиплет, по сути, является отдельным куском кремния. Чтобы разобраться в архитектуре SoC, нужно немного (возможно, много) присмотреться.
Выделение отдельных блоков (на изначально неразмеченной карте) Apple M1
Все эти усилия принесут пользу конкурентам и тем, кто заинтересован в эффективной организации кремниевых устройств. Как известно, самое популярное преимущество архитектуры упакованных систем, в которых используются чиплеты, над монолитными устройствами заключается в том, что SoC-решения быстро становятся сложными, запутанными и дорогими. Это приводит к тому, что на рынок SoC могут выходить далеко не все компании, занимающиеся микросхемами. Понимание устройства лучших продуктов в классе и исследования в области передовых современных технологий более важны, чем опыт разработки упакованных чипов.
Особенности M1
У М1 есть ряд отличительных особенностей.
Во-первых, места под кэш-память на кристалле выделено весьма немного. Инженеры Apple сосредоточились на функциональности, а не на объеме памяти. Архитектура UMA, используемая в M1 освобождает пространство на кристалле, при этом обеспечивает быстрый доступ к LPDDR4X-памяти. UMA позволяет разделять отдельные компоненты памяти как между ядрами ЦП, так и графическим процессором, чтобы оптимизировать структуру чипа. Сохранение физической близости модулей памяти — это концепция, заимствованная у мобильных процессоров, в которых память размещается поверх процессоров как в архитектуре упакованных систем. Об этом много говорили ранее – если вкратце, то подобный подход в компьютерах применяется для повышения производительности и эффективного рассеивания тепла, а архитектура, взятая из мобильных устройств, обеспечивает компактность и энергоэффективность.
Значительная часть чипа M1 выделена под графический модуль. Вы можете себе сказать, что это неудивительно. И это так. Никто и не ожидал, что Apple пожертвует производительностью графики. В какой-то мере, этот подход также взят из мобильной архитектуры.
Еще один важный аспект устройства чипа M1 заключается в том, что Apple предпочла увеличить количество логических ячеек (а не физических ядер). Таково преимущество разработки процессоров под собственную ОС – некоторые функции можно встраивать в прошивку и разгружать ЦП для выполнения более сложных задач. Мой хороший друг и отличный технологический аналитик Пол Болдт неоднократно говорил об этом. В одной из его статей приводится цитата Алана Кея, которую я вставлю и в этот текст: «Люди, которые действительно серьезно занимаются ПО, должны производить и свое железо».
Стив Джобс цитирует Алана Кея
Интересную возможность представляет технология flip-chip, используемая для сборки самых передовых микросхем. О ней я писал в одном из своих предыдущих текстов – она позволяет быстро получать изображения с устройством чипа за счет прозрачности кремния для инфракрасного излучения. Такой подход экономит время и деньги.
Простота доступа к M1 в Mac Mini также позволила наблюдать за чипом во время тестирования в бенчмарках.
Используя тепловизор, можно отслеживать активные области чипа по их температуре. На изображении, приведенном ниже в качестве примера, есть ярко-желтое пятно – это высокопроизводительное ядро, активное во время работы компьютера. Благодаря раннему доступу к бенчмаркам (таким как Geekbench 5), созданным специально для процессора M1, температурный анализ позволил выявить расположение ядер Firestorm и Icestorm, графического и нейронного процессоров и многих других компонентов.
Температурный анализ был очень полезен и открыл двери для других методов тестирования. Впрочем, другие вычислительные платформы (особенно мобильные) затрудняют проведение анализа. Но если есть желание, то найдется и решение. Что еще более важно (и очевидно на рынке полупроводников), если есть достаточный бюджет, то все получится.
Снимок M1 с тепловизора в режиме работы одного ядра (Источник: MuAnalysis)
Хотя большая часть внимания к M1 связана с его архитектурой (и так и должно быть), в дизайне и структуре процессора интересны не только технические детали. Подложки M1 BGA с двумя установленными бок о бок модулями памяти LPDDR4X и полностью инкапсулированными пакетами BGA DRAM идентичны (или очень похожи) мобильным процессорам серии A, используемыем в iPad – A12X и A12Z.
Вероятно, лучший инструмент для получения общего представления о сложной структуре устройства, при этом обеспечивающий детальность изображения — это рентгеновская компьютерная томография. Компания System Plus Consulting опубликовала обзор результатов компьютерной томографии и проанализировала интеграцию как поверхностных, так и встроенных в подложку кремниевых развязывающих конденсаторов в M1. Эта информация о чипе является частью стандартного анализа затрат от System Plus Consulting.
Перспективный рентгеновский снимок КТ пакета M1
System Plus недавно обновила свои доклады о затратах включив туда сведения, отсутствующие в их предыдущих отчетах. По словам генерального директора System Plus Ромена Фро, «Новый чип M1 от Apple позволил System Plus воспользоваться двумя новыми методами анализа. Мы составили отчет об архитектуре чипа и провели анализ его поверхности с помощью просвечивающего электронного микроскопа (в дополнение к нашему стандартному отчету о стоимости, в котором анализируются сами кристалл и корпус). Новая методика формирования отчетов значительно повысит ценность наших услуг в области сравнительного анализа».
Какую роль сыграл iPad Pro?
В течение нескольких лет вокруг iPad Pro и его значения для Apple, было много дискуссий и предположений. Будет ли iPad Pro заменой ноутбуку? Это мнение также вызвало обсуждение возможного перехода тандема мобильных процессоров и iOS на компоненты для персональных компьютеров.
Несомненно, iPad Pro был частью этого пути Apple. Повторение архитектуры чипа на iPad, Macbook Air и Pro, а также на Mac mini, безусловно, указывает на стремление к обобщению.
M1 и A12X внешне идентичны
Основным параметром сравнительного анализа продуктов является стоимость. Группам конкурентной разведки, работающим в компаниях-производителях микросхем, вероятно, не придется далеко ходить, чтобы сравнить характеристики других продуктов со своими собственными разработками. Заметное конкурентное преимущество может быть получено за счет оптимизации структуры затрат по сравнению с конкурентами. Разделение устройств на уровне «голых» кристаллов позволит раскрыть эти аспекты с разумной степенью детализации с учетом правильного опыта, понимания отрасли и моделирования.
Что делает эту работу действительно увлекательной, так это возможность раскрыть инновации, которые помогают отрасли полупроводников развиваться и двигают этот рынок вперед.
- Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
- В современном автомобиле строк кода больше чем…
- Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
- McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
НПП ИТЭЛМА всегда рада молодым специалистам, выпускникам автомобильных, технических вузов, а также физико-математических факультетов любых других высших учебных заведений.
У вас будет возможность разрабатывать софт разного уровня, тестировать, запускать в производство и видеть в действии готовые автомобильные изделия, к созданию которых вы приложили руку.
В компании организован специальный испытательный центр, дающий возможность проводить исследования в области управления ДВС, в том числе и в составе автомобиля. Испытательная лаборатория включает моторные боксы, барабанные стенды, температурную и климатическую установки, вибрационный стенд, камеру соляного тумана, рентгеновскую установку и другое специализированное оборудование.
Если вам интересно попробовать свои силы в решении тех задач, которые у нас есть, пишите в личку.
Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.
Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.
У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.
Источник
Нюансы делают Apple уникальной. Что важно знать про ее чип M1?
С 10 ноября прошлого года Apple начала переход на собственную систему на кристалле Apple Silicon. Компания отказалась от процессоров Intel, немало подпортив настроение ее боссам, и отправилась в собственное плавание. Чип M1 получился удачным: производительность и автономность выросли, а для потребителя это самое главное. Вот что будет полезно знать о том, как Apple удалось этого добиться.
Долгое время производительность Intel для Mac была на высшем уровне. Но в последние годы дорожная карта процессоров Intel стала менее интересной с точки зрения прироста мощности. Хотя в Apple и заверяют, что решение о смене «сердца» в «маках» связано не с этим.
«Речь о том, что мы можем сделать, а не о том, что не может сделать кто-то другой», — заявил в одном из интервью вице-президент компании по маркетингу Грег Джосвиак.
Apple не занимается продажей чипов на сторону, что позволяет действительно тесно интегрировать их с программным обеспечением и операционной системой. А потому был проведен большой анализ типичной рабочей нагрузки для Mac, от которого и отталкивались в разработке чипа.
M1 похож на чипы смартфонов, хоть и дебютировал на MacBook
M1 построен на микроархитектуре ARM, которая используется в чипах для смартфонов и годами применяется Apple в разработке чипов A-серии для «айфонов» и «айпадов». Мобильные чипы — это система на кристалле — условно, много разных чипов под одной крышкой.
На PC мы привыкли, что компьютер в итоге состоит из материнской платы, в выделенные слоты на которой устанавливаются процессор, планки оперативной памяти, видеокарта, накопители.
Мобильные же системы на кристалле (SoC) выполняются в виде одного чипа, который припаян к печатной плате. В этом чипе содержатся:
- центральный процессор — мозг, который отвечает за большинство исполняемого кода операционной системы и приложений;
- мобильная видеокарта — графический процессор, который связан с исполнением задач по визуализации;
- блок обработки изображений, который преобразует данные с камеры телефона в файлы изображений и видео;
- цифровой сигнальный процессор, который отвечает за более специфические вычисления, чем процессор (например, декомпрессию музыкальных файлов или анализ данных со встроенных датчиков);
- блок нейронной обработки, который также нужен для более специфичной задачи по выполнению алгоритмов машинного обучения: компьютерное зрение, распознавание голоса, нейросети;
- модемы беспроводной связи: Wi-Fi, Bluetooth, 5G.
M1 — это не процессор
M1 — первый и в чем-то уникальный чип Apple для компьютеров Mac. Это не процессор, а именно чип, система на кристалле, которая включает в себя несколько разных компонентов.
В чипе M1 расположены восемь ядер центрального процессора: четыре заточены под производительные задачи под нагрузкой, еще четыре — под энергоэффективную работу. Это уже классическая схема для многих мобильных чипов в современных смартфонах.
Помимо мозга, в чипе есть и другие компоненты, которые помогают всей системе функционировать. В первую очередь это восьмиядерный графический ускоритель. В некоторых базовых моделях в чипе семь ядер графики.
Есть сопроцессор Secure Enclave, который заменил скомпрометированную микросхему T2 в «маках» на Intel и переехал под крышку M1. Там же находятся нейросетевой движок, унифицированная архитектура памяти (RAM), контроллер SSD-накопителя, процессор обработки изображений, механизм кодирования/декодирования и контроллер интерфейса Thunderbolt — все на одной контактной площадке.
M1 построен на ультрасовременном 5-нанометровом техпроцессе с 16 млрд транзисторов. Это значит, что у него меньше транзисторы, которые отвечают за операции, на площадке их можно разместить больше и они будут потреблять меньше энергии.
Архитектура объединенной памяти
Фундаментом для M1 стали все те наработки в сфере интеллектуальной собственности, которые начали закладывать еще с десяток лет назад с первым процессором, затем графическим ускорителем, потом процессором обработки изображений и нейросетевым движком.
Несколько лет назад в Apple решили, что пора делать на всем этом фундаменте собственный десктопный чип, а масштабировать дело позволит архитектура объединенной памяти (Unified Memory Architecture).
В интернете можно найти множество тестов ноутбуков Apple на M1, которые сравнивают с топовыми моделями предыдущих поколений на Intel. Обзоры новинок были и у нас. Они оставили только положительные впечатления.
Одна из разгадок кроется в новой архитектуре системной памяти, которую Apple применила в чипе M1. Как уже говорилось выше, в чипе заключены не только центральный и графический процессоры, но и системная память.
Оперативная память в чипе — это единый пул, который доступен всем компонентам M1 (в частности, центральному и графическому процессорам, нейросетевому движку) и расположен очень близко ко всем из них. И когда графическим ядрам нужны данные, которые ранее использовали процессорные ядра, их не надо копировать или кешировать из одной части памяти в другую, выделенную непосредственно для работы с графикой. GPU просто обращается к той же части памяти, которую использовал CPU.
«Мы не только получили огромное преимущество в виде сырой производительности нашего GPU. Не менее важным было то, что благодаря архитектуре объединенной памяти мы не перемещали данные постоянно туда-сюда и не меняли форматы, что замедляло работу. Мы получили огромный прирост производительности», — хвастается старший вице-президент по технологиям аппаратного обеспечения Джони Сруджи.
На материнской плате новых MacBook нет слота для памяти или места, куда бы этот чип был припаян. Память находится в том же чипе M1. Для обывателя это означает, что он выбирает компьютер с определенным объемом оперативной памяти и никак не может в будущем сделать апгрейд.
Специалисты iFixit разбирали новые «маки» и показали, как выглядит эта интеграция памяти в чип. Две небольшие микросхемы памяти LPDDR4X от производителя SK Hynix распаяны рядом с чипом на одной контактной площадке, но не закрыты теплопроводящей крышечкой. Выглядит немного необычно для тех, кто привык к классическим камням от Intel и AMD.
Apple сделала это не для того, чтобы позлить пользователей, а для того, чтобы значительно нарастить производительность. Китайские спецы уже научились отпаивать микросхемы памяти и заменять их на более емкие. Правда, в процессе такого апгрейда существует серьезный риск загубить весь чип. Так что большинство владельцев MacBook на такой финт не решатся.
Пока основные модели компьютеров от Apple на новых чипах располагают 8 и 16 ГБ объединенной памяти. Для кого-то это может стать проблемой, хотя из личного опыта обработки роликов в 4K скажу, что Final Cut от «яблочников» отлично работает с такими тяжелыми файлами и на MacBook Pro с Intel Core i5 и 8 ГБ оперативной памяти. Вероятно, в следующих и более мощных итерациях чипа Apple Silicon мы увидим и рост объема оперативной памяти.
Больше декодеров
Еще одним важным ключом к успеху M1 называют разработки в микроархитектуре центрального процессора, которые Apple долгие годы оттачивала на мобильных чипах для iPhone. Последний актуальный чип A14 — это восьмое поколение семейства 64-битной микроархитектуры, с которой Apple дебютировала в чипе A7 для iPhone 5s.
Компания особо не распространяется о том, что происходит «под капотом» ее чипов. Специалисты AnandTech с помощью собственных микробенчмарков определили, что чип Apple A14 обладает восьмью декодерами, тогда как в процессорах от Intel и AMD на архитектуре x86 четыре декодера. Эти декодеры занимаются тем, что работают с поступающими из памяти инструкциями для процессора. Инструкции предоставляются операционной системой и программами. Инструкции бывают переменной и фиксированной длины. У ARM-архитектуры инструкции фиксированной длины, тогда как у инструкции для процессоров на x86 длина в байтах переменная, их сложнее декодировать.
В итоге в чипе Apple A14 «накормить» инструкциями параллельно восемь декодеров оказывается проще и быстрее. К тому же у разработок Apple буфер декодированных инструкций, которые можно «припарковать» в ожидании выполнения их процессорными ядрами, значительно больше. И специалисты полагают, что в случае с M1 мы имеем аналогичную ситуацию.
Что дальше?
Нет сомнений, что Apple готовит следующее поколение своих чипов, которые, вероятно, получат название M2. В индустрии ходят слухи, что новые чипы дебютируют во второй половине года в новых моделях MacBook Pro. Говорят, что TSMC, контрактный производитель чипов Apple, уже приступил к их массовому производству.
Согласно инсайдам финансового издания Bloomberg, сейчас в подвалах Apple инженеры работают над проектами чипов с 16 производительными ядрами и четырьмя энергоэффективными. Для настольных Mac Pro более высокого класса тестируют варианты с 32 производительными ядрами. Восьмиядерные M1 демонстрируют отличную производительность. Их последователи должны быть еще мощнее.
Предполагается, что M2 дебютирует в моделях MacBook Pro с 14- и 16-дюймовой диагональю экрана. Это будут существенно переработанные ноутбуки, которые лишатся сенсорной панели Touch Bar, получат новый дизайн и большее количество специфических портов — например, кардридер для фотографов и видеографов, которые наконец смогут отказаться от части своих переходников.
К тому же поговаривают, что M2 может появиться в iMac с большей диагональю экрана. Недавно компания анонсировала 24-дюймовые модели на M1. Был и планшет iPad Pro на M1. В течение ближайших двух лет компания собирается перевести все свои продукты на эту систему на кристалле.
Представленные прошлой осенью «маки» являются одними из самых быстрых в истории Apple. Но они, вероятно, будут самыми медленными Mac с Apple Silicon, которые когда-либо представит компания.
Источник
