M1 процессор apple архитектура

Почему процессоры Apple M1 такие быстрые

И правда ли они такие быстрые? И на что это влияет?

В конце 2020 года Apple выпустили первую линейку ноутбуков на собственном процессоре M1. Это было большое событие, потому что:

• Процессоры Intel к этому моменту морально устарели.
• В линейке ноутбуков Apple не было ничего нового уже года два.
• Первые тесты показали, что компьютеры на M1 очень быстрые и энергоэффективные.

Давайте разберёмся, в чём магия процессора M1 и стоит ли сейчас рассматривать его как рабочий инструмент. Стоит ли переходить на ноутбуки с процессорами Apple сейчас или в ближайшее время?

Эта статья — разбор видеоролика, который вышел на канале Engadget. Если знаете английский, лучше посмотрите видео, а если нет — читайте нашу короткую версию.

Архитектуры процессора

У процессоров есть понятие архитектуры: как в нём всё устроено, как двигаются сигналы, в каком порядке и кем обрабатываются инструкции.

👉 Архитектура процессора похожа на устройство студенческого общежития. Представьте, что у вас на этаже живёт 100 студентов: мальчиков и девочек. Каждое утро им нужно одновременно встать, сходить в туалет, умыться и спуститься на лифте в столовую. Как организовать лифты, санузлы и комнаты, чтобы минимизировать заторы? При этом есть физические ограничения: не больше какого-то количества санузлов и только одна лифтовая шахта. В зависимости от того, как вы скомпонуете санузлы и лифты, у вас в общежитии по утрам будет либо свободно, либо час пик.

Похожая проблема у разработчиков процессоров: у них есть команды разного типа, которые нужно отдавать разным обработчикам. Каждый обработчик занимает место, это место ограничено. И нужно так разложить процессор, чтобы не было заторов, но при этом сэкономить место.

За годы существования микропроцессоров придумали много процессорных архитектур, самые распространённые среди них — RISC и CISC.

Архитектура RISC (как у Apple) — много простых команд

RISC поддерживает простые команды. Их мало, но выполняются они очень быстро. Чтобы из RISC-команд получилась полезная программа, нужно много инструкций, а для них — много памяти.

Одна из фишек RISC — принцип «одна инструкция — один цикл». Цикл — это одно действие процессора. Если у вас процессор на 2 гигагерца — это 2 миллиарда действий в секунду. И в каждом из этих действий исполняется какая-то одна инструкция — взял что-то из памяти, сложил, умножил, вычел, положил в память и т. д.

Например, если нам нужно перемножить два числа, в архитектуре RISC вы дадите процессору четыре инструкции:

👉 ЗАГРУЗИ В X ЧИСЛО ИЗ РЕГИСТРА 2:3
👉 ЗАГРУЗИ В Y ЧИСЛО ИЗ РЕГИСТРА 5:2
👉 УМНОЖЬ ЧИСЛО X НА ЧИСЛО Y
👉 ПОЛОЖИ В РЕГИСТР 2:3 ТО ЧИСЛО, КОТОРОЕ ЛЕЖИТ В X

Есть и другие фишки — например, большой регистр и особый подход к параллельным вычислениям. В целом можно сказать, что RISC — это делать «быстро, много и тупо».

CISC — классическая архитектура для сложных инструкций (Intel, AMD, x86)

Когда компьютеры только зарождались, в 1960-х годах, у разработчиков были ограничения:

• Программы писали напрямую для процессора, ручками. Разработчикам хотелось бы писать как можно ближе к нормальному человеческому языку и чтобы компьютер делал за них работу по расшифровке.
• Память была дико дорогой и медленной, поэтому программы должны быть маленькими. Лучше пусть процессор умеет «расшифровывать» мою команду, чем я буду ему на пяти строках объяснять, что делать.

Архитектура CISC как раз помогала решать эти проблемы.

CISC поддерживает более сложные команды, благодаря которым код получается более компактным и читаемым. Например, та же команда умножения на CISC будет выглядеть так:

👉 ПО-БРАТСКИ УМНОЖЬ ЧИСЛО ИЗ 2:3 НА ЧИСЛО ИЗ 5:2

Это одна компактная инструкция, которую процессор сам «раскурит»: что надо взять данные из нужных регистров, где-то их хранить, перемножить, потом записать обратно в нужные регистры. Понятно, что процессору понадобится больше времени на эту «раскурку», но зато код компактный и читаемый.

Зачем было менять архитектуру

В CISC-процессорах Intel, на которых работали компьютеры Apple последних лет, накопились проблемы:

• Если процессор был достаточно быстрым, он грелся и потреблял много энергии, быстро разряжая батарею ноутбука.
• Если процессор не грелся и мало потреблял, то он был недостаточно быстрым для современных задач.
• В процессоры Intel было невозможно залезть и сделать что-то для себя. Вот выпускает Intel свои процессоры, и ты их либо ставишь в свои компьютеры, либо нет. Нельзя попросить ничего там подкрутить или доработать под конкретный продукт.

И вот в 2020 году Apple сказали: «Хватит!» и перешли на собственные процессоры на базе архитектуры RISC.

Система «всё в одном»

Раз Apple перешли на собственные процессоры, ничто не мешало им сразу разработать систему «всё в одном» — это когда на одной плате сидит не только процессор, но и другие полезные для работы компоненты:

• собственно, сам процессор, разделённый на несколько ядер разного назначения (есть энергоэффективные, есть мощные);
• память;
• процессор для графики;
• контроллеры, USB, Thunderbolt и других протоколов связи с устройствами;
• много других вспомогательных вещей.

Всё это сидит рядом на одной плате и связано высокоскоростными каналами. Данные между процессором и памятью летают быстро, а сама память подобрана так, чтобы совпадать по скорости с процессором.

Слева под металлической крышкой живут ядра процессора и другие вспомогательные системы. Два чипа справа — модули оперативной памяти

Что это даёт и какие создаёт проблемы:

✅ Всё работает. Нет проблемы, что память не совместима с процессором, а контроллер Thunderbolt не поддерживает шину PCI Express. Всё сразу со всем дружит.

✅ Всё компактно. Cистема M1 по площади меньше спичечного коробка, а вся системная плата компьютера на M1 по площади как небольшой смартфон.

✅ Потребляет мало энергии, батарея держит долго.

❌ Ничего не обновишь. Память и накопители впаяны в плату. Если со временем вам потребуется перейти на более шустрый процессор или добавить памяти, придётся покупать новый комп.

❌ Сложный ремонт. Всё уже настолько миниатюрное и плотно друг на друга посаженное, что в случае поломки проще всё выбросить и купить новое, чем заниматься микропайкой.

Оптимизация софта под процессор

Чтобы реализовать весь потенциал процессора, программисты из Apple сделали одновременно две вещи:

1. Оптимизировали операционную систему, которая сразу устанавливается на все компьютеры с новым процессором. Для разработчиков это очень хорошо: можно не поддерживать старое железо и сразу написать оптимизированный код для хорошего современного железа.
2. Оптимизировали весь встроенный софт, чтобы человек при запуске компьютера сразу ощущал скорость. Весь стандартный пакет программ Apple уже оптимизирован: Safari, Keynote, Pages и всё остальное, что у вас установлено, сразу работает быстро.

Со старыми программами такая проблема: они написаны для другой архитектуры и не могут напрямую запускаться на новом процессоре. Чтобы решить проблему, в Apple сделали специальный переводчик, который на лету переводит с CISC на RISC. Переводчик работает в фоне, и пользователю не нужно о нём думать. Большинство старых программ просто работают.

Правда ли M1 такой быстрый?

Когда вышли первые модели на базе M1, всех удивило, насколько он шустро работает по сравнению с предыдущими поколениями ноутбуков Apple.

Вот пример сравнения базового ноутбука Macbook Air M1 и Macbook Pro 2017. В большей части тестов M1 быстрее, но отдельные программы запускаются медленнее:

Особенно пользователей впечатлило, как быстро запускаются родные программы Apple — почти мгновенно:

Но всё это — искусственные тесты. В жизни нам не надо запускать все программы одновременно или по десять раз в день включать и выключать ноутбук. Как в реальности?

А в реальности так:

✅ Если программа уже оптимизирована под M1, то она работает либо быстрее, либо не медленнее, чем программа на Intel.

✅ ✅ При этом та же программа, скорее всего, будет съедать заметно меньше батареи и меньше нагревать ноутбук.

🤔 Если программа ещё не оптимизирована под M1, то она работает либо так же, либо немного медленнее, чем на Intel.

✅ Некоторые виды вычислений на M1 происходят намного быстрее (например, работа с машинным обучением).

✅ В целом интерфейс немного более отзывчивый, а от компьютера есть ощущение большей скорости работы. К этому ощущению быстро привыкаешь.

❌ Некоторый специализированный софт может не запуститься на M1 или работать некорректно. И если разработчики ничего с этим не сделают, так оно и останется.

❌ Как при любом обновлении операционной системы, часть старого железа больше не поддерживается, драйверов нет. А откатиться на старые операционки не получится, потому что новый процессор их не поддерживает.

Переходить ли на M1 сейчас?

✅ Когда стоит переходить:

• ваш ноутбук морально и технически устарел;
• вам от него нужны только базовые программы типа «Хрома», почты, видеоконференции и офисного пакета;
• для вас в приоритете время автономной работы и мобильность, а не производительность и профессиональные задачи;
• стоимость нового ноутбука для вас несущественна.

❌ Когда стоит подождать:

• вы постоянно используете особый профессиональный софт и оборудование, которое ещё не поддерживается новой операционной системой;
• стоимость обновления для вас существенна;
• прирост производительности компьютера в 15% не сделает вам погоды.

👉 В большинстве случаев вам не нужен новый ноутбук. Вам нужно отнести старый ноутбук в ремонт, чтобы ему прочистили радиаторы и вентиляторы от пыли и кошачьей шерсти. Также будет полезно снести ненужный софт, почистить диски и, может быть, начисто переустановить систему. Это задача на 2–3 часа, после чего ваш ноут будет летать.

Сейчас многие компании начали разрабатывать процессоры с той же архитектурой, что и M1. Это значит, что скоро появятся более быстрые, более мощные и более крутые процессоры. Как только это произойдёт, мы снова разберёмся, как инженеры этого достигли и какие трюки использовали.

Источник

Подробный разбор: что такое чип Apple M1 и как он изменил Mac

Презентация Apple M1, первого чипа из загадочного племени «M», а также всего железа с этим чипом внутри, была бы похожа на невероятное выступление. То, о чем рассказали с экрана вице-президенты и старший вице-президенты Apple, правдоподобным не было. Им удалось нас удивить, хотя мы ждали чего-то в этом духе и вроде бы были готовы ко всему. Между тем, этот удивительный и неправдоподобный чип – предназначен для самых дешевых и непритязательных моделей Mac’ов в модельном ряду Apple. Так не бывает, но похоже это и в самом деле революция и начало новой эры. Это не обман?

И центральный процессор, и графика, и ОЗУ — все в одном маленьком чипе

Очевидно, что без обмана не обошлось. Службе лояльности Apple (так называется её служба безопасности) удалось сделать невозможное. Над M-чипами в Apple работали не один год, их показывали посторонним – например, Жану-Луи Гассé. За эти годы кто-то из участников проекта уходил из компании, – но про M-серию так и осталась тайной. Неизвестно, на сколько нужно делить заявленные на презентации «в X раз быстрее/экономичнее/лучше», в остальном — только правда и ничего кроме правды. Маркетинг без преувеличений не маркетинг, но на этот раз они едва ли решились бы на серьезные преувеличения.

Что такое Apple M1

На первый взгляд, M1 почти не отличается от придуманного обществом (или внушенного обществу представления о нем) Apple A14X. 8-ядерный ARM-процессор из 4 силовых, то есть, высокопроизводительных, ядер и 4 энергосберегающих. В точности такие же NPU (нейронный процессор), 8-ядерный графический процессор (в дешевом варианте MacBook Air – 7-ядерный), та же фирменная система управления оперативной памятью.

Один маленький чип сочетает в себе столько всего

Производят этот кристалл по техпроцессу 5-нм, если вы не знаете, что это такое, просто примите к сведению, что это «очень круто», самый передний край науки и техники, и M1 – второй 5-нм чип в мире, а первым навсегда останется Apple A14.

Практически все имеющиеся у TSMC производственные мощности мобилизованы на выпуск этих двух кристаллов, и работают они без выходных, 24 часа в сутки, вот уже третий месяц подряд. Но M1 – совершенно другой чип – о котором пока известно немногое, хотя даже того, что о нем сообщили, достаточно, чтобы понять: в индустрии персональных компьютеров начинается новая эпоха, и через год или полтора её будет не узнать.

Но о будущем мы поговорим как-нибудь в другой раз. Разберемся с тем, что уже известно об M1. Первом чипе из семейства Apple Silicon, которое больше не секретно.

Зачем нужен процессор Apple M1?

В 2005 году, объясняя тем, кто привык презирать и ненавидеть Intel-процессоры, странное решение заменить в Mac’ах PowerPC на них, Джобс сослался на показатель, о котором из его слушателей, похоже, никто и никогда не слышал – «производительность на Ватт», и по которому лучшие из серийно производимых PowerPC в разы уступали процессорам от Intel. Речь шла об Intel-процессорах с архитектурой Core, но об этом Стив промолчал.

Чип M1 потребляет всего 25% энергии в сравнении с Intel при более высокой мощности

А на презентации 10 ноября про «производительность на Ватт» вспомнил Джони Сруджи, старший вице-президент Apple по платформам (возглавляющий разработку всех яблочных чипов): За 15 лет (с 2005 года) этот показатель у Intel увеличился, но незначительно. M1 с первого дня превосходит Intel по этому показателю как минимум в два раза. На достижение предельной для Intel-PC производительности M1 потребляет в четыре раза меньше энергии, и для M1 это далеко не предел.

M1, как и A14, состоит из тех же элементов – центрального, графического и нейронного процессоров. Последний, видимо, у них тот же: в персональных компьютерах ничего даже близкого по возможностям еще не было

Зато центральный и графический процессоры, у которых в персональных компьютерах и нагрузка посерьезнее, и круг задач шире – превосходят ноутбуки с Intel внутри. M1, как и другие чипы из семейства «M», о которых еще неизвестно, разрабатываются с нуля, с учетом особенностей места, в котором им предстоит работать. Самые быстрые и мощные ядра в центральном процессоре, как производительные так и энергосберегающие. Самый мощный встроенный графический процессор в мире.

Оперативная память в чипе Apple M1

M1 и компьютеры, использующие его, мы обязательно разберем «по косточкам», но кое-о-чем нужно сказать уже сейчас, чтобы не возникало недоразумений: в яблочных чипах оперативная память управляется и используется иначе, чем в процессорах от Intel. И то, что размер оперативной памяти в M1-компьютерах ограничен 16 гигабайтами – нормально. В Mac на Apple Silicon цена гигабайта значительно выше, чем в устройствах с чипами от Intel или Qualcomm.

Корректно ли сравнивать 16 ГБ в M1 с 32 или 64 гигабайтами в других устройствах, я не знаю, нужно пробовать – но в iPhone и в iPad соотношение примерно такое. «Обменный курс» неизвестен, он зависит от того, для чего используется устройство.

В теории 16 ГБ ОЗУ в M1 должно хватать даже на самые требовательные задачи. Но посмотрим

Предлагаем подписаться на наш канал в «Яндекс.Дзен». Там вы сможете найти эксклюзивные материалы, которых нет на сайте.

Характеристики Apple M1

Заявленные 10 ноября технические параметры системы-на-чипе M1 и компьютеров, в которых она используется, слишком хороши чтобы быть правдой? Что-то наверняка преувеличено, но в рамках приличий. Не принципиально и не радикально. Хотя если посмотреть на бенчмарки… они не обманули.

MacBook Air на M1 легко оставил позади Mac Pro «ведро» и 16-дюймовый MacBook Pro

Даже в режиме эмуляции с помощью Rosetta 2 новые Mac быстрее, чем их сородичи на Intel

Уже сейчас Mac на M1 можно заказать (в том числе в России), их уже подвергли испытаниям, и они действительно оказались хороши. В том числе Mac mini, который в чем-то превзошел сам Mac Pro.

За оставшийся месяц Apple надеется продать 2,5 миллиона Mac на M1. Что-то мне подсказывает, что у них получится.

Новости, статьи и анонсы публикаций

Свободное общение и обсуждение материалов

Лонгриды для вас

Apple наконец представила новое поколение AirPods 3. Собрали всю важную информацию: как выглядят, что нового в наушниках, чем они отличаются и сколько будут стоить

Apple привезла в Россию новые MacBook Pro. Цены на новинки достигают 600 тысяч рублей, но это, видимо, совершенно не отталкивает покупателей, которые уже спровоцировали дефицит. Из-за них сроки доставки некоторых версий ноутбуков увеличились до 5-6 недель

Мы уже почти точно знаем, каким будет iPhone 13, но есть то, чего ждут от него больше всего. И это не только уменьшенная челка, но и экран 120 Гц, и много чего-еще.

Название заявляет про подробный разбор, но ничего нового относительно предыдущих статей не написано. Даже если Apple слегка преувеличила производительность процессора, цифры все равно впечатляют, хоть на два делите, но такое преувеличение было бы уже слишком. В портативных устройствах производительность на ватт и низкое тепловыделение действительно важны. Но для стационарных решений — только вычислительная мощность. Так что вся интрига на мойвзгляд в iMac и Mac Pro. Хотя мощность Mac mini конечно обнадеживает.

Источник