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
Apple анонсировала M1 Pro и M1 Max: гигантские новые SoC на архитектуре ARM с полной производительностью
Сегодняшний основной доклад Apple Mac был очень насыщенным — компания анонсировала новую линейку устройств MacBook Pro на базе двух различных новых SoC в линейке Apple Silicon: M1 Pro и M1 Max.
M1 Pro и Max представляют собой продолжение прошлогоднего M1, процессора Mac первого поколения Apple, который стал первым этапом для Apple в реализации планов по замене процессоров на архитектуре x86 чипами собственного дизайна. M1 был успешным для Apple, продемонстрировав фантастическую производительность при невиданной доселе энергоэффективности на рынке ноутбуков. Хотя M1 достаточно быстрый, это все еще был небольшой SoC. Он предназначался, в первую очередь, для таких устройств, как iPad Pro. Соответственно, у него более низкий TDP, уступающий более производительным и мощным чипам от конкурентов.
Сегодняшние два новых чипа стремятся изменить эту ситуацию. При этом Apple делает все возможное для повышения производительности, увеличивая количество ядер процессора и графического процессора, плюс инвестируя в разработку электронных компонентов. Компания вкладывает в это направление весьма немалые средства.
M1 Pro: 10-ядерный процессор, 16-ядерный графический процессор, 33,7 млрд транзисторов в 245 мм 2
Первым из двух чипов, которые были анонсированы, был M1 Pro. Он стал основой для того, что Apple называет бескомпромиссными SoC для ноутбуков.
Apple начала презентацию с показа корпусировки SoC, M1 Pro сохраняет собственный дизайн корпусировки. Apple корпусирует чип SoC вместе с чипами памяти на одной органической печатной плате, что контрастирует с другими традиционными чипами, такими как AMD или Intel, где используются отдельные модули для DRAM. Подход Apple, вероятно, значительно повышает энергоэффективность и компактность.
Компания рассказала о том, что она удвоила пропускную способность шины памяти для M1 Pro по сравнению с M1. Тем самым завершен переход от 128-битного интерфейса LPDDR4X к новому 256-битному интерфейсу LPDDR5, с заявленной пропускной способностью памяти до 200 ГБ/с. Мы не знаем, является ли эта цифра точной или приблизительной, но стандарт LPDDR5-6400 как раз соответствует 204,8 ГБ/с.
В презентации Apple продемонстрировала снимки как M1 Pro, так и M1 Max, чтобы мы увидели макет чипа и деление на блоки. Начнем с контроллеров памяти, которые теперь в углах SoC, а не по краям, как на M1. Из-за увеличенной ширины интерфейса контроллеры памяти стали занимать довольно большую часть SoC. Еще более интересным является тот факт, что Apple теперь, по-видимому, использует два блока кэша системного уровня (SLC) непосредственно за контроллерами памяти.
Блоки кэша на системном уровне Apple отличаются тем, что обслуживают весь SoC, и способны увеличить пропускную способность, уменьшить задержку или просто сэкономить электроэнергию, избегая транзакций с памятью вне кристалла, что значительно повышает общую энергоэффективность. Этот блок SLC нового поколения выглядит совсем иначе, чем у M1. Ячеек SRAM больше, чем в M1, поэтому, хотя мы не можем точно подтвердить это прямо сейчас, это может означать, что в каждом блоке SLC 16 МБ кэша — для M1 Pro это будет 32 МБ общего кэша SLC.
Что касается процессора, Apple сократила количество энергоэффективных ядер с 4 до 2. Мы не знаем, будут ли эти ядра похожи на ядра M1 по эффективности или Apple приняла IP нового поколения от A15 SoC — но ясно, что новый iPhone SoC имеет некоторые более крупные микроархитектурные изменения.
Что касается производительных ядер, Apple удвоила их количество до 8. Производительные ядра Apple были чрезвычайно впечатляющими на M1, однако отставали от других 8-ядерных SoC с точки зрения общей многопоточной производительности. Удвоение ядер должно продемонстрировать огромное повышение производительности в многопотоке.
На снимке мы видим, что Apple зеркалирует два 4-ядерных блока, кэши L2 также зеркалируются. Хотя Apple пишет 24 МБ L2, я думаю, что это скорее конфигурация 2×12 МБ аналогично конфигурациям AMD. В таком случае синхронизация двух кластеров производительных ядер будет проходить через внутреннюю шину и SLC. Здесь можно лишь предполагать, но это предположение имеет смысл, учитывая показанный макет.
Что касается производительности процессора, Apple провела некоторые сравнения с конкурентами. В частности, сравниваемые здесь SKU Core i7-1185G7 от Intel и Core i7-11800H, 4-ядерные и 8-ядерные варианты новейших процессоров Intel Tiger Lake по техпроцессу 10nm ‘SuperFin’.
Apple утверждает, что в многопоточной производительности новые чипы значительно превосходят любые конкурентные чипы от Intel, причем при более низком энергопотреблении. Представленные кривые производительности и мощности показывают: при равном энергопотреблении в 30 Вт новые M1 Pro и Max в 1,7 раза быстрее по пропускной способности процессора, чем 11800H, кривая мощности которого чрезвычайно крутая. В то же время при равных уровнях производительности — пиковой у 11800H — новый M1 Pro/Max достигает тех же показателей при энергопотреблении ниже на 70%. Эти результаты на голову выше того, что есть у Intel.
Наряду с мощными процессорными блоками Apple также радикально масштабирует свою кастомную архитектуру GPU. M1 Pro теперь оснащен 16-ядерным графическим процессором с заявленной вычислительной способностью 5,2 терафлопс. Он идет в паре с гораздо более широкой шиной памяти и, предположительно, 32 МБ SLC. Это аналогично подходу AMD с их GPU Infinite Cache.
Производительность графического процессора Apple, как утверждается, значительно превосходит производительность интегрированной графики конкурентов предыдущего поколения. По этой причине компания решила провести прямые сравнения с дискретной графикой ноутбуков среднего класса — GeForce RTX 3050 Ti 4 ГБ. По результатам тестов чип от Apple показал аналогичную производительность, используя на 70% меньшую мощность. Правда, неясно что такое 30 Вт — является ли это общей мощностью SoC или системы. Возможно, Apple просто сравнивает сам блок графического процессора.
Наряду с GPU и CPU, Apple также отметила значительно улучшенный медиадвижок, который теперь может аппаратно ускорять декодирование и кодирование ProRes и ProRes RAW, что пригодится создателям контента и профессиональным видеографам. Apple Mac традиционно хороши для работы с видео, но аппаратно ускоренные движки для форматов RAW были бы киллер-фичей, которая станет решающей для этой аудитории.
M1 Max: 32-ядерное GPU чудовище на 57 миллиардов транзисторов и 432 мм 2 .
Кроме M1 Pro, Apple также рассказала о «большем брате» — M1 Max. В то время как M1 Pro догоняет и опережает конкурентные ноутбуки с точки зрения производительности, M1 Max предоставляет то, чего раньше еще не было: графический процессор «с турбонаддувом» на 32 ядра. По сути, это больше не SoC со встроенным графическим процессором, а GPU с встроенным SoC.
Корпусировка для M1 Max тоже отличается — чипы DRAM увеличились с 2 до 4, что соответствует увеличению ширины интерфейса памяти с 256-бит до 512-бит. Apple рассказывает о впечатляющей пропускной способности в 400 ГБ/с. Если это LPDDR5-6400, было бы более точным указать 409,6 ГБ/с. Такая пропускная способность неслыханна в SoC, но является нормой для производительных графических чипов.
M1 Max выглядит довольно своеобразно — во-первых, вся верхняя часть чипа над графическим процессором очень похожа на M1 Pro, указывая на то, что Apple повторно используют большую часть дизайна, и что вариант Max просто растет вниз.
Добавлены два 128-битных блока LPDDR5, причем количество блоков SLC растет вместе с ними. Если бы было 16 МБ на блок, то это представляло бы собой 64 МБ общего кэша для всего SoC. Помимо очевидного использования в GPU, мне интересно, чего могут достичь процессоры с помощью такой гигантской пропускной способности памяти.
M1 Max впечатляет количеством транзисторов. Так, Apple сообщила, что у M1 Pro их количество достигает 33,7 млрд, в то время как M1 Max включает уже около 57 млрд транзисторов. AMD, в то же время, с гордостью рассказывает о 26,8 млрд транзисторов в 7-нм графическом чипе Navi 21 на 520 мм 2 . У Apple здесь в два раза больше транзисторов при меньшем размере чипа благодаря использованию передового 5-нм техпроцесса от TSMC. Даже по сравнению с самым большим 7-нанометровым чипом NVIDIA с 54 млрд транзисторов в серверных GA100 — M1 Max имеет большее количество транзисторов.
Что касается размеров чипов, Apple разместила на одном из слайдов M1, M1 Pro и M1 Max рядом друг с другом, и они, похоже, имеют масштаб 1:1. В этом случае M1, который мы уже знаем, составляет 120 мм 2 , соответственно M1 Pro 245 мм 2 , а M1 Max около 432 мм 2 .
Большая часть чипа занята 32-ядерным графическим процессором, для которого Apple заявляет производительность в 10,4 терафлопс. Похоже, что Apple зеркалировала их 16-ядерный GPU. Первое, что приходит на ум — это 2 графических процессора, работающих в унисон, и какая-то общая логика между двумя половинами графического процессора. Мы сможем рассказать больше, как только проверим поведение системы на программном уровне.
С точки зрения производительности Apple успешно может конкурировать с лучшими предложениями на рынке, сравнивая производительность M1 Max с производительностью мобильного GeForce RTX 3080 при меньшей мощности на 100 Вт (60 Вт против 160 Вт). M1 Max и тут превосходит дискретный GPU NVIDIA, при этом потребляя на 40% меньше энергии.
Презентация нового поколения Apple Silicon стала тем, чего мы ждали больше года. Я думаю, что Apple удалось не только оправдать ожидания, но и значительно превзойти их. Как M1 Pro, так и M1 Max кардинально отличаются от всего, что мы когда-либо видели в области ноутбуков. Если M1 был неким признаком успеха Apple в их кремниевых начинаниях, то два новых чипа превосходят любые варианты, что мы видели у конкурирующих компаний.
Источник
