Apple M1

Apple M1 — это серия однокристальных систем (SoC) на архитектуре ARM, разработанная компанией Apple Inc. для использования в персональных компьютерах Mac и планшетах iPad Pro. Представленный 10 ноября 2020 года, M1 стал первым процессором, созданным Apple для линейки Mac, ознаменовав переход от архитектуры Intel x86-64 к собственной архитектуре Apple Silicon. Чип производится по 5-нанометровому техпроцессу (N5) компанией TSMC и объединяет на одном кристалле центральный процессор (CPU), графический процессор (GPU), нейронный процессор (NPU), контроллер памяти и другие компоненты.

История

Разработка процессоров на собственной архитектуре велась Apple в течение многих лет. Ещё в 2010 году компания представила первый чип A4 для iPhone и iPad, а к 2020 году накопила значительный опыт в проектировании высокопроизводительных ARM-процессоров для мобильных устройств. В 2018 году Apple начала использовать в iPad Pro чипы серии A12X, которые по производительности приближались к процессорам начального уровня для ноутбуков.

22 июня 2020 года на конференции WWDC Apple официально объявила о переходе Mac на процессоры собственной разработки, пообещав завершить переход в течение двух лет. M1 стал первым чипом в рамках этой инициативы. Презентация состоялась 10 ноября 2020 года, одновременно с анонсом трёх моделей Mac: MacBook Air, 13-дюймового MacBook Pro и Mac mini. В апреле 2021 года M1 был установлен в 24-дюймовый iMac, а в мае 2021 года — в iPad Pro пятого поколения.

Архитектура и характеристики

Apple M1 представляет собой систему на кристалле, в которой все ключевые компоненты размещены на одной подложке. Это позволяет снизить задержки при передаче данных между компонентами и уменьшить энергопотребление.

Центральный процессор (CPU)

CPU M1 содержит 8 ядер, разделённых на два кластера:

• 4 высокопроизводительных ядра (Firestorm) — работают на частоте до 3,2 ГГц, предназначены для ресурсоёмких задач.
• 4 энергоэффективных ядра (Icestorm) — работают на частоте до 2,0 ГГц, используются для фоновых и малозатратных операций.

Архитектура использует технологию гетерогенных вычислений, при которой операционная система macOS автоматически распределяет задачи между ядрами в зависимости от нагрузки. Каждое ядро Firestorm имеет 192 КБ кэша инструкций L1 и 128 КБ кэша данных L1, а общий кэш L2 для высокопроизводительных ядер составляет 12 МБ. Энергоэффективные ядра имеют 128 КБ кэша инструкций L1, 64 КБ кэша данных L1 и общий кэш L2 объёмом 4 МБ.

Графический процессор (GPU)

M1 оснащён встроенным графическим процессором, который может иметь 7 или 8 ядер (в зависимости от конфигурации). В базовой версии MacBook Air используется 7-ядерный GPU, в остальных моделях — 8-ядерный. GPU поддерживает до 24576 одновременных потоков и обеспечивает производительность до 2,6 терафлопс (TFLOPS) в операциях с плавающей запятой одинарной точности.

Нейронный процессор (Neural Engine)

16-ядерный нейронный процессор способен выполнять до 11 триллионов операций в секунду (11 TOPS). Он используется для задач машинного обучения, таких как распознавание лиц, обработка естественного языка, улучшение качества изображений и видео.

Память

M1 использует унифицированную архитектуру памяти (UMA), при которой CPU, GPU и NPU обращаются к одной и той же области оперативной памяти. Это устраняет необходимость копирования данных между разными пулами памяти и повышает скорость работы. Чип поддерживает до 16 ГБ оперативной памяти LPDDR4X-4266 с пропускной способностью около 68,25 ГБ/с. Память распаяна на подложке SoC и не подлежит замене или расширению.

Другие компоненты

• Контроллер дисплея — поддерживает до двух дисплеев: один встроенный (до 6K) и один внешний (до 6K через Thunderbolt).
• Медиа-движок — аппаратный блок для кодирования и декодирования видео H.264, HEVC, VP9, а также поддержка ProRes и ProRes RAW.
• Контроллер Thunderbolt 4/USB 4 — поддерживает до двух портов с пропускной способностью до 40 Гбит/с.
• Безопасное анклавное хранилище (Secure Enclave) — аппаратный модуль для шифрования данных и хранения ключей.

Производительность

По данным Apple, M1 обеспечивает до 3,5 раз более высокую производительность CPU по сравнению с предыдущими процессорами Intel в MacBook Air и до 6 раз более высокую производительность GPU. В бенчмарках, таких как Geekbench 5, одноядерная производительность M1 достигала 1700–1800 баллов, а многоядерная — 7500–7800 баллов, что сопоставимо с процессорами Intel Core i9 десятого поколения при значительно меньшем энергопотреблении.

Энергоэффективность M1 позволила MacBook Air работать без подзарядки до 15 часов при веб-сёрфинге и до 18 часов при воспроизведении видео, а MacBook Pro — до 17 и 20 часов соответственно.

Совместимость с программным обеспечением

Переход на архитектуру ARM потребовал адаптации программного обеспечения. Apple разработала технологию Rosetta 2 — динамический транслятор, который позволяет запускать приложения, написанные для процессоров Intel x86-64, на M1 без перекомпиляции. По заявлениям компании, Rosetta 2 обеспечивает производительность, близкую к нативной, для большинства приложений.

К моменту выхода M1 многие крупные разработчики, включая Adobe, Microsoft и Google, выпустили нативные версии своих приложений для ARM-архитектуры. В 2021–2022 годах количество нативных приложений для Apple Silicon значительно выросло.

Модификации и наследники

На базе архитектуры M1 были выпущены несколько модификаций:

• M1 Pro (октябрь 2021) — с увеличенным числом ядер CPU (до 10) и GPU (до 16), поддержкой до 32 ГБ памяти.
• M1 Max (октябрь 2021) — с GPU до 32 ядер и поддержкой до 64 ГБ памяти.
• M1 Ultra (март 2022) — объединение двух кристаллов M1 Max через технологию UltraFusion, обеспечивающее до 20 ядер CPU и 64 ядра GPU.

В 2022 году Apple представила процессоры второго поколения — M2, M2 Pro, M2 Max и M2 Ultra, а в 2023 году — M3, M3 Pro и M3 Max, выполненные по 3-нанометровому техпроцессу.

Критика

Несмотря на высокую производительность и энергоэффективность, M1 подвергался критике по нескольким причинам:

• Ограниченный объём памяти — максимальные 16 ГБ ОЗУ были недостаточны для некоторых профессиональных задач, таких как работа с большими видеофайлами или виртуальными машинами.
• Отсутствие поддержки внешних видеокарт (eGPU) — M1 не поддерживает подключение внешних графических ускорителей через Thunderbolt, что ограничивает возможности для пользователей, нуждающихся в дополнительной графической мощности.
• Проблемы с совместимостью — некоторые приложения, особенно узкоспециализированные или старые, не работали корректно даже через Rosetta 2.

Значение

Apple M1 стал важной вехой в истории персональных компьютеров, продемонстрировав возможность создания высокопроизводительных ARM-процессоров для настольных и портативных систем. Успех M1 стимулировал других производителей, включая Qualcomm и Microsoft, к активному развитию ARM-архитектуры для Windows-устройств. Чип также укрепил позиции Apple как разработчика собственных полупроводниковых решений, снизив зависимость компании от сторонних поставщиков.

Источники

• Apple Inc. (2020). «Apple M1: A new chip for a new Mac». Официальный пресс-релиз.
• AnandTech (2020). «The Apple M1 SoC: A Deep Dive».
• Geekbench Browser (2020). «Apple M1 Benchmarks».
• TSMC (2020). «5nm Technology».
• Apple Inc. (2021). «MacBook Air and MacBook Pro Technical Specifications».