Apple Silicon M1

Apple Silicon M1 — это серия систем на кристалле (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 собственных компьютеров, ознаменовав переход от архитектуры x86-64 (Intel) к собственной архитектуре Apple Silicon. Система объединяет центральный процессор (CPU), графический процессор (GPU), память с единой архитектурой (Unified Memory Architecture, UMA), контроллеры ввода-вывода, нейронный процессор (Neural Engine) и другие компоненты на одном кристалле, изготовленном по 5-нанометровому технологическому процессу.

История

Предпосылки создания

До 2020 года компьютеры Mac использовали процессоры Intel (архитектура x86-64). Однако Apple уже имела опыт разработки собственных ARM-чипов для мобильных устройств — серии A-чипов (начиная с A4 в 2010 году). К 2020 году производительность мобильных процессоров Apple (например, A12X/A12Z Bionic) приблизилась к показателям настольных процессоров Intel, что позволило компании задуматься о полном отказе от сторонних поставщиков.

Анонс и переход

10 ноября 2020 года на мероприятии «One More Thing» Apple представила три компьютера на M1: MacBook Air, 13-дюймовый MacBook Pro и Mac mini. В 2021 году линейка пополнилась 24-дюймовым iMac и iPad Pro (5-го поколения). Переход на Apple Silicon был объявлен двухлетним планом, завершившимся в 2022 году с выпуском Mac Pro на M2 Ultra.

Архитектура и характеристики

Технологический процесс

M1 производится по 5-нанометровому техпроцессу (N5) компании TSMC. Кристалл содержит 16 миллиардов транзисторов.

Центральный процессор (CPU)

CPU M1 имеет 8 ядер: 4 высокопроизводительных ядра (Firestorm) и 4 энергоэффективных ядра (Icestorm). В базовой конфигурации MacBook Air одно из высокопроизводительных ядер отключено, оставаясь 7-ядерным GPU. Ядра работают асинхронно: для лёгких задач (просмотр веб-страниц, почта) используются только энергоэффективные ядра, потребляющие значительно меньше энергии. Производительные ядра имеют частоту до 3,2 ГГц, энергоэффективные — до 2,0 ГГц.

Графический процессор (GPU)

Встроенный GPU имеет 8 ядер (в некоторых конфигурациях MacBook Air — 7). Он поддерживает до 24576 одновременных потоков, обеспечивая производительность до 2,6 терафлопс (FP32). GPU использует единую архитектуру памяти, что устраняет необходимость копирования данных между CPU и GPU.

Нейронный процессор (Neural Engine)

16-ядерный Neural Engine способен выполнять до 11 триллионов операций в секунду. Он предназначен для задач машинного обучения, таких как распознавание лиц, обработка изображений, работа с голосовыми помощниками.

Память

M1 использует единую архитектуру памяти (UMA), где CPU, GPU и другие компоненты обращаются к одному и тому же пулу оперативной памяти. Это устраняет узкие места, связанные с копированием данных между разными типами памяти. Доступны конфигурации с 8 или 16 ГБ оперативной памяти LPDDR4X-4266. Пропускная способность памяти составляет около 68,25 ГБ/с.

Контроллеры и интерфейсы

Чип включает:

• Контроллер Thunderbolt 4 / USB 4 (до 40 Гбит/с)
• Контроллер PCIe 4.0
• Контроллер NVMe для SSD
• Контроллер дисплея (поддержка до двух внешних дисплеев: один 6K через Thunderbolt и один 4K через HDMI 2.0, либо один 6K и один 5K)
• Аудио-контроллер (встроенный ЦАП, поддержка до 24 бит/96 кГц)
• Контроллер Secure Enclave для шифрования и биометрии

Производительность и энергоэффективность

Сравнение с Intel

По заявлениям Apple, M1 обеспечивает:

• В 2 раза более высокую производительность CPU на ватт по сравнению с последними чипами Intel для ноутбуков (Ice Lake).
• В 3 раза более высокую производительность GPU на ватт.
• В 2 раза более высокую производительность в однопоточных задачах по сравнению с Intel Core i7-1065G7.

Независимые тесты (Geekbench 5, Cinebench R23) подтвердили, что M1 превосходит большинство процессоров Intel для ноутбуков 2020 года как в однопоточных, так и в многопоточных нагрузках, при этом потребляя значительно меньше энергии (максимальное энергопотребление M1 — около 15 Вт, тогда как Intel Core i7-1065G7 — до 28 Вт).

Энергопотребление

Благодаря 5-нм техпроцессу и асимметричной архитектуре ядер, M1 демонстрирует рекордную энергоэффективность. MacBook Air на M1 работает без подзарядки до 15 часов при просмотре веб-страниц (по данным Apple), что примерно на 50% больше, чем у предшественников на Intel.

Программное обеспечение и совместимость

macOS Big Sur и далее

M1 работает под управлением macOS Big Sur (11.0) и более поздних версий. Операционная система была переписана для поддержки ARM-архитектуры, включая ядро, драйверы и системные приложения.

Rosetta 2

Для обеспечения совместимости с приложениями, написанными для x86-64, Apple разработала эмулятор Rosetta 2. Он транслирует инструкции x86-64 в ARM-инструкции на лету или при установке. По заявлениям Apple, производительность приложений под Rosetta 2 составляет от 80% до 100% от нативной, хотя в некоторых играх и сложных вычислениях может наблюдаться снижение.

Нативные приложения

К моменту выхода M1 крупные разработчики (Adobe, Microsoft, Google, Autodesk) выпустили нативные версии своих приложений (Photoshop, Office, Chrome, AutoCAD). К 2022 году большинство популярных программ для macOS были переписаны под ARM.

Модификации и варианты

M1 Pro и M1 Max (2021)

В октябре 2021 года Apple представила более мощные варианты M1 для профессиональных ноутбуков MacBook Pro 14 и 16 дюймов:

• M1 Pro: до 10 ядер CPU (8 производительных, 2 энергоэффективных) и до 16 ядер GPU, до 32 ГБ памяти.
• M1 Max: до 10 ядер CPU и до 32 ядер GPU, до 64 ГБ памяти, удвоенная пропускная способность памяти (до 400 ГБ/с).

M1 Ultra (2022)

M1 Ultra — это два кристалла M1 Max, соединённые через мост UltraFusion, что позволяет системе распознавать их как единый чип. Он имеет до 20 ядер CPU, до 64 ядер GPU и до 128 ГБ памяти. Представлен в марте 2022 года для Mac Studio.

Критика и ограничения

Ограничения по памяти

Максимальный объём оперативной памяти в M1 — 16 ГБ, что для некоторых профессиональных задач (видеомонтаж 8K, рендеринг 3D-сцен, работа с большими базами данных) может быть недостаточно. В более поздних версиях (M1 Pro, Max, Ultra) это ограничение было снято.

Совместимость с периферией

Некоторые старые устройства (например, принтеры, сканеры, звуковые карты) не имеют драйверов для ARM-архитектуры, что делает их неработоспособными под macOS на M1. Также наблюдались проблемы с совместимостью некоторых USB-концентраторов и док-станций.

Отсутствие поддержки eGPU

M1 не поддерживает внешние графические ускорители (eGPU) через Thunderbolt, что ограничивает возможности для игр и профессиональной графики.

Игры

Производительность в играх, написанных для x86-64, под Rosetta 2 часто ниже, чем на аналогичных системах с дискретной графикой. Количество нативных игр под ARM-архитектуру остаётся ограниченным.

Влияние на индустрию

M1 стал первым массовым ARM-процессором для настольных компьютеров, продемонстрировавшим, что архитектура ARM может превзойти x86-64 по производительности на ватт. Это стимулировало развитие ARM-решений в сегменте ПК (например, Qualcomm Snapdragon 8cx Gen 3, MediaTek Kompanio). Также M1 укрепил вертикальную интеграцию Apple, снизив зависимость от Intel и позволив компании контролировать весь цикл разработки аппаратного и программного обеспечения.

Источники

• Apple Inc. (2020). «Apple M1 chip: A new era for Mac». Apple Newsroom.
• AnandTech. (2020). «The Apple M1: A Deep Dive into the Architecture».
• Geekbench 5 Benchmark Results (2020–2021).
• TSMC (2020). «5nm Technology Platform».
• Apple Inc. (2021). «Apple unveils M1 Pro and M1 Max». Apple Newsroom.
• Apple Inc. (2022). «Apple introduces M1 Ultra». Apple Newsroom.