蘋果M1芯片深度測試_風聞

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自「anandtech」，謝謝。

上週，蘋果公司發佈了基於他們新Apple Silicon M1 SoC芯片打造新Mac產品，這個新聞在行業內引起了轟動，因為這標誌着蘋果正式開啓了從Intel的x86 CPU過渡到該公司自己基於Arm架構設計的內部產品的兩年計劃第一步。

在發佈會期間，我們根據該公司已經發布的Apple A14芯片（在新一代iPhone 12手機中使用）撰寫了一篇詳盡的文章，當中包括對Apple的新Firestorm內核的微體系結構的深入研究，這些內核同時為A14和新的Apple Silicon M1提供動力，如果您還沒有機會看的話，我建議您閲讀《深度解讀蘋果M1芯片》。

幾天以來，我們已經能夠接觸到首批Apple Silicon M1設備之一：全新的Mac mini 2020版本。在上週的分析文章中，我們基於A14得出了數字，而這次，我們根據實際的新高功率設計測量了實際性能。我們沒有很多時間，但是我們將為您帶來與新的Apple Silicon M1相關的關鍵數據點。

Apple Silicon M1：Firestorm內核的3.2GHz和約20-24W TDP？

在Apple的演示文稿中，缺少芯片時鐘頻率的實際細節以及可以保持最高性能的TDP是他們的一貫風格。

但我們可以確認，在單線程工作負載中，Apple的Firestorm內核現在的時鐘頻率為3.2GHz，比Apple A14的3GHz頻率提高了6.66％。只要有散熱空間，此時鐘也適用於所有內核負載，除了4個3.2GHz性能內核以外，我們在2064MHz處還可以看到4個Thunde效率內核，這也比A14上的1823MHz高出很多。

除了四個高性能的Firestorm核心之外，M1還包括四個Icestorm核心，旨在降低閒置功率並提高電池供電情境下的電源效率。4個性能內核和4個效率內核都可以同時激活，這意味着這是8內核SoC，儘管所有內核的性能吞吐量並不相同。

發佈會期間最大的問題是這些設計的功耗。蘋果已經提供了包括性能和功率軸在內的幾張圖表，但是我們缺乏比較數據來得出正確的結論。

由於我們可以使用Mac mini而不是Macbook，因此這意味着設備上的功率測量非常簡單，因為我們只需將儀表連接到設備的AC輸入即可。值得一提的是，由於我們在這裏測量的是交流電源，因此功率數字不能直接與電池供電的設備相提並論，因為Mac mini的電源會帶來比其他設備更大的效率損失。

尤其重要的是要記住，我們通常談到的處理器中的TDP數實際上只是此處提供的數字的一個子集，因為除了SoC，我們還在測量DRAM和電壓調節開銷，而這並不是包含在TDP數據中，也不包括筆記本電腦上的典型封裝電源讀數。

從空閒的Mac mini處於默認狀態開始，我們把打開電源後的設備看作空閒狀態，在通過HDMI連接到2560p144顯示器，Wi-Fi 6和鼠標和鍵盤，我們看到的設備總功率為4.2W。鑑於我們正在測量設備的交流電源，這在低負載下可能效率很低，這在很大程度上是有意義的，並且代表了一個很好的數字。

該閒置數據還用作後續測量的基準，在這些測量中我們計算“有功功率”（active power），這意味着我們通常採用的方法是測量總功率並減去閒置功率。

在3.2GHz Firestorm內核上的平均單線程工作負載（例如GCC代碼編譯）期間，我們看到設備功率高達10.5W，有功功率約為6.3W。有功功率與我們對更高頻率的Firestorm內核的期望非常一致，並且對於Apple和M1來説是極有希望的。

在工作量更大的DRAM上，從而在Mac mini上的LPDDR4X級128位16GB DRAM上造成更大的功率損失，我們看到有功功率高達10.5W。有了這些數據，新的M1可能會給人留下深刻的印象，並且其展示能力還不到高端英特爾移動CPU的三分之一。

在多線程方案中，電源高度依賴於工作負載。在CPU利用率不高的內存密集型工作負載中，我們看到有功功率為18W，平均工作負載約為22W，在計算繁重的工作負載中峯值約為27W。這些數字通常是您希望與其他平台的“ TDP”進行比較的數字，儘管要再次進行比較，您需要進一步減去一些在Mac mini上測算的開銷。最好的猜測是20至24W的範圍。

最後，在GPU方面，我們看到GFXBench Aztec High的功耗降低了17.3W。這將包含大量的DRAM功耗，因此Apple GPU的功耗絕對是極低的功耗，並且遠遠小於CPU可以消耗的峯值功率。

存儲差異

除了CPU和GPU上的其他內核外，M1與A14的主要區別還在於它運行在128位內存總線上，而不是在移動64位總線上。在8個16位內存通道和LPDDR4X-4266級內存中，這意味着M1達到了68.25GB / s的內存帶寬峯值。

在內存延遲方面，我們發現M1較之A14（預期的）減少了，在128MB完全隨機測試深度（full random test depth）下測量為96ns，而在A14上為102ns。

還需要注意的是性能核心的12MB L2緩存，儘管在這裏蘋果似乎仍在對單個核心可使用的數量進行分區，因為我們仍然看到8MB之後的延遲有所增加。

M1還包含一個較大的SLC緩存，芯片上的所有IP塊都應可以訪問該緩存，但我們不確定。不給過測試結果的確與A14相似，因此我們假設這是SoC上類似的16MB緩存塊，因為某些訪問模式超出了A14的訪問範圍，這在一定程度上是合理的較大的L2。

我們從未真正有機會進行測試的一個方面就是，蘋果的核心在內存帶寬方面到底有多出色。在M1內部，結果是突破性的：一次Firestorm可以實現高達58GB / s的內存讀取速度，而內存寫入速度則為33-36GB / s。最重要的是，根據您使用的是標量指令還是矢量指令，內存副本（memory copies）的傳輸速度可以高達60至62GB / s。單個Firestorm內核幾乎可以使內存控制器飽和的事實令人震驚，因為這是我們以前在設計中從未見過的。

因為一個內核幾乎可以利用整個內存帶寬，所以讓多個內核同時訪問事物實際上並不會增加系統帶寬，但是實際上由於擁塞會降低有效實現的總帶寬。當在內存副本（memory copies）中同時使用性能核心和效率核心時，我特別指出了這一點——4個大核心以59GB / s的內存副本（memory copies）達到峯值，但是一旦添加了效率核心，它就會降至49GB / s，當所有內核都處於活動狀態時，速度可降至46GB / s，這表明系統中某處中存在瓶頸。

除了增加時鐘速度，增加L2之外，這種內存提升還很有可能是M1區別於A14之外的另一個關鍵點，並讓其有能力與現有的x86廠商的競爭。

基準測試

由於我們使用Mac mini的時間很少，而且這不僅是一個macOS系統，而且是一個新的基於Arm64的macOS系統，因此我們無法使用我們通常使用的基準測試。在發佈時，我們已經進行了各種可用的測試，以使我們對性能有一個大致的瞭解：

Cinebench是在macOS和Apple Silicon上初露頭角的一個特定基準。在基於Cinema4D的首次基準測試中，我們看到蘋果M1與市場上大部分的x86 CPU相比，擁有相當大的優勢，但輸給了Zen3和Tiger Lake CPU，後者似乎仍然具有優勢。

值得注意的是，在x86模式下，Rosetta2基準測試的性能不僅能夠跟上過去的Mac，而且還能勝過它們。

在多線程R23運行中，M1版本Mac具有絕對的領先優勢。值得一提的是，我們正在嘗試訪問其他系統以收集更多數據，並希望進一步更新圖表。

在瀏覽器基準測試中，Apple的CPU佔據了主導地位，但是人們懷疑這是由於iPhone的CPU本身，還是僅歸因於瀏覽器和瀏覽器引擎。現在可以在macOS和桌面Safari上運行，並且能夠將數據與其他Intel Mac系統進行比較，我們可以得出這樣的結論：性能優勢歸功於Apple的CPU設計。

Web瀏覽性能似乎是Apple CPU的頭等大事，這是有道理的，因為它是移動SoC的殺手級工作量，也是日常生活中使用最多的工作量。

在Geekbench 5中，M1再次表現出色，因為它實際上領先於我們的性能數據。即使在以x86兼容模式運行時，M1與上一代高端CPU的頂級單線程性能相比不相伯仲，並且大大超過了Mac mini和Macbook的先前版本。

多線程性能取決於設計的內核數和功耗效率。M1在這裏輸給了2017年的15英寸Macbook Pro，它使用的Intel i7-7820HQ具有4核和8線程，得分翻倍。在收集數據點時，我們將添加更多的數據點。

M1 GPU性能：集成王者，獨立CPU的競爭對手

從Intel切換到Apple芯片上，重點主要應該放在CPU內核上，對此，我們有充分的理由，但M1在GPU方面的表示不容忽視。像他們的CPU內核一樣，蘋果已經開發了自己的GPU技術已有多年了，隨着向Apple Silicon的轉變，這些GPU設計也首次出現在Mac上。從性能的角度來看，這帶來的蓋板邊比蘋果的CPU還要大。

蘋果公司長期以來一直以要求GPU性能優於一般PC OEM廠商而聞名。儘管許多英特爾合作伙伴都很樂意甚至在部分15英寸筆記本電腦中都配備了具有Intel UHD圖形和其他基準解決方案的系統，但蘋果公司選擇在其15英寸MacBook Pro中交付獨立的GPU。而且，當他們無法在13英寸型號中安裝獨立GPU時，他們將Intel的高級Iris GPU配置與更大的GPU和片上eDRAM緩存結合使用，從而成為這些功能更強大的芯片的唯一常規客户。

因此，一段時間以來，蘋果一直希望獲得比英特爾默認提供的更好的GPU性能。通過切換到自己的芯片，Apple最終可以通過建立具有他們想要的所有GPU性能的筆記本電腦SoC來賺錢。

同時，與向Apple Silicon過渡的CPU方面不同，圖形編程的高級性質意味着Apple幾乎不依賴於開發人員，就可以立即準備通用應用程序以利用Apple的GPU。可以肯定的是，原生的CPU代碼仍將產生更好的結果，因為幾乎沒有人聽説過純粹受GPU限制的工作負載，但是現有的Metal（甚至OpenGL）代碼現在可以在Apple的GPU上運行，這意味着它立即使所有遊戲和其他受GPU約束的工作負載受益。

至於M1 SoC的GPU，毫不奇怪，它看起來很像A14的GPU。但蘋果對設計進行了一些調整，以適應Mac的敏感性（例如，各種GPU紋理和表面格式），但總的來説，差異是在API級別上抽象出來的。

總體而言，隨着M1達到A14但更大，Apple已將其4核GPU設計從該SoC擴展到了M1的8核。但與CPU時鐘速度相比，我們對GPU時鐘速度的瞭解甚至更少。

因此，目前尚不清楚蘋果是否真的提高了這些速度；但是如果GPU時鐘沒有提高，我會感到有些驚訝。總體而言，按照智能手機標準，A14的4核GPU設計已經非常強大，因此8核設計就更是如此。M1的集成GPU不僅旨在超越AMD和Intel的集成GPU，他們甚至還瞄準了獨立GPU。

最後，應該指出的是，Apple為M1提供了兩種不同的GPU配置。Mac Mini和MacBook Pro的芯片均啓用了所有8個GPU內核。同時，對於Macbook Air，它取決於SKU：入門級型號具有7核配置，而更高級別的型號具有8核。這意味着入門級Air可獲得最弱的GPU（比完整的M1落後約12％）。

讓我們開始瞭解GPU性能，讓我們從GFXBench 5.0開始。這也是我們筆記本電腦評測的常規基準之一，因此它為我們提供了一個很好的機會，將基於M1的Mac Mini與Mac生態系統內外的各種其他CPU / GPU組合進行比較。

總體而言，這並不是一個完全公平的測試，因為Mac Mini是小型台式機，而不是筆記本電腦，但是由於M1是筆記本電腦專用芯片，因此至少可以使我們瞭解M1在達到最佳狀態時的性能。

總體而言，M1的GPU在這裏非常強大。在正常和高設置下，它都遠遠領先於其他集成GPU，甚至是獨立的Radeon RX 560X。只有到了NVIDIA的GTX 1650更強的GPU時，M1才漸落下風。

順便説一句，我還通過Rosetta自由運行了基準測試的x86版本，以瞭解性能損失。至少在GFXBenchAztec Ruins中沒有。GPU的性能與本機二進制文件和二進制轉換幾乎完全相同。

最後，我們以完全愚蠢的合成基準快速瀏覽了更廣闊的領域，我們有了3DMark Ice Storm Unlimited。由於Apple Silicon Macs能夠運行iPhone / iPad應用程序，因此我們能夠通過運行iOS版本首次在Mac上運行此基準測試。這是為OpenGL ES 2.0時代建立的非常古老的基準，但有趣的是它的性能甚至比GFXBench好。Mac Mini的性能恰好足以滑過配備GTX 1650的筆記本電腦，儘管這不會經常發生，但它顯示了M1的強大功能。

為蘋果新Mac的發佈而更新的另一個GPU基準是BaseMark GPU。這不是我們的常規基準測試，因此我們手頭上沒有其他非Mac筆記本電腦的分數，但是它使我們可以更進一步地瞭解M1與其他Mac GPU產品的比較。

2020年的Mac Mini仍然領先宇2018年基於Intel的Mac Mini，就此而言，它也比配備Radeon Pro 560的2017年MacBook Pro至少快50％。當然，較新的MacBook Pro會做得更好，但是請記住，這是一個集成的GPU，整個芯片比MacBook Pro的CPU消耗的功率更少，因此不必擔心獨立的GPU。

最後，將理論付諸實踐，我們有了《Rise of the Tomb Raider》。該遊戲於2016年發佈，具有適當的Mac端口和內置基準，使我們能夠在遊戲場景中查看M1並將其與其他Windows筆記本電腦進行比較。誠然，這款遊戲的年齡稍大一些，但其性能要求與M1旨在提供的性能非常匹配。最後，應該指出的是，這是x86遊戲，尚未移植到Arm上，因此遊戲的CPU端通過Rosetta運行。

在我們的768p Value設置下，Mac Mini在這裏提供了超過60fps的速度。它再次大大領先於2018年基於Intel的Mac Mini以及該堆棧中的所有其他集成GPU。即使是15英寸的MBP及其Radeon Pro 560仍然落後於Mac Mini 25％以上，Ryzen筆記本電腦和Radeon 560X最終要與Mac Mini保持一致。

同時，通過“發燒友”設置將事情提高到1080p時，發現基於M1的Mac Mini仍提供不到40fps的速度，並且比上述Ryzen + 560X系統高出20％以上。這確實使Mini遠遠落後於GTX 1650-Rosetta和常規API效率低下可能起了一定作用-但它表明了擊敗Apple集成GPU所需要的能力。Mac Mini以39.6fps的速度可以在1080p上以良好的圖像質量設置進行播放，並且相當容易地降低分辨率或圖像質量以使其恢復到60fps以上。全部在集成GPU上。

最終，這些基準測試非常有力地證明了M1的集成GPU將不辜負蘋果公司在高性能GPU方面的聲譽。蘋果公司為Mac推出的首個Apple內置GPU的速度明顯快於我們能夠使用的任何集成GPU，並且無疑將為筆記本電腦的GPU性能樹立新的高標準。

根據蘋果自己的die照片，很明顯，他們將M1模具的相當一部分用於GPU和相關的硬件上，其收益是可以與低端獨立GPU媲美的GPU。鑑於M1只是未來的基線，蘋果將需要更強大的GPU用於高端筆記本電腦和其餘台式機，看到基線的GPU時蘋果及其開發者生態系統可以做什麼將非常有趣即使是最便宜的Mac，其性能也很高。