蘋果三位芯片大神講述M1背後的故事_風聞

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自「ars」，謝謝。

前不久，蘋果發佈了在Arm芯片上運行的Mac機器，當我們驚歎於蘋果為何能在自言芯片上不斷邁出自己堅實的步伐時，背後到底有怎樣的故事呢？一家外媒近期採訪了蘋果公司軟件工程高級副總裁Craig Federighi、蘋果全球市場營銷高級副總裁Greg Joswiak和硬件技術高級副總裁Johny Srouji，讓我們一起看看蘋果的真實想法。

為什麼是現在？

Federighi表示，Mac是蘋果的靈魂，讓許多人蔘與到計算中來，也是許多人投入到蘋果生態的源頭。Mac也是人們的生產力工具，所以在蘋果所做的一切工具中，只要有機會，我們就會將所有的知識應用到這個核心系統中來，算是一種夢想成真。

Srouji補充道：“我們確實需要自己的定製芯片來交付提供真正的最好的Mac。”

從歷史角度來看，在PowerPC架構即將走到盡頭的時候，蘋果在2006年選擇了英特爾的X86架構。在最初幾年，英特爾是蘋果的最大福音，它們使與Windows和其他平台的互操作性成為可能，使Mac成為更加靈活的計算機。除了台式機，它們還使Apple可以將更多的精力放在越來越流行的筆記本電腦上。他們使Mac整體上更受歡迎，與此同時，iPod以及隨後不久的iPhone取得了巨大的成功。

長期以來，英特爾的性能都是一流的。但是近年來，無論從性能方面還是在一致性方面，英特爾的CPU路線圖都不太可靠。但是受訪的三個人都堅稱，這並不是變革背後的動力。

Joswiak表示：“這是我們能做的，我們並不在乎別人不能做什麼。”

最初知道這個決定的人很少。Federighi回憶道：“但從我們説要走這條路的那一刻起，那些認識我們的人就笑而不語。”

Srouji將蘋果描述為一個能夠成功的特殊存在：“正如你所知道的，我們並沒有把芯片設計成通用解決方案——這讓我們能夠真正與軟件、系統和產品緊密集成——這正是我們所需要的。”

Greg “Joz” Joswiak 、 Craig Federighi 、Johny Srouji

M1的設計

蘋果需要的是一種芯片，該芯片吸取了多年iPhone，iPad和其他產品的單芯片移動系統的經驗教訓，然後添加了各種附加功能，以滿足筆記本電腦或台式電腦。

“在此期間，我們甚至還在設計架構或定義功能，”Srouji回憶説，“Craig和我同一個辦公室，我們説，‘好吧，這就是我們想要設計的。將會是最重要的事情。’”

當蘋果公司首次宣佈其計劃今年推出第一個Apple Silicon Mac時，旁觀者推測iPad Pro A12X或A12Z芯片是一個模板，新Mac芯片將類似於A14X-a加強版的芯片。

當然不完全是這樣，Federighi説：“M1本質上是一個超集，因為當我們開始製作Mac芯片的時候，有很多不同之處，因此，對應的與A14X或者其他的芯片相比就會有很多不同之處。”

“我們對Mac應用程序工作負載、運行典型Mac工作負載所需的圖形/GPU功能、所需的紋理格式、對各種GPU計算的支持以及Mac上可用的內容進行了大量分析。即使是內核的數量，驅動Mac大小顯示器的能力，對虛擬化和雷電的支持。”

“我們在M1中設計了很多很多功能，這些都是對Mac的要求，但相對於為iPhone編譯的應用程序，這些都是超集功能。”

Srouji對此進行了補充：

“我們已經建立的很多IP基礎，成為M1的基礎，這一切開始於十多年前。你可能知道，我們從自己的CPU開始，然後是圖形、ISP和神經引擎。

我們已經開發了這些偉大的技術超過十年，然後幾年前，我們説，‘現在是時候使用我們稱之為可擴展的架構了。’因為我們有了這些偉大IP的基礎，並且該架構通過UMA是可擴展的。

然後我們説，‘現在是時候為Mac定製芯片了’，也就是M1。它不像某些iPhone芯片。這是一個完全不同的定製芯片，但我們確實使用了這些偉大的IP基礎。”

統一內存架構

UMA是“統一內存架構”的縮寫，當潛在用户看到M1的基準測試時，他們會想，一款源自移動設備、功耗相對較低的芯片怎麼可能達到那樣的性能，蘋果指出UMA是獲得成功的關鍵因素。

Federighi聲稱：“現代計算或圖形渲染管道已經發展，它們已經成為GPU計算、GPU渲染、圖像信號處理等的‘混合體’。”

UMA本質上是指所有的組件——中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、神經處理器(NPU)、圖像信號處理器(ISP)等等——共享一個速度非常快的內存池，並且位置非常接近。這與常見的桌面範例相反，比如，把一個內存池分配給CPU，另一個分配給另一邊的GPU。

當用户運行要求很高的、多方面的應用程序時，傳統的管道最終可能會損失大量的時間和效率，因為數據可以被所有不同的處理器訪問。Federighi認為，蘋果在M1上的成功，部分原因是在硬件和軟件層面拒絕了這種低效的模式：

Federighi認為，“我們不僅獲得了GPU原始性能的巨大優勢，而且同樣重要的是，使用統一的內存架構，我們不需要不斷地來回移動數據，也不需要改變格式來減慢速度。我們的性能也有了很大的提高。”

“所以我認為過去的工作量就如同，你想畫的三角形，把它們送到離散的GPU上，讓它去做它的事，永遠不要回頭——現代計算機渲染管道並不是現在的樣子。這些東西在許多不同的執行單元之間來回移動，以實現這些效果。”

這不是唯一的優化。近幾年來，蘋果的Metal圖形API採用了“基於tile的延遲渲染”，M1的GPU就是為了充分利用這一點而設計的。Federighi解釋道：

“老派的GPUs基本上是同時在整個框架上操作，而我們可以移動到極快的片上內存，然後執行一個巨大的操作序列。這是難以置信的帶寬效率的方式，這些離散的GPU沒有這樣的優勢。然後你只要把它與我們高帶寬，以及芯片的其他效率結合起來，它就是一個更好的架構。”

Mac硬件的下一步

一些技術愛好者懷疑，蘋果在M1上所做的事情，是否會擴大到足以取代台式電腦的高端性能，比如專門設計的iMac或Mac Pro。

提高低端機器的性能是一碼事，在低端機器上，性能並不是一個重要的優先考慮的問題。爭論還在繼續，挑戰那些已經為專業工作流程或遊戲玩家打造的機器那完全就是另一回事。

不幸的是，蘋果公司並不傾向於談論即將推出的產品的任何有用的細節，所以對於懷疑者來説，這仍然是個問號。費代裏吉告訴我們:“我們以M1作為一系列芯片中的第一個，我們設計它來解決這個問題。”“我建議你的讀者根據以下幾點來評價我們:蘋果把心思放在瞭解決這個問題上，結果如何?”

儘管蘋果公司不願透露具體細節，但我們對目前的產品陣容有一些線索。本週，蘋果發佈了三款內置M1的Mac電腦——MacBookAir和Mac mini台式機的入門級版本以及13英寸的MacBook Pro。在很大程度上，所有芯片都是一樣的。(低端的MacBook Air的M1有七個GPU內核，而不是八個。)當我們這周評測Mac mini時，我們發現它在CPU任務方面擊敗了除最高級台式機之外的所有機型，並且正在叩開快速離散GPU的大門。

用户期望MacBook Pro能提供比Air更強勁的性能，並對這兩款電腦的區別表示了一些困惑。所以我們問蘋果，除了單一的GPU核心之外，MacBook Pro是如何提供更好的性能的。

“這都是關於每瓦特性能的，”Srouji回答：“系統的熱預算可以根據形狀因素不同而不同。根據你使用的冷卻系統的不同，情況也會有所不同。這決定了我們所謂的可持續峯值表現。”

換句話説，當需要加速時，MacBook Air和Pro的性能應該是相似的，但Pro可以在更長的時間內保持這種性能，這對許多要求較高的工作流程，比如視頻編輯。在這種情況下，空氣會加速循環以保持良好散熱。根據蘋果公司的説法，M1的性能越好，你可以賦予它更多的能量。

就在這一點上，Srouji在不久前的蘋果新款Mac電腦演示會上展示了一張圖表。“那不是市場結構圖，” Srouji説。“這是一張真正的圖表，顯示了不同功率級別下的性能。”

Srouji説，任何看圖表的人都能看到MacBookAir在這個尺度上的位置，“但你會看到那條線一直向右延伸，當它向右延伸時，性能就上升了。”10瓦線右邊的區域就是MacBook Air和MacBook Pro的區別。”

Srouji補充道:“而且它會變得越來越大。”

值得注意的是，蘋果並沒有升級MacBook Pro或Mac mini的高端配置，這兩款設備都有便於用户使用的32GB或64GB內存，或四個Thunderbolt 3端口，或4TB存儲空間。

當被問到為什麼沒有32或64GB內存的M1 MacBook pro時，Federighi 表示：“我們針對一組特定系統設計了M1。這些是我們設計的系統，也是我們銷售的系統。”但蘋果公司已經證實，它計劃在兩年內將整個產品線轉移到蘋果芯片上——包括表現出色的Mac Pro。

下面是Mac mini評測中M1的評測標準。

言外之意似乎是，這只是一個開局。這可能是迄今為止發佈的速度最快的Mac電腦中，但同時它們很可能是該公司從今往後推出的帶有Apple Silicon芯片的速度最慢的Mac電腦。除非Mac產品線的基本結構發生巨大變化，否則它只會從現在起繼續前進。

將iPhone和iPad應用程序帶到Mac上

這是第一次，適用於這些平台的應用程序可以在Mac上運行。雖然Mac經常與高質量的應用程序聯繫在一起，但它還沒有看到iOS和Windows所能獲得的大規模第三方軟件支持。向iOS應用程序開放可能是解決這個問題的一個很有前途的方法，他們只能在Mac應用程序商店找到好的體驗。

去年，蘋果推出了Project Catalyst框架，旨在幫助開發人員輕鬆調整iPad應用程序，使其在Mac上運行良好。在這周的回顧中，我們發現了一些在macOS中運行良好的應用程序示例，但我們覺得有太多的應用程序不能提供理想的用户體驗。

據Federighi説，“大約90%的應用程序運行良好。”至於為什麼有些人可能不會，他説：

“一個應用程序運行不好有很多原因。它可能使用的技術在Mac上是不可用的，陀螺儀就是一個很好的例子。還有一些應用，因為一個原因，它們是舊的應用，使用某種SPI，對底層執行環境做出某些假設導致它們不能工作。所以我們對現有的遊戲做了一定數量的自動測試，看看它們是否會崩潰等等。如果他們有這些問題，我們會自動從商店中篩選他們。”

對於“熱門遊戲”，蘋果公司也會進行人工評審，而經過這一過程以及自動評審的應用程序會在Mac應用程序商店中以略微不同的方式呈現給用户。

實際上，蘋果會發出一份開發者協議，活躍的開發者必須每年簽署一份協議，才能繼續在AppStore上發佈和支持應用程序。Federighi説：“這個結尾的一部分基本上是在説，‘你想讓你的應用程序在(蘋果的Mac電腦)上可用嗎?’所以他們有選擇退出的權利，而且他們可以在任何時候繼續退出。”

隨着時間的推移，我們可能會看到一些開發人員在努力使他們的應用程序很好地在Mac上。這是早期仍為Apple Silicon，但在幾年內，數以百萬計的Mac與M1的繼任者或兄弟姐妹將在市場上。數量越多，開發人員就越容易證明自己的努力是正確的。時間會告訴我們這個過程會有多快。

接下來是什麼？

Federighi説，多年前，當決定為Mac使用蘋果設計的芯片時，團隊就在日曆上畫了個X，然後説，‘我們要這麼做了。’多年以後，差不多就在我們選定的那天，這個目標就實現了。”

回憶起整個過程挑戰，Srouji説：

“人們對這個項目非常熱情，對整個事情都非常熱情。不僅僅是M1——軟件，系統，把所有這些放在一起。這很困難，但很值得。我們愛Mac，我們愛電腦，造電腦。我認為我們正在創造歷史，我們的工程師就是這麼認為的。順便説一下，這是有很多挑戰的一年。儘管有這些挑戰，我們還是成功了，我們按時完成了任務。這是我餘生都會記得的事情，它是多麼有意義，多麼艱難。”

Federighi説，類似的，“我們有很多的血、汗和眼淚。但在某種程度上我們知道如何做到這一點。我們也知道我們會遇到什麼。”

“我們以前就這樣做過，”Joswiak補充道，他指的是之前向PowerPC和Intel的過渡。但這一次，一切都是自己完成的，這對蘋果來説是一次不同的勝利。“我們興奮到頭暈。我們對此感到很興奮。這是見鬼的一週，我們對此的熱情是難以置信的真誠。”

幾年前，蘋果的工程師們聚集在一間屋子裏對MacBook air進行了改造，使之成為第一台Apple Silicon Mac電腦。多年後，蘋果公司發佈了所有這些改進的成果——好吧，至少是成果的第一步。

對一些人來説，這可能會讓人聯想到沃茲在車庫裏的神話，但現在是一個完全不同的世界，一個完全不同的蘋果。我們正在進入一個新的Mac時代——我們還不知道下個時代會是什麼樣子。

不過，就目前而言，Srouji似乎很有信心。“很多時候都很艱難，”他承認。“但就我個人而言，我從不認為我們做出的決定是錯誤的。”