苹果M1芯片：如何开启一个时代
11月11日，苹果今年的发布会三部曲终于落下了帷幕。这场压轴大戏上，发布了苹果自研芯片Apple Silicon的第一代产品：M1芯片。首批搭载M1芯片的Mac机器共有三款：MacBook Air、13寸MacBook Pro和MacMini。不管是发布会上公布的性能提升，还是这几天关于这几款机器的实际评测纷纷出炉，M1芯片的性能和功耗完全超出人们预期，用“颠覆”来形容也不为过。
今天的文章就来聊聊苹果的M1芯片。我想从芯片设计的角度，和大家一起看看M1芯片为何如此牛逼的三个主要原因。
芯片设计的PPA优化
在设计芯片的时候，一个最重要的原则就是对PPA的优化，也就是尽可能的优化芯片的功耗（Power）、性能（Performance）和面积（Area）。通常情况下，这三点不能兼得。
比如，为了提升芯片的性能，我们可以加入多级流水线、增加总线宽度、或者增加各种硬核处理单元，但此时就很有可能会付出更高的功耗、以及更大的芯片面积作为代价。反之，如果我们想要设计低功耗的芯片，那也很有可能需要牺牲一部分芯片的性能。所以在实际工程实践中，功耗、性能和面积往往都是相互折中、互相平衡的关系。对于一个芯片来说，没有完美的设计，只有完美的平衡。这就像给你有限的预算去买食材做菜，那就很难既买到鱼，又买到熊掌。
但是这次苹果M1芯片的发布，给人最直观的感受就是，在预算不变的情况下，你可以鱼和熊掌，两者兼得。
苹果在发布会里放出了这张图，它比较的是M1芯片和某个笔记本的CPU，但苹果没说是谁。为了方便叙述，这里姑且叫它“张三芯片”。在这张图里，横轴是功耗，纵轴是性能。可以看到，对于一个给定的功耗标准，M1的性能是张三的两倍。对于一个给定的性能要求，M1的功耗是张三的四分之一。
也就是说，在高性能和低功耗这两个往往此消彼长的维度里，M1芯片同时取得了极大的提升。除了CPU之外，M1里的GPU也取得了类似的性能提升和功耗下降。苹果表示，M1有着当前世界上最好的CPU每瓦性能，以及当前世界上最快的集成显卡。
在之前的文章《英特尔11代酷睿TigerLake：全网最犀利点评》里说过，不管市场营销用什么话术，跑分永远是不可能被绕开的一关。虽然苹果官方没说跑分的事情，但是各类评测已经给出了相当高的跑分结果。
从Geekbench的跑分来看，这次搭载了M1芯片的三款产品，不管单核还是多核，都跑出了相当高的分数：
- Mac Mini: 1682 / 7097
- MacBook Air: 1687 / 7433
- MacBook Pro: 1714 / 6802
事实上，它们的单核跑分都超过了AMD刚刚发布的锐龙9 5950X，也超过了英特尔的TigerLake旗舰版，也就是11代酷睿的i7-1165G7。
此外，这三款产品的单核和多核跑分也超过了目前正在卖的2019款16寸MacBook Pro。也就是说，单从CPU的跑分来看，这个新款的macbook air比苹果去年刚刚发布的旗舰笔记本还要快了。
不仅是性能，搭载M1芯片的笔记本续航时间也有了大幅提升，最高可以达到20小时。
在我看来，M1芯片取得如此巨大的能效提升，主要有三个原因：一个是使用了5纳米工艺，第二个是一些芯片架构创新，第三个则是软硬件的深度优化，接下来我们一个一个说。
台积电5纳米工艺
制造工艺这一点，很多文章都没有提及，或是没有重视。事实上，先进工艺对于芯片的能效提升，起着非常重要的作用。因为过去十年里芯片性能的提升，有超过60%直接或间接受益于半导体工艺的提升，而只有17%来自于芯片架构的升级。AMD能“弯道超车”英特尔的最主要原因之一，就是抛弃格罗方德，转向台积电的怀抱。
M1应该是目前世界上第一个、也是唯一一个使用了台积电5纳米工艺的笔记本处理器芯片，其中包含了160亿支晶体管。根据台积电的数据，和前一代的7纳米工艺相比，使用5纳米工艺制造的晶体管：密度提升80%，速度提升15%，功耗降低30%。有了新的制造工艺，可以在芯片面积保持不变的情况下，往一颗芯片里塞进去更多的晶体管，而且这些晶体管的功耗更低、性能更高。
台积电工艺路线图（图片来自WikiChip）
也就是说，即使苹果什么都不做，单纯把A13芯片用5纳米工艺流片出来，理想情况下就能达到这些“免费”的性能、功耗和面积优化。当然实际情况要比这个复杂很多。
要知道，2019款16寸MacBook Pro用的还是英特尔的第九代CPU，使用的是英特尔14纳米工艺，这和台积电的5纳米工艺至少有两代的代差。所以也这也不难理解为什么从跑分来看，搭载M1的MacBook Air会降维打击16寸MacBook Pro。
苹果M1封装图（图片来自苹果）
芯片架构创新
这里特别要说的是苹果的UMA结构，也就是这次展示的统一内存架构。设计芯片的一个大的原则就是，存储数据的地方离使用数据的地方越近，性能就越高、功耗也越低。所以苹果就把原本在电路板上的内存颗粒，整合到芯片的封装里。这样最主要的好处就是让芯片上的那些CPU、GPU、AI引擎都能够更快的访问到内存，同时也大幅降低了数据传输的功耗。此外，各个模块之间可以共享内存，也省去了很多数据搬运、拷贝的开销。
苹果UMA结构示意图（图片来自苹果）
值得注意的是，这种架构设计和封装方法其实并非苹果独有，其实在英伟达的A100GPU、AMD的Rome处理器，还有英特尔和赛灵思的高端FPGA芯片里，都使用了类似的方法，可以在同一个芯片封装里集成了多个不同的计算和存储单元。
这种封装方式的具体的实现方式有很多种，比如AMD使用的芯粒chiplets，还有英特尔的EMIB技术，还有赛灵思在FPGA中使用的SSI，也就是堆叠硅片互联技术等等。业界把这些技术都称为是2.5D封装技术，也就是是在水平方向上连接多个小芯片，然后组成一个大的芯片。关于EMIB和SSI技术的具体分析，可以看之前写过的这两篇文章《3D FPGA技术 – 上篇》《3D FPGA技术 – 下篇》。
EMIB结构示意图（图片来自英特尔）
这里多提一句，英特尔还有一个名叫Foveros的3D封装技术。Foveros来自于希腊语，本意是“牛逼”。这个技术不是在水平方向上扩展，而是垂直扩展。也就是说，它可以将内存颗粒、CPU、GPU、还有其他的芯片单元，像三明治一样叠在一起，这样就使得内存和CPU的距离减少到0.1毫米左右，所以会进一步增加内存带宽、减少传输延时，同时不会增加芯片的面积。在英特尔的Lakefiled CPU里就使用了这种技术。关于Foveros技术，也可以看一下之前的文章《2019年会是10纳米工艺的大年吗？》。
Foveros 3D封装示意图（图片来自英特尔）
苹果生态的协同优化
苹果的M1芯片取得能效大幅提升的第三个原因，就是苹果软硬件的协同深度优化，这一点我认为也是苹果最大的竞争优势。这是因为，前面说的5纳米工艺，或者芯片架构和封装技术的升级，其他厂商可能也会（或者必然会）掌握和采用这些技术。但是只有结合软硬件、操作系统和生态做深度优化，才是苹果独有的。而且这也是为什么有且只有苹果能将基于arm架构的CPU真正做成牛逼的产品卖出来的原因。
有人说，苹果的M1芯片的面世证明了Wintel联盟并不难破，这一点我并不认同。基于arm架构的消费级CPU已经说了很多很多年了，但放眼目前除苹果之外的软硬件厂商有谁能堪此大任呢？英特尔amd肯定不会做这种自废武功的事情，不用多说，微软之前尝试过做一下基于arm的生态，但是以失败告终。那么是让联想、戴尔去做arm笔记本，还是让高通英伟达这些非cpu厂商去做生态呢，其实目前来看都是很不现实的。
关于软硬件协同优化这一点我很认同某乎大v木头龙的回答，大家可以去看一下。只要pc的软硬件厂商还是各自为战，只要不同的软硬件还需要相互兼容和适配，不管是操作系统、开发工具、驱动、CPU、GPU、内存等等，这个生态系统就很难破解。生态系统有时候就像一个从山顶滚落的雪球，你一旦被他卷进去就很难靠自己的力量逃脱，更不用说靠一己之力改变它的运行轨迹。
苹果OS和生态（图片来自苹果）
相比之下，苹果有着自己的生态，这次M1芯片的发布，也正式完成了这个生态的闭环。
你可以说苹果生态太封闭，或者有这样那样的问题，但只有这种封闭的生态才有可能产生像M1芯片这样的东西。
从Anandtech的这张图里就能看到，在过去的5年里，英特尔芯片的单线程性能提升了28%，而苹果则提升了将近3倍。所以，苹果采用自研的Apple Silicon芯片，也是必然的选择。
（图片来自AnadTech）
但是，与英特尔AMD不同的是，你不可能单独去买这个M1芯片。为了使用M1的高能效，就必须买苹果的整个生态。而且即使像苹果这样的闭环生态，全面转向arm架构也需要两年的时间，这里面会涉及大量的生态迁移工作，也势必会给开发者造成很多额外的工作压力。所以这个生态转换并不容易。
结语
苹果M1芯片的发布，也代表着基于arm架构的消费级处理器重新登上历史舞台，并且开始正面迎击基于x86架构的传统处理器。虽然目前说x86架构被arm取代还为时尚早，但在很多领域，比如mac电脑擅长的视频和图像等内容创作领域，M1芯片已经正式颠覆了人们对高能效的认知。相信随着更多后续产品的出现，会有更多的颠覆发生。同时，x86阵营如何应战，也是非常值得关注的重点。
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