從M1芯片探討蘋果如何在技術(shù)上碾壓Intel和高通

蘋果Mac開(kāi)始換用自家芯片，對(duì)Intel而言無(wú)疑是個(gè)打擊。蘋果在去年的MacBook系列產(chǎn)品發(fā)布會(huì)上，提到自家M1芯片時(shí)，不忘大談相比前代MacBook產(chǎn)品，其CPU性能提升2.8倍；GPU性能提升5倍；比較的就是Intel處理器了。設(shè)備續(xù)航還提升到了20小時(shí)。

這些數(shù)字，就半導(dǎo)體行業(yè)摩爾定律停滯的現(xiàn)狀來(lái)看簡(jiǎn)直不可思議。當(dāng)然其對(duì)比內(nèi)容、對(duì)比對(duì)象是值得商榷的。不過(guò)這樣的對(duì)比數(shù)字，蘋果并不是頭一回用了。在Mac還在用PowerPC處理器的年代（1999年），蘋果在宣傳中曾提過(guò)，PowerPC G3比當(dāng)時(shí)的Intel奔騰II快2倍。如此似曾相識(shí)。

這個(gè)所謂快“2倍”的說(shuō)法，大致可窺見(jiàn)蘋果在處理器理念上的一脈相承，即便當(dāng)時(shí)的蘋果還沒(méi)有自己的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)所謂的快2倍，是蘋果在發(fā)布會(huì)上對(duì)比Mac和Windows PC，分別采用PowerPC G3處理器和Intel奔騰II處理器，對(duì)比內(nèi)容是雙方自動(dòng)執(zhí)行一組Photoshop任務(wù)。

演示中的那臺(tái)Mac能夠用Windows PC一半的時(shí)間，完成這些任務(wù)。這其中的關(guān)鍵在于，PowerPC G3多加了個(gè)AltiVec加速單元，這是個(gè)128bit矢量處理單元，可單周期內(nèi)執(zhí)行4路單精度浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算。Photoshop能夠充分利用這個(gè)單元，AltiVec效率比那時(shí)Intel的MMX擴(kuò)展指令更高。

用簡(jiǎn)單的話來(lái)說(shuō)，就是依靠專用單元來(lái)實(shí)現(xiàn)性能和效率的碾壓。雖說(shuō)PowerPC早就被x86打趴，但這個(gè)理念很大程度延續(xù)到了如今的蘋果芯片（包括A系列和M系列SoC），下面將從技術(shù)角度詳述，M1身上體現(xiàn)的這一點(diǎn)。

事實(shí)上，M1芯片的出現(xiàn)不僅讓x86陣營(yíng)感到了白色恐怖，而且也對(duì)高通這樣的Arm陣營(yíng)參與者構(gòu)成了極大威脅。高通已經(jīng)與微軟合作過(guò)兩代芯片（SQ1與SQ2）產(chǎn)品，且開(kāi)推Surface Pro X（及其Windows 10 on Arm）兩年，卻在M1面前顯得不值一提。

本文是《Intel換了CEO能做蘋果M1那樣的芯片嗎？PC處理器大小核反擊戰(zhàn)》一文的姊妹篇，本文將從M1芯片的角度談?wù)?，蘋果是如何在技術(shù)上達(dá)成對(duì)Intel、高通，以及其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的威懾的；并嘗試探討，蘋果為什么能做到這一點(diǎn)，以及Intel、高通這樣的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手又能否做到這一點(diǎn)。本文除前兩部分之外，剩余部分皆可根據(jù)興趣選擇性閱讀。

碾壓Intel和高通

有關(guān)蘋果為什么要給MacBook換用自家芯片的問(wèn)題，可能答案有很多，包括蘋果生態(tài)的全面掌控，以及出于對(duì)成本預(yù)算進(jìn)一步的控制等。如果僅從處理器本身的性能和效率來(lái)看，AnandTech的一張圖基本上很好地回答了這個(gè)問(wèn)題：

這張圖對(duì)比的是Intel與蘋果芯片，從2013年以來(lái)處理器的單線程性能變化趨勢(shì)（具體測(cè)試項(xiàng)為SPECint2006）。在過(guò)去5年里，Intel處理器產(chǎn)品的單線程性能提升了大約28%，而蘋果CPU則實(shí)現(xiàn)了198%的性能提升。或者說(shuō)A14處理器單線程性能是A9的將近3倍。

M1與A14芯片共享了Firestorm大核，大致上可認(rèn)為兩者有著接近的單線程性能（M1頻率高于A14，L2 cache也更大等）。2020年蘋果芯片性能，因此剛好形成了相較Intel處理器的剪刀叉趨勢(shì)。所以最新的MacBook開(kāi)始采用自家芯片，就性能來(lái)看顯得順理成章。

事實(shí)上，蘋果在A7芯片（iPhone 5s）時(shí)期就宣稱，自家的Cyclone核心是“桌面級(jí)架構(gòu)”。不過(guò)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有多少人在意。而且在M1出現(xiàn)之前，更多人還是堅(jiān)定地認(rèn)為，Arm處理器相較x86，只能做低功耗，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)如同x86那樣的高性能。蘋果卻以實(shí)際行動(dòng)證明了這個(gè)觀點(diǎn)的錯(cuò)誤性。

不少對(duì)比測(cè)試提到，M1比Intel酷睿i9還彪悍，這話是否夸張了？我們來(lái)大致梳理一下，M1芯片相較x86和Arm面向PC的主流處理器，性能處在哪個(gè)水平上。

蘋果M1芯片本身的配置如下：

官方并未公布M1芯片的TDP（或大致功耗）。AnandTech測(cè)試認(rèn)為M1的CPU TDP在20-24W。極客灣的測(cè)試也基本印證了其CPU TDP在25W左右（峰值功耗24W，日常峰值功耗在15W左右）。這個(gè)值未必是準(zhǔn)確的，包括其中可能包含DRAM功耗，不過(guò)也八九不離十。

極客灣數(shù)據(jù)，GPU部分全速運(yùn)轉(zhuǎn)峰值功耗在10W左右；整個(gè)M1芯片可達(dá)成的峰值功耗大約為34W。AnandTech則在測(cè)試中提到，GFXBench Aztec High測(cè)試出現(xiàn)過(guò)17.3W的功耗，這個(gè)測(cè)試應(yīng)該很難反映GPU單獨(dú)占到了多少。整體上，這樣的功耗與TDP水平，大約與Intel、AMD的低壓處理器差不多。

AnandTech執(zhí)行的測(cè)試項(xiàng)目比較多，這里僅選取SPEC2006/SPEC2017來(lái)闡明其實(shí)際性能。其SPECint2006整數(shù)性能測(cè)試，蘋果M1與AMD Zen 3接近；SPECfp2006浮點(diǎn)性能測(cè)試，M1有顯著更大的優(yōu)勢(shì)。綜合下來(lái)，其性能綜合表現(xiàn)如下：

來(lái)源：AnandTech

需要注意，這是單線程性能成績(jī)。M1的這個(gè)成績(jī)顯著強(qiáng)于Intel十一代酷睿（同等TDP水平的酷睿i7-1185G7），以及酷睿i9-10900K（十代酷睿，Comet Lake-S），甚至比AMD Zen 3（Ryzen 9 5950X）還要強(qiáng)。

蘋果所說(shuō)相比前代MacBook幾倍幾倍的提升，似乎完全沒(méi)在吹牛。SPEC2017測(cè)試結(jié)果與SPEC2006也差不多，不過(guò)M1和AMD Zen 3（Ryzen 9 5950X）互有勝負(fù)，M1整數(shù)性能整體不及Zen 3，浮點(diǎn)性能則反超。

這個(gè)對(duì)比還基于一個(gè)事實(shí)：M1大核的最高頻率僅為3.2GHz，而Intel十一代酷睿（i7-1185G7）的睿頻為4.8GHz，酷睿i9-10900K的睿頻更是能夠達(dá)到5.3GHz；AMD Zen 3（Ryzen 9 5950X）睿頻為4.9GHz。與M1相比，對(duì)比對(duì)象的功耗會(huì)明顯更高。

換句話說(shuō)，蘋果M1事實(shí)上成為了如今CPU的IPC之王。IPC也就是每周期指令執(zhí)行能力，或者說(shuō)每Hz能干多少事?？梢?jiàn)M1是能夠甩開(kāi)目前最彪悍的x86處理器的。

來(lái)源：AnandTech

多核性能測(cè)試方面，受限于M1本身僅有4個(gè)大核與4個(gè)小核，與堆了8核心、10核心還支持超線程的那群大家伙自然無(wú)法相比。不過(guò)M1在性能方面仍然能夠碾壓Intel低壓版的十一代酷睿（i7-1185G7，4核8線程，睿頻4.8GHz，TDP 28W）。M1如果擴(kuò)大核心數(shù)量和處理器規(guī)模，則要實(shí)現(xiàn)多線程性能奪冠，應(yīng)該也不是難事。

其他測(cè)試結(jié)果大致相似，包括Geekbench 5單線程測(cè)試，M1輕松奪冠，超AMD Zen 3（Ryzen 9 5950X）和Intel酷睿i9-10900K；CineBench R23單線程性能略弱于AMD Zen 3，多線程性能比AMD Ryzen 4800U（Zen 2，8核16線程）弱大約15.6%，比Intel十一代酷睿（i7-1165G7，4核8線程）強(qiáng)60%。

蘋果為了實(shí)現(xiàn)M1芯片與x86軟件的兼容性，做了Rosetta 2中間轉(zhuǎn)譯層。如此一來(lái)，以前的x86軟件不需要改動(dòng)，也能跑在M1芯片上。這種方案會(huì)令程序執(zhí)行效率變低。即便有Rosetta 2轉(zhuǎn)譯，M1芯片跑傳統(tǒng)x86程序，其性能也可達(dá)到Intel八代酷睿的水平（對(duì)于AVX指令依賴較低的程序，M1+Rosetta 2性能與十代酷睿相似）。

因?yàn)槠P(guān)系，測(cè)試項(xiàng)細(xì)節(jié)無(wú)法展開(kāi)分析。不過(guò)總結(jié)一句話就是：在同等核心規(guī)模的CPU中，蘋果M1芯片在跑常規(guī)性能測(cè)試時(shí)，能夠以低很多的功耗達(dá)成相比x86處理器更強(qiáng)的性能。同等規(guī)模下，全面干翻Intel完全不是問(wèn)題，即便和AMD打得有來(lái)有回，也是AMD犧牲功耗換來(lái)的（在單核性能測(cè)試中，AMD Zen 3能到49W功耗水平，而蘋果M1為7-8W的整機(jī)功耗）。

前面這些都是與x86處理器相比，那么和同為Arm陣營(yíng)的對(duì)手相比呢？微軟2019年發(fā)布了Surface Pro X，這臺(tái)設(shè)備搭載的是一枚叫做Microsoft SQ1的芯片，它實(shí)際上是高通驍龍8cx的馬甲；2020年更新了Surface Pro X二代，Microsoft SQ2芯片，也就是二代驍龍8cx。

微軟在Windows 10 on Arm的規(guī)劃上，比蘋果更早。高通驍龍8cx也成為M1芯片在Arm陣營(yíng)的絕佳對(duì)比對(duì)象。Linus Tech Tips對(duì)驍龍8cx（二代）與M1芯片，做了性能測(cè)試對(duì)比。

來(lái)源：Linus Tech Tips，其中SQ2即為高通驍龍8cx二代

從Geekbench 5和CineBench R23的測(cè)試結(jié)果就很容易發(fā)現(xiàn)，M1可將驍龍8cx（Microsoft SQ2）按在地上摩擦。這兩者根本就不在一個(gè)性能水平線上，不過(guò)驍龍8cx的功耗水平應(yīng)該也更低（雖然好像Surface Pro X的續(xù)航也沒(méi)比M1版MacBook Air優(yōu)秀）。

比較具有諷刺意義的是，Linus Tech Tips嘗試用一些虛擬機(jī)的奇技淫巧，給M1版MacBook Air裝上了Windows 10 on Arm。然后用虛擬機(jī)里面的Windows來(lái)跑Geekbench 5，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其性能水平也遙遙領(lǐng)先于Surface Pro X，算是狠狠打了高通和微軟的耳光：

來(lái)源：Linus Tech Tips

這個(gè)測(cè)試也少了對(duì)于功耗的監(jiān)測(cè)，不過(guò)它仍能說(shuō)明M1芯片即便加個(gè)虛擬機(jī)中間層，跑別家操作系統(tǒng)，效率打個(gè)折扣，依然遠(yuǎn)強(qiáng)于高通如今面向低功耗PC所推的競(jìng)品。

除開(kāi)性能，M1芯片的低功耗也已經(jīng)有很多測(cè)試的先例了。在我上篇有關(guān)大小核設(shè)計(jì)的文章中也談到了M1足以驚掉x86處理器下巴的低功耗表現(xiàn)，幾乎所有日常使用場(chǎng)景，包括辦公、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、閑置待機(jī)，功耗都比Intel和AMD同代競(jìng)品低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)：M1芯片網(wǎng)頁(yè)瀏覽功耗僅相當(dāng)于十一代酷睿的1/6，視頻流播功耗則僅有十一代酷睿的15%，Word辦公功耗則相當(dāng)于十一代酷睿的20%-30%......

蘋果究竟是如何做到拳打Intel/AMD，腳踢高通和Arm的？

要把芯片做大

前面這部分性能數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，并未給出CPU之外其他部分的數(shù)據(jù)。包括蘋果的8核GPU，性能相比Intel最新的Xe核顯（十一代酷睿）都有顯著優(yōu)勢(shì)，真實(shí)游戲性能可達(dá)到Geforce MX350的水平；以及AI專用單元、AMX等組成部分，鑒于篇幅皆不再展開(kāi)。

標(biāo)題說(shuō)M1比Intel酷睿i9彪悍，這話雖不可一概而論——比如酷睿i9一定在多核性能表現(xiàn)上是優(yōu)于M1的，畢竟處理器規(guī)模大很多。但作為一顆低壓處理器，實(shí)際使用中，M1的確在很多場(chǎng)景下能夠達(dá)到酷睿i9的水平。

比如Final Cut Pro剪視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽和多種格式的編解碼；Xcode寫代碼直接秒殺iMac 2020高配版；即便是以負(fù)優(yōu)化著稱的Adobe Premiere，M1都在很多項(xiàng)目上（而且還是Rosetta 2轉(zhuǎn)譯）足以對(duì)酷睿i9構(gòu)成威脅。要知道M1和酷睿i9，前者定位便攜式設(shè)備，而后者定位工作站（i9-10900K）。

蘋果達(dá)成這個(gè)水平，究竟靠什么？很多人說(shuō)是蘋果的軟硬件契合度高，這的確是個(gè)重要因素，但不夠具體?？偨Y(jié)成三點(diǎn)，大致上是M1芯片超寬微架構(gòu)；諸多專用單元的堆砌；蘋果超強(qiáng)的生態(tài)掌控力。

這幾點(diǎn)將在下文詳述。不過(guò)這幾點(diǎn)的外部表現(xiàn)就是，很大的芯片面積（die size），或者很多的晶體管數(shù)量。因?yàn)闊o(wú)論是超寬的處理器微架構(gòu)，還是為某些功能做專用的硬件單元，都需要更多的die空間。蘋果自家芯片在A系列產(chǎn)品線上，就有超大die size的傳統(tǒng)。早在蘋果iPhone 5s時(shí)期，其芯片尺寸就比其他手機(jī)SoC大很多，有時(shí)大1倍（A11 Monsoon大核心加cache占地面積，比驍龍845的A75大核與cache大1倍還多）。

來(lái)源：AnandTech

如果單看die size的話，蘋果A7、A8用上4MB L3 cache之時(shí)，同時(shí)代的Cortex-A57/A72/A73都還沒(méi)有L3 cache，到A75才支持。更不要說(shuō)蘋果喜歡堆超大的L2 cache，蘋果A11有著8MB L2 cache，可以用巨大來(lái)形容。高通驍龍835才3MB L2 cache，沒(méi)有L3 cache（2016-2017年）。

而且蘋果從幾年前就喜歡給整個(gè)SoC芯片加system cache（或者叫System Level Cache -SLC，Arm公版設(shè)計(jì)現(xiàn)在普遍也有了）。這種system cache屬于整個(gè)SoC級(jí)別的cache，在SoC的各個(gè)IP（如CPU、GPU、NPU等）之間共享。A12的system cache就達(dá)到了8MB，相比A11翻番。

A14與M1的system cache目前是16MB，是麒麟、驍龍這些移動(dòng)陣營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的2-3倍。而Intel十一代酷睿Tiger Lake（i7-1185G7）的L3 cache也不過(guò)12MB。至于L2 cache，M1的Firestorm大核是12MB，小核都有4MB。移動(dòng)陣營(yíng)就不說(shuō)了，Intel十一代酷睿L2 cache（i7-1185G7）為4x 1.25MB。作為對(duì)比，酷睿i9-10900K（十代酷睿）L2 cache 2.5MB（每核256KB），L3 cache 20MB。

（不過(guò)蘋果的cache設(shè)計(jì)和一般CPU似乎不大一樣，包括L2 cache共享；而且system cache在速度上應(yīng)該也是比不上僅面向CPU的L3 cache的。）

L1 cache的巨型相較其他競(jìng)品（如192KB的L1指令緩存，是Arm公版設(shè)計(jì)的3倍，x86現(xiàn)有設(shè)計(jì)的6倍；據(jù)說(shuō)速度還很快），也就不需要再多談了。單就芯片上占地面積巨大的cache而言，蘋果都始終在規(guī)模上有著令人肝顫的堆料。當(dāng)然cache大小并不能說(shuō)明性能高低，而且大尺寸的存儲(chǔ)子系統(tǒng)易帶來(lái)更高的時(shí)延。但論消費(fèi)電子應(yīng)用處理器的堆料，在低壓處理器這個(gè)量級(jí)內(nèi)，大概沒(méi)人能強(qiáng)過(guò)蘋果。下文還會(huì)詳述，“堆料”堆的可不只是cache。

那么Intel、AMD、高通這些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也這么堆料可行嗎？排除微架構(gòu)上的一些限制不談，就商業(yè)模式而言，Intel、AMD和高通雖然也可以這么做，但卻非常不經(jīng)濟(jì)。因?yàn)檫@樣堆料，意即die size的增加，也就意味著成本的急劇提升。芯片制造工藝的提升，一定程度也是為了在更小的die size內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更高的性能，并縮減成本。

蘋果之所以可以這么做，是因?yàn)樘O果最終面向用戶出售的是終端設(shè)備。比如一臺(tái)iPhone上，除了SoC芯片之外，還有屏幕、閃存、增值服務(wù)等。但面向用戶時(shí)，就只有一個(gè)終端設(shè)備價(jià)格。拋開(kāi)iPhone一年幾億銷量，以及iPhone吃下整個(gè)手機(jī)市場(chǎng)大半的利潤(rùn)不談，蘋果也可以在不同組件之間來(lái)權(quán)衡、抵消、轉(zhuǎn)嫁各種成本支出。iPad、MacBook也都可受惠于iPhone芯片設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，及iPhone巨大出貨量帶來(lái)的營(yíng)收。

而Intel、AMD、高通這些企業(yè)出售的只是處理器，他們需要依靠處理器來(lái)獲取利潤(rùn)。下游手機(jī)廠商要賺錢，上游IP供應(yīng)商也要賺錢。在產(chǎn)業(yè)鏈各不同環(huán)節(jié)利潤(rùn)疊加的情況下，成本控制顯得尤為重要。

此外，Intel的處理器不僅面向某一個(gè)型號(hào)的PC，而且面向不同價(jià)位的PC，以及其他市場(chǎng)，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心。其中的核心IP很大程度上會(huì)復(fù)用，如果核心都做得很大很寬，對(duì)需求大量核心并行運(yùn)算的使用場(chǎng)景而言，就會(huì)顯得尤為昂貴。所以單純以芯片制造商身份存在的這些企業(yè)，很難像蘋果這樣“不講武德”地堆料，因?yàn)槠渖虡I(yè)模式是根本不同的。

對(duì)于一般的芯片制造商而言，通過(guò)提升芯片頻率來(lái)獲得性能提升，而不是增大芯片面積、增加成本來(lái)獲得性能提升，顯然是更為經(jīng)濟(jì)的方案。

在成本控制問(wèn)題上，尤為值得一提的是，在前年《深度學(xué)習(xí)的興起，是通用計(jì)算的挽歌？》一文中，我曾提到芯片設(shè)計(jì)與制造的成本正在逐年攀升，尤其尖端制造工藝成本，包括建廠成本在內(nèi)。即便不看技術(shù)限制，現(xiàn)有市場(chǎng)參與者也已經(jīng)不可能再像過(guò)去那樣按照摩爾定律去迭代制造工藝。而這件事情對(duì)于Intel的影響，也遠(yuǎn)大于對(duì)臺(tái)積電、三星的影響。因?yàn)镮ntel主要營(yíng)收來(lái)源就是尖端工藝，臺(tái)積電和三星的早期制造工藝也是其重要的營(yíng)收來(lái)源。

Intel在10nm與7nm難產(chǎn)的當(dāng)口，將極易陷入惡性循環(huán)，不僅影響到其芯片產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，而且可能會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)離世界最尖端工藝工廠的稱謂。Intel如今背負(fù)的包袱，都會(huì)比蘋果、AMD、高通、三星這些不同層級(jí)的市場(chǎng)參與者都明顯更為沉重。

超寬的架構(gòu)（選讀）

當(dāng)然，“把芯片做大”只是結(jié)果，而不是目的。之所以芯片做大，除了更大的cache獲得更高的數(shù)據(jù)帶寬之外，還在于蘋果熱衷于超寬的處理器架構(gòu)，以及還喜歡給SoC加各種專用單元。以下文字內(nèi)容皆可選讀，面向輕度技術(shù)愛(ài)好者。

前文就提到蘋果M1以僅3.2GHz主頻，獲得了超過(guò)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手5GHz頻率處理器的性能。那么M1的頻率若是提到5GHz，豈不是就逆天了？這一點(diǎn)恐怕是無(wú)法達(dá)成的，因?yàn)樘O果走的“寬”核心路線，將更不利于頻率提升，否則功耗也更容易崩邊。一般的，頻率提高，功耗會(huì)以頻率三次方的比例提高。所以那些以將近5GHz換得與M1差不多性能的處理器，也需要付出對(duì)應(yīng)功耗的代價(jià)。

在iPhone 6s時(shí)代，蘋果A9及更早的處理器，普遍有著比市面上同期競(jìng)品更低頻率的傳統(tǒng)。比如說(shuō)蘋果A8是1.5GHz主頻，A9則為1.8GHz，而同期的Arm Cortex-A72頻率已經(jīng)來(lái)到2.5GHz，A73則為2.8GHz。但蘋果處理器依然有默秒全的性能水準(zhǔn)。這是因?yàn)樘O果一直以來(lái)都很喜歡搞“寬”核心，實(shí)現(xiàn)更高的指令并行度，也表現(xiàn)在IPC數(shù)字上（雖然現(xiàn)在的A系列處理器也來(lái)到了3GHz水平上）。

即每周期可做的事情更多，自然能夠以更低的頻率跑任務(wù)。高指令并行或者高IPC，要求更“寬”的處理器核心，比如每周期能同時(shí)讀取、解碼，執(zhí)行或者回寫多條指令。提升指令并行度的方法有很多，當(dāng)代處理器架構(gòu)的一個(gè)重要因素就是亂序執(zhí)行能力。也就是讓沒(méi)有依賴關(guān)系的指令可以亂序執(zhí)行，后面的指令不必等到前面的指令執(zhí)行完再執(zhí)行。

不過(guò)亂序執(zhí)行需要額外的電路，來(lái)解決很多可能會(huì)遭遇的實(shí)際問(wèn)題，也就要求更多的芯片面積和功耗。而“拓寬”整個(gè)架構(gòu)，比如提升每周期解碼指令的數(shù)量，許多的dispatch單元，增加更多的ALU執(zhí)行單元，以增加指令并行度，都需要額外的芯片面積。

而且拓寬架構(gòu)也并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，如何讓拓寬的這些單元保持足夠高的利用率，而不是浪費(fèi)資源也多有講究。但越寬的處理器架構(gòu)，起碼是實(shí)現(xiàn)較高指令并行的基礎(chǔ)。

前文提到，對(duì)于Intel這樣的芯片制造商，很多時(shí)候通過(guò)提升處理器頻率來(lái)獲得性能提升，而不是增大芯片面積、拓寬芯片架構(gòu)、增加成本來(lái)獲得性能提升，顯然是更為經(jīng)濟(jì)的方案。更窄、更“深”的處理器架構(gòu)，也更易于提升頻率。

蘋果M1芯片CPU部分的寬度，某種程度上達(dá)到了新高。下面這張圖來(lái)自AnandTech，是Andrei Frumusanu畫(huà)的Firestorm核心（即A14和M1大核心）架構(gòu)框圖，是他結(jié)合研究與經(jīng)驗(yàn)得到的。現(xiàn)在流傳絕大部分有關(guān)Firestorm微架構(gòu)的解讀應(yīng)當(dāng)都脫胎于此：

來(lái)源：AnandTech

其中有一些尤為值得一提的點(diǎn)。首先是前端8-wide指令解碼，這是什么概念呢？AnandTech評(píng)論其為目前行業(yè)內(nèi)“最寬的商用設(shè)計(jì)”。AMD和Intel當(dāng)代處理器指令解碼寬度普遍為4-wide（Intel為1+4）；Arm這邊，解碼寬度主流是4-wide，今年主推的Cortex-X1為5-wide；傳說(shuō)中超超超寬的三星M3（Exynos 9810），解碼寬度6-wide。

從AnandTech的研究來(lái)看，蘋果A11、A12的解碼寬度就達(dá)到了7-wide，A13步入8-wide大關(guān)。

其次是ROB（Re-order Buffer），也就是亂序執(zhí)行的重排序buffer。Firestorm的ROB達(dá)到了630個(gè)條目（或者差不多630）。ROB越深，則一定程度上表明了具備更高的亂序度，也是更寬架構(gòu)的寫照。與此相比，Intel的十一代酷睿（Willow Cove）ROB為352條目，AMD Zen 3為256條目，Arm Cortex-X1為224條目?？雌饋?lái)高度指令并行就是蘋果要達(dá)到的。

Firestorm的后端執(zhí)行引擎部分也非常“寬”。整數(shù)管線部分，重命名物理寄存器堆（INT Rename PRF）大小約354條目，算術(shù)運(yùn)算“至少”7個(gè)執(zhí)行端口，包括4個(gè)簡(jiǎn)單ALU（ADD指令），2個(gè)復(fù)雜ALU（MUL），以及一個(gè)專用整數(shù)除法單元。核心每周期可處理2個(gè)分支。

不過(guò)整數(shù)管線部分“變化不大”，浮點(diǎn)與矢量執(zhí)行管線部分是Firestorm的重點(diǎn)。前文也提到了在性能測(cè)試?yán)?，M1的浮點(diǎn)運(yùn)算能力相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有較大優(yōu)勢(shì)。Firestorm增加了第四條執(zhí)行管線，浮點(diǎn)重命名寄存器為384條目，也“相當(dāng)之大”。4條128bit NEON管線，和AMD、Intel桌面處理器現(xiàn)有吞吐一致。浮點(diǎn)操作吞吐與管線數(shù)為1:1的關(guān)系，意即Firestorm核心每周期能夠執(zhí)行4個(gè)FADD（浮點(diǎn)加法）操作和4個(gè)FMUL（浮點(diǎn)乘法）操作，分別3與4周期延遲，是Intel處理器每周期吞吐的四倍，Zen 3的兩倍。

AnandTech評(píng)論說(shuō)，這可能是蘋果在瀏覽器測(cè)試中表現(xiàn)如此之優(yōu)秀的原因。如今PC上的一個(gè)很重要的應(yīng)用就是web瀏覽，這大約也是蘋果意識(shí)到的用戶需求迫切的一大應(yīng)用場(chǎng)景吧。此外矢量執(zhí)行能力不變，浮點(diǎn)除法、倒數(shù)、平方根操作吞吐較低。

最后是存儲(chǔ)子系統(tǒng)部分，比較值得一提的是load-store前端，最高可以達(dá)到148-154個(gè)load與106 store，比市面上任何微架構(gòu)都要寬。與此對(duì)比，AMD Zen 3這兩個(gè)數(shù)字分別是44和64，Intel十代酷睿（Sunny Cove）分別為128和72。

而L1 TLB（translation lookaside buffer，一種頁(yè)表的cache，是一個(gè)內(nèi)存管理單元，用于提升虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換速度）翻倍至256 pages，L2 TLB提至3072 pages。L2 TLB因此能夠覆蓋48MB cache。緩存部分的提升，以及與其他競(jìng)品的對(duì)比，這里不再贅述——本文前一個(gè)段落已經(jīng)做了解釋。

只不過(guò)前面提到的這些并不是一蹴而就的。在iPhone Xs時(shí)期，蘋果A12的Vortex核心在寬度上就已經(jīng)有了桌面級(jí)CPU的規(guī)模，相比當(dāng)時(shí)的Arm Cortex-A76和三星M3，都要寬上不少，無(wú)論是執(zhí)行管線還是存儲(chǔ)子系統(tǒng)。所以M1如今的這種超寬架構(gòu)，也算是蘋果芯片的一脈相承了。

引入更多專用單元（選讀）

《深度學(xué)習(xí)的興起，是通用計(jì)算的挽歌？》一文已經(jīng)提到隨摩爾定律放緩，通用處理器性能提升變慢，為保證滿足應(yīng)用對(duì)性能增長(zhǎng)的需求，專用處理器是一條更能走得通的路。實(shí)踐證明，這兩年的這一趨勢(shì)也愈發(fā)顯著。

本文文首已經(jīng)提到，PowerPC G3在對(duì)戰(zhàn)Intel奔騰II時(shí)“2倍”速度就是依靠某個(gè)專用單元達(dá)成的。蘋果的這種思路似乎早年就埋下了。

此前Geekbench測(cè)試工具經(jīng)常被人戲稱為Apple Bench，原因是很多人認(rèn)為其中的某些測(cè)試項(xiàng)明擺著是給蘋果和Arm專門設(shè)計(jì)的，而對(duì)x86非常不友好。多年前Linux之父Linus Torvalds曾評(píng)論Geekbench is sh*t. 原因是在Arm64架構(gòu)處理器上，SHA1性能有專用硬件輔助，Arm處理器跑分因此就很好看。

在Geekbench 5單核性能測(cè)試?yán)?，M1的加密子項(xiàng)得分依然非常高，遠(yuǎn)高于酷睿i9-10990K。這是此前很多人認(rèn)為，Arm靠這種方式來(lái)騙分，并認(rèn)定Arm在高性能上做不到x86處理器的依據(jù)。不過(guò)這次Geekbench 5其他項(xiàng)目，比如整數(shù)、浮點(diǎn)性能，M1也能碾壓酷睿i9（十代酷睿）。而且專用硬件單元輔助某個(gè)項(xiàng)目，本質(zhì)上對(duì)于體驗(yàn)也是有幫助的。

類似的情況在蘋果當(dāng)代芯片上相當(dāng)常見(jiàn)。比如用iPad（A14）和MacBook（M1芯片）做視頻剪輯（尤其是Final Cut Pro），其體驗(yàn)和效率就遠(yuǎn)超Windows PC（Intel酷睿）。

這是基于M1芯片中的編解碼器強(qiáng)過(guò)市面上絕大部分GPU（在Handbrake的硬件H.265測(cè)試?yán)铮琈1的編碼模塊表現(xiàn)出對(duì)Intel和AMD的徹底碾壓）；外加M1之上的AI專用處理器也參與畫(huà)面分析，專門的ISP（圖像處理器）可執(zhí)行 ProRes RAW格式的demosaic運(yùn)算；而且M1內(nèi)部還集成了SSD主控，對(duì)于I/O敏感操作也有幫助。

所以對(duì)于經(jīng)常需要剪視頻的人來(lái)說(shuō)，M1簡(jiǎn)直太適配了。同理還有碼農(nóng)、攝影師，以及單純的視頻娛樂(lè)用戶等。

這些都建立在M1作為一顆SoC，以更多專用單元來(lái)解決具體問(wèn)題的基礎(chǔ)上。雖說(shuō)專用單元彈性欠缺，但蘋果很清楚MacBook目標(biāo)用戶群日常都拿設(shè)備來(lái)做什么。有針對(duì)性地優(yōu)化專用單元，并且提升特定使用場(chǎng)景下的操作體驗(yàn)，達(dá)成性能和效率（功耗表現(xiàn)）的雙重提升。這也印證了通用計(jì)算裹足不前時(shí)，靠專用計(jì)算就是個(gè)重要方向，雖然未必得是專用處理器。

這些專用單元的存在，其本質(zhì)在我看來(lái)，與Intel為酷睿增加AVX-512指令支持并無(wú)太大區(qū)別。無(wú)論說(shuō)這些專用單元是“刷分”利器也好（甚至有人說(shuō)system cache也是刷分利器），是奇技淫巧也好，它們都實(shí)實(shí)在在地發(fā)揮了作用。

這其中再度迸發(fā)的一個(gè)問(wèn)題是，既然超寬架構(gòu)和專用單元這么好，Intel和AMD為什么不做呢？其中的原因大概是多種多樣的，而且Intel、AMD事實(shí)上也的確在朝著這些方向努力?；蛟S更重要的一點(diǎn)在這兩個(gè)選項(xiàng)，仍是以增加die size為基礎(chǔ)的，參見(jiàn)文本第二部分。

還有一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，比如說(shuō)具體到在CPU前端解碼寬度問(wèn)題上，x86這種變長(zhǎng)指令，指令長(zhǎng)度在1-15 bytes之間，而Arm為4 bytes定長(zhǎng)指令。這也就意味著x86的解碼器很難搞清楚一條指令究竟從哪里開(kāi)始，需要對(duì)每條指令做長(zhǎng)度分析。X86處理器在解碼階段因此要處理不少錯(cuò)誤，AMD曾經(jīng)談到過(guò)增加更多解碼器會(huì)導(dǎo)致更多的問(wèn)題，而4-wide解碼寬度成為其設(shè)計(jì)的一個(gè)限制。

恐怖的生態(tài)掌控力

從芯片設(shè)計(jì)，到操作系統(tǒng)，到開(kāi)發(fā)生態(tài)，到消費(fèi)終端設(shè)備設(shè)計(jì)制造，甚至到銷售，蘋果都一手掌控。這在整個(gè)業(yè)界怕都是絕無(wú)僅有的（三星似乎欠缺十分重要的操作系統(tǒng)環(huán)節(jié)）。其促成的商業(yè)模式，也是蘋果可以如此在M1和Firestorm核心上任意妄為的基礎(chǔ)，這在前文中就已經(jīng)提過(guò)了。

而除了處理器本身的微架構(gòu)，在更上層的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及軟件架構(gòu)上，蘋果也有相當(dāng)?shù)脑捳Z(yǔ)權(quán)。M1設(shè)計(jì)上的一個(gè)典型代表是封裝在一起的DRAM內(nèi)存，采用一種叫Unified Memory Architecture技術(shù)。CPU和GPU使用內(nèi)存時(shí)，不必再區(qū)隔不同空間，也就不需要在雙方互通時(shí)進(jìn)行內(nèi)存拷貝這樣的操作，實(shí)現(xiàn)更低的延遲和更高的吞吐。

（順帶一提：?jiǎn)魏薋irestorm也達(dá)到了58GB/s的讀取帶寬，33-36GB/s寫入帶寬，除了表現(xiàn)出色外 ，AnandTech評(píng)論“單核填滿內(nèi)存控制器這種設(shè)計(jì)令人震驚，我們之前也從未見(jiàn)到過(guò)”。）

這種設(shè)計(jì)并不新穎，AMD早年也做過(guò)類似的技術(shù)，但并未得到普及。這種設(shè)計(jì)對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)有新的要求。蘋果牢固的開(kāi)發(fā)生態(tài)掌控力，應(yīng)付這種事應(yīng)該也只是件小事。對(duì)Windows PC不同市場(chǎng)參與者分而治之的局面來(lái)說(shuō)，這件事就顯然沒(méi)那么容易了。

與此同時(shí)，還能夠顯現(xiàn)蘋果生態(tài)掌控力牢固的一點(diǎn)在于蘋果十分輕易地在M1芯片上換用自家GPU?！霸a”在圖形計(jì)算一側(cè)就顯得沒(méi)那么重要，蘋果的Metal API可以直接為蘋果GPU準(zhǔn)備就緒，意即蘋果圖形計(jì)算方面的儲(chǔ)備可在M1及現(xiàn)有生態(tài)上，立刻發(fā)揮作用。（雖然Metal相比DirectX，似乎在軟件效率上還是弱了點(diǎn)）

微軟在Windows 10 on Arm的生態(tài)部署上就萬(wàn)般掣肘，這雖然和微軟自身舉棋不定的決策力也有關(guān)。但在Arm版Windows出現(xiàn)這么久，也沒(méi)有像樣的生態(tài)構(gòu)建起來(lái)，Windows開(kāi)發(fā)者對(duì)于Windows Runtime也意興闌珊，就能表現(xiàn)出蘋果在這次轉(zhuǎn)舵中的決絕和生態(tài)構(gòu)建的超級(jí)速度。

前一陣傳言微軟決定自研芯片，用于將來(lái)的Surface。個(gè)人感覺(jué)這條信息的可信度不大，因?yàn)槲④洸幌裉O果那樣，有數(shù)億出貨量的設(shè)備可為其分擔(dān)芯片的設(shè)計(jì)和制造成本，尤其是尖端工藝的制造成本。要知道沒(méi)有大量出貨來(lái)分?jǐn)偝杀?，以Surface的量是走不起尖端工藝的。但這條消息的出現(xiàn)也表明，蘋果在M1及其周邊生態(tài)的打造上，有多成功。

只不過(guò)蘋果的這種模式與生態(tài)，究其根本也依托于消費(fèi)電子終端設(shè)備的銷量。若哪一日iPhone銷量大幅下滑，則芯片業(yè)務(wù)與周邊生態(tài)也將很快難以為繼。分而治之的生態(tài)便沒(méi)有如此脆弱。

用一句悲觀的話來(lái)總結(jié)本文：Windows PC陣營(yíng)恐怕很難出現(xiàn)蘋果M1那樣的芯片。不過(guò)這并沒(méi)有什么大不了，畢竟是兩個(gè)生態(tài)：看隔壁Android陣營(yíng)也從不因?yàn)閕Phone賣得多好，各參與者就亂了方寸。

參考來(lái)源：

[1] The 2020 Mac Mini Unleashed: Putting Apple Silicon M1 To The Test - AnandTech

https://www.anandtech.com/show/16252/mac-mini-apple-m1-tested

[2] Apple Annouces The Apple Silicon M1: Ditching x86 - What to Expect, Based on A14 - AnandTech

https://www.anandtech.com/show/16226/apple-silicon-m1-a14-deep-dive

[3] How did Microsoft screw this up? - Surface Pro X (SQ2) vs M1 Macbook Air - Linus Tech Tips

https://www.youtube.com/watch?v=OhESSZIXvCA
編輯：hfy