匡張平

2021年底，蘋果發(fā)布了全新MacBook Pro，搭載了新的M1系列處理器。和上次發(fā)布的M1系列處理器不同的是，本次蘋果帶來了性能更強的M1 Pro和M1 Max。在發(fā)布會上，蘋果只是簡單提及了這兩款處理器的規(guī)格情況，對于它們的細節(jié)信息卻閉口不談。那么，M1Pro和M1 Max究竟在規(guī)格、設計和性能上有哪些特別之處呢？

蘋果在2020年11月發(fā)布了全新M1處理器之后，人們對蘋果自研處理器的能力和M1所表現(xiàn)的強悍性能產(chǎn)生了極大興趣，《微型計算機》在當時也刊載了《為什么這么強？深度觀察蘋果M1 SoC》一文。在M1之后，蘋果又在2021年11月發(fā)布了M1 Pro和M1Max。相比M1，這次新發(fā)布的兩款處理器有什么樣的變化？它們的設計理念有新突破嗎？本文將從不同角度來探尋這兩款處理器的獨到之處。

進入高性能領域：蘋果M1Max和M1 Pro登場

一般來說，用于移動設備的SoC產(chǎn)品在芯片體積、晶體管數(shù)量方面會有一定限制，這主要是受制于移動設備的散熱、電池容量等外部因素。不過這一次蘋果在MacBook Pro上使用的芯片卻大大出乎人們的意料。

本次蘋果發(fā)布的2個SoC，其中M1 Pro擁有337億晶體管，10核心CPU和16核心GPU。更令人驚訝的是M1Max，擁有高達540億晶體管，同樣10核心CPU，但是GPU核心的數(shù)量卻提升至32個。毫不夸張地說，這是我們目前看到在類似體積和重量的筆記本電腦中所使用的最大SoC，甚至可能在未來很長一段時間內(nèi)，都不會有如此巨大的SoC出現(xiàn)在x86平臺上。

本次蘋果并沒有對M1系列處理器的CPU、GPU架構進行更新，因此有關M1的CPU架構——Firestorm和Icestorm的相關內(nèi)容讀者可以參閱本刊此前發(fā)表的《為什么這么強？深度觀察蘋果M1 SoC》一文。簡單來說，F(xiàn)irestorm架構本身就是面向高性能處理設計的CPU架構，其前端發(fā)射寬度高達8，是一個緩存和執(zhí)行資源非常充裕的超大核心，理論性能應該在AMD Zen 3和英特爾Sunny Cove之上?？紤]到如此強悍的CPU架構，蘋果將其整合設計為一顆高性能SoC也就不難理解了。

接下來，我們先來看M1 Max和M1 Pro兩款芯片，再對其性能、功耗等情況做進一步分析。

M1 Max：無與倫比的強大

M1 Max是蘋果有史以來推出的性能最強大的SoC芯片。官方數(shù)據(jù)顯示，M1 Max SoC集成了大約540億晶體管，10個CPU核心和32核心GPU。從規(guī)模角度來說，540億晶體管的數(shù)量在民用級別產(chǎn)品上是非?？鋸埖?，如英偉達之前發(fā)布的采用Ampere架構的GA100 GPU，晶體管數(shù)量也是540億個，但是它在7nm工藝下功耗高達250W。顯然M1 Max在晶體管規(guī)模上已經(jīng)和目前頂級的GPU基本相同，考慮到GA100GPU極高的功耗，將類似規(guī)模的芯片用在一個整機重量為2.2kg的筆記本電腦中還是很困難的。實際上，M1 Max除了采用5nm工藝可以在很大程度上降低功耗外，在頻率和整體設計上也有很多巧妙之處。

蘋果大方地公布了M1 Max的晶元圖。從設計結構來看，蘋果在M1Max的中間靠下的位置放置了4組、每組8個共計32個GPU核心模塊。環(huán)繞GPU核心模塊的是S LC緩存，這里的SLC并不是NAND的一種，而是Systemevel Cache也就是系統(tǒng)級緩存的縮寫。4組SLC外部則是4組128bit LPDDR5內(nèi)存控制器，因此M1 Max總計擁有512bit LPDDR5的內(nèi)存位寬。從設計上來說，4組內(nèi)存控制器恰好對應4組SLC，SLC緩存的總容量為48MB，用于存放那些正在使用的、可能馬上就需要使用的或者CPU和GPU共同需要使用的數(shù)據(jù)，這是蘋果在SoC設計上一個重要的特點。理論上，如此巨大的SLC能夠在一定程度上降低DR AM的流量，起到提高性能的同時降低芯片功耗的作用。

在GPU模塊的上方，是CPU核心和其他的功能模塊。CPU核心分為8個性能核心，采用的還是Firestorm架構。從晶元圖上可以看出，8個Firestorm架構的C PU核心模塊的中央擁有一個巨大的共享緩存（L3？存疑），并且每個CPU核心都帶有自己獨立的緩存（可能是L2）。緩存上方是4個Firestorm核心，下方有4個Firestorm核心—這里需要注意的是，緩存核心左側和右側并沒有放置CPU核心，可能是一些互聯(lián)總線、控制單元等。與此相應的，蘋果的能效核心也就是Icestorm被放置在Firestorm核心的左側，只有2個，也可以看到采用了非常大面積的緩存設計，緩存和相關單元幾乎占據(jù)了整個核心面積的1/2。

M1 Max在整個CPU集群設計中所采取的思路和目前我們見到的其他移動SoC以及英特爾的產(chǎn)品并不相同。它采用了8個性能核心搭配2個能效核心的方案，性能核心數(shù)量遠遠多于能效核心。相比之下，英特爾剛發(fā)布的第12代酷睿采用的設計最多是8個性能核心搭配8個能效核心，

大能效核心數(shù)量對等，ARM的產(chǎn)品則一般會有1個性能核心，搭配3個中等核心和4個能效核心，性能核心和能效核心的數(shù)量相差距也不大。蘋果的設計很獨特，這可能是由于其不同核心的性能差距非常大（其實ARM的不同核心性能差距也不?。⑶铱赡芴O果在很大程度更傾向于采用時鐘門控等技術來降低性能核心的功耗，而不是將其轉移至能效核心和相關輔助單元有關。

一些測試數(shù)據(jù)顯示，M1 Max的性能核心最高頻率可達3228MHz，這種情況發(fā)生在某一個集群只有一個核心活動的時候。M1 Max中擁有8個性能核心，分為2個集群，每個集群有4個性能核心和12MB L2緩存。值得注意的是，8個性能核心雖然有4個在上、4個在下，但是在實際工作中，采用的卻是左側4個為一個集群，右側4個為另一個集群，這樣設計主要是考慮到所有核心使用L2緩存的距離和方便性。頻率方面，每個集群中，活動的核心數(shù)量越多、頻率越低。比如2個性能核心活動的時候會降低到3132MHz，3個或4個核心活動的時候會降低到3036MHz。由于每個集群都是獨立控制頻率的，所以可能出現(xiàn)3個核心的頻率為3036MHz，另外1個核心由于在另一個集群且只有它單獨運行，頻率提升至3228MHz。

除性能核心外，能效核心部分M1 Max只有2個，頻率最高可達2064M Hz。相比之下之前的M1擁有4個能效核心。這樣設計的原因可能是M1 Max面向的用戶更看重性能，能效核心太多反而會浪費晶體管資源。即使如此，蘋果還是為2個能效核心配備了完整的4MB L2緩存。

除去上述CPU、GPU、SLC以及內(nèi)存控制器外，整個M1 Max還有大約1/3的區(qū)域功能不詳。這部分區(qū)域主要是蘋果定制的一些功能，比如NPU、視頻編解碼、功耗控制、各類外部接口支持、顯示單元以及這些模塊的緩存等。

在性能參數(shù)方面，蘋果沒有給出太多具體的信息。不過據(jù)外媒測試的數(shù)據(jù)，M1 Max的GPU運行頻率為1296MHz，這個數(shù)據(jù)相對移動SoC來說是不低的，但是依舊低于傳統(tǒng)GPU。傳統(tǒng)GPU的頻率一般在2GHz左右，至少也能達到1.5GHz～1.7GHz。這可能是M1 Max在功耗上較低的原因之一。在內(nèi)存帶寬方面，蘋果的512bit LPDDR5帶寬高達408GB/s，目前還不清楚蘋果如何在C PU、GPU以及各大模塊中分配數(shù)據(jù)和帶寬。

從整個設計布局來看，M1 Max中占據(jù)最大面積的就是GPU部分，GPU、SLC和內(nèi)存控制器大約占據(jù)了整個芯片的一半還多。從某種意義上來說，M1 Max更像是一個圍繞GPU設計的SoC，當然相對而言，其性能輸出的最大部分也是GPU。另外值得注意的是，蘋果給出的M1 Max晶元圖其實很奇怪，因為在芯片底部呈現(xiàn)出雙NPU的布局，但實際上蘋果的官方資料中只有1個NPU。當然，由于這個圖片是蘋果給出的，蘋果在沒有說明每個模塊的作用的情況下，出于商業(yè)或者保密需求可以任意更改，這都是可以理解的。

在內(nèi)存帶寬方面，M1 Max目前支持400G B/s的內(nèi)存帶寬，作為一個單核心SoC產(chǎn)品來說，這是目前業(yè)內(nèi)最大帶寬的產(chǎn)品。除了G PU或者DPU這樣專注計算的設備或者面積大很多的其他類型芯片，沒有任何一個可以執(zhí)行通用計算處理的SoC能夠在晶體管規(guī)模上與它相提并論，即使是面積更大的IBM Power 10在晶體管數(shù)量上也僅為180億。

M1 Pro：337億晶體管，依舊強大

M1 P r o比M1 Max少了大約200億晶體管，但實際規(guī)格只減少了2個128bit LPDDR5內(nèi)存控制器、2組SLC緩存以及16個GPU單元，其余部分基本相同。蘋果給出的M1 Pro晶元圖看起來更像是M1 Max晶元圖直接截去了下部16個GPU和相對應的部分，實際上如果真的直接用M1 Max的晶元切割的話，那么芯片肯定無法正常運行。蘋果似乎又耍了一個小花招。從規(guī)格來看的話，M1 Pro和M1 Max除了GPU、存儲位寬和SLC緩存外，基本相同。因此本文在這部分就不再贅述了，讀者可以查看表格進行了解。

內(nèi)存和緩存：M1 M a x內(nèi)存體系設計

我們再來看一些比較有趣的內(nèi)容，比如M1 Max的內(nèi)存、緩存設計和功耗。

根據(jù)Anandtech對M1 Max測試的結果，M1 Max相比M1內(nèi)存延遲有大約10%的增加。增加的原因主要是由于LPDDR5內(nèi)存的引入—LPDDR5相比LPDDR4X，整體延遲更高，但是帶寬大增。這也是M1 Max的一個主要宣傳點。M1 Max芯片的對外帶寬高達408GB/s。這個帶寬是如此巨大，實際使用中甚至CPU都無法將其全部占滿。測試數(shù)據(jù)顯示，M1 Max的CPU部分最大能夠實現(xiàn)的內(nèi)存帶寬大約為243GB/s，CPU的一個核心可以接受的最大內(nèi)存帶寬為102GB/s。相比之下，即使是目前最先進的第12代酷睿處理器，其在雙通道DDR5 4800的模式下，內(nèi)存帶寬也僅為76.8GB/s，只有在未來可能會推出的4通道模式下內(nèi)存帶寬才能突破150G B/s，這樣的內(nèi)存帶寬是遠不如M1 Max的，甚至M1 Max的一個CPU核心能夠享用的內(nèi)存帶寬就遠超第12代酷睿桌面版處理器，更不要說所有CPU核心能夠實現(xiàn)的243GB/s了，在這一點上，M1 Max展示出了極為優(yōu)異的性能優(yōu)勢。

當然，整個M1 Max的對外內(nèi)存帶寬為408GB/s，即使CPU占據(jù)了高達243GB/s，那么依然還有165GB/s供其他單元使用，尤其是G PU部分。相比CPU而言，GPU部分對內(nèi)存帶寬更為敏感。更大的可能是，M1 Max的整個內(nèi)存部分是動態(tài)調用的，也就是根據(jù)需要，為CPU、GPU、NPU以及媒體單元匹配需求，這也是M1 Max能夠實現(xiàn)流暢的、高幀率的5K 12bit ProRes RAW格式編解碼，或者多條4K視頻編解碼的原因之一。相比之下，目前英特爾和AMD的處理器在進行類似的工作時，由于帶寬限制，只能以個位數(shù)幀率進行操作，遠遠不如M1 Pro或者M1 Max體驗感好。

除了巨大的內(nèi)存帶寬外，M1 Max和M1 Pro的統(tǒng)一內(nèi)存架構也值得一提。對M1 Max這種芯片來說，芯片本身包含了CPU、GPU、大容量緩存以及統(tǒng)一的對外的內(nèi)存控制器，除了內(nèi)存使用和數(shù)據(jù)傳輸方式的巨大改變外，還意味著整個系統(tǒng)的功耗在很大程度上得到了顯著降低。在很多情況下，由于統(tǒng)一內(nèi)存架構的存在，CPU和GPU之間的數(shù)據(jù)交換可以通過芯片內(nèi)部的總線完成。舉例來說，在PC上，獨立的CPU和G PU之間的協(xié)同工作需要依靠PCIe總線、內(nèi)存（顯存）控制器、主板上相關布線和電力支持等等一攬子功能單元，這些單元單獨看都是必不可少的。這就造成了在傳統(tǒng)PC中模型中，當數(shù)據(jù)從CPU端傳遞至GPU端時，整個流程會通過CPU、CPU內(nèi)存控制器、內(nèi)存、PC Ie控制器（CPU端）、PCIe控制器（GPU端）、GPU顯存控制器、顯存等七八個步驟才抵達GPU，效率低下。并且，CPU和GPU還需要耗費相當大數(shù)量的晶體管來完成諸如PCIe總線、內(nèi)存控制器等重要的功能模塊，并帶來相應的能耗。

在M1 Max上，這個過程被大大簡化了。同樣是數(shù)據(jù)從CPU端傳遞至GPU端，這個流程很可能被簡化成就是CPU向GPU發(fā)出指令，GPU去統(tǒng)一內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)即可。當然實際上這個過程可能比較復雜，比如雖然統(tǒng)一內(nèi)存架構看起來CPU和GPU的內(nèi)存存放在一起，但由于優(yōu)先級、隔離區(qū)、數(shù)據(jù)一致性等原因可能存在諸多限制，但最起碼都存放在一起了，至少在物理設計上擁有數(shù)據(jù)共享、傳輸方面的優(yōu)勢。尤其是蘋果還將內(nèi)存和SoC封裝的盡可能靠近，這意味著數(shù)據(jù)讀取距離變短，數(shù)據(jù)傳輸中可能不需要太多校驗，傳輸所耗費的電能也會更低。

統(tǒng)一內(nèi)存架構的存在使得蘋果在內(nèi)存控制器、PCIe總線控制器以及相關的緩存和功能單元只需要進行一次晶體管單元投資，節(jié)約的晶體管資源既可以用于其他模塊，也能夠有效改善整體芯片的性能功耗比。一些數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)存控制器和相關部件在GPU中占據(jù)接近10%～15%的晶體管面積或資源，同時內(nèi)存控制器和相關總線的功耗在G P U的使用周期中甚至貢獻了最高可達30%的電能消耗，這些晶體管資源和能耗空間都是非常寶貴的，尤其是蘋果改用了LPDDR5之后，整體功耗還會進一步降低，更為卓越。

在內(nèi)存之外就是緩存。我們從M1、M1 Pro以及M1 Max的設計可以看到，蘋果在SoC的設計中是極其關注緩存、內(nèi)存的位置、容量和速度的。在M1 Max上，SLC的容量高達48MB，L3緩存容量高達12MB，此外在NPU、GPU等其他部件上還有大量的緩存存在，這些緩存基本上都是SR AM緩存——要知道在芯片設計中，SRAM緩存一個數(shù)據(jù)位要耗費6個晶體管，這是非常昂貴的代價。很多廠商比如英特爾和AMD，在計算單元、緩存、總線等部件中保持謹慎地平衡，尤其是L3緩存一般不會設計太大，并且往往不會使用L4緩存。但是，緩存的使用自然有其獨特的作用：更大的緩存顯著降低了數(shù)據(jù)在DR AM和CPU之間反復傳輸、存儲的次數(shù)，極大地減少了CPU、GPU等部件由于等待而帶來的性能損失，并且在很大程度上也降低了功耗，因為數(shù)據(jù)傳輸在芯片內(nèi)部完成，不需要內(nèi)存控制器和DR AM過多參與的話，自然整體功耗會有一定的下降。

功耗控制：沒有明確的TDP值

再來看有關功耗方面的內(nèi)容。由于蘋果目前沒有給出任何有關M1Max和M1 Pro在節(jié)能設計方面的信息，因此功耗方面的工作情況尚不得而知。根據(jù)Anandtech的測試結果，M1 Max和M1 Pro芯片的封裝功耗大約只有200mW，整個設備的功耗也不會超過7.2w。在單線程工作中，芯片功耗大約為11W，多線程中大約運行在34～43W之間，CPU部分的功耗墻大約在40～62W之間。如果加入GPU的話，整個芯片的最大功率大約是92W，功耗墻大約在120W左右，雖然看起來非常高，但是相比PC平臺的產(chǎn)品還是低了太多，實測大約不到PC平臺接近性能產(chǎn)品的一半。

這里的情況顯示，蘋果可能在很大程度上放棄了TDP之類的標注，轉而使用單一的溫度數(shù)值來對處理器進行控制。實際上，針對現(xiàn)代的CPU、GPU、SoC產(chǎn)品來說，比如英特爾或者AMD、英偉達的CPU、GPU，甚至高通的SoC產(chǎn)品，TDP數(shù)值的參考意義在逐漸下降。舉例來說，在頻率加速等相關技術存在的情況下，TDP值在很大程度上并不能真實反映設備的運行情況。比如英特爾的處理器即使是酷睿i9，TDP功耗一般不超過100W，但實際運行功耗尤其是睿頻的瞬間可以超過200W。并且，在電能滿足的前提下，這些產(chǎn)品性能釋放的時間長短和所能達到的頻率高度只和溫度相關，只要散熱條件足夠好、溫度足夠低，那么芯片就能在設計范圍內(nèi)、盡可能長時間的運行在最高頻率（往往顯著高于額定頻率）下。

對M1 Max和M1 Pro而言，可能蘋果認為只要溫度控制的足夠好，處理器就可以在需要的情況下盡可能長的時間內(nèi)運行在盡可能高的頻率上。當然，散熱系統(tǒng)的能力最終還是有極限的，這就帶來了所謂功耗墻的概念，這是實際運行中達到了溫度上限也就是散熱設備的極限后系統(tǒng)所消耗的功耗值?，F(xiàn)在我們也很好奇，如果采用一些比較極端的散熱手段，M1 Max和M1 Pro在計算任務持續(xù)滿載的情況下，是否還能進一步提升頻率或者只是維持在目前的最高頻率狀態(tài)下持續(xù)工作，否則一旦溫度值觸及了高點或計算任務完成，頻率和溫度都會迅速下降—在節(jié)能設計上，蘋果具有非常顯著的優(yōu)勢，任何不工作的部件都會迅速進入休眠狀態(tài)并最大限度地降低自己的能耗，值得稱贊。

性能：CPU多線程性能令人驚訝，GPU生產(chǎn)力表現(xiàn)更佳

最后再來看看性能方面的內(nèi)容。還是引用Anandtech的數(shù)據(jù)，M1 Max和M1 Pro的CPU單線程性能和之前的M1處理器幾乎沒有差異，這意味著蘋果M1系列SoC在架構上都是一樣的，架構的更改和單核性能的提升可能要等到M2系列才能有顯著改變了。

但是，由于核心數(shù)量的增多，M1 Max和M1 Pro的多線程性能得到了爆發(fā)式的提升。實際測試顯示，由于性能核心的數(shù)量更多并且顯然在架構設計、緩存、內(nèi)存方面存在顯著優(yōu)勢，M1 Max和M1 Pro的多線程性能相比移動端最強的酷睿i9-11980HK以及AMD銳龍 5985HS而言，絕大部分項目都能取得顯著領先，尤其是內(nèi)存性能測試數(shù)據(jù)甚至領先一倍以上。這顯示了更多的性能核心帶來的多線程優(yōu)勢以及蘋果在內(nèi)存架構方面的優(yōu)勢，少部分項目存在一定劣勢，但落后幅度很小。整體來說，M1 Max和M1Pro的性能還是值得夸耀的。

GPU方面，M1 Max在理論性測試中的性能令人驚訝，甚至一度比肩英偉達RTX 3080移動版。不過實際游戲測試中表現(xiàn)一般，遠不如RTX 3080，甚至還略弱于RTX 3060。實際上在這里的問題是，很多游戲采用X86指令集進行開發(fā)，因此在M1 Max和M1 Pro上運行時需要轉譯，這個過程帶來了比較顯著的性能損失。當然，在G PU優(yōu)化方面蘋果可能也存在一些問題。另外，蘋果的GPU目前不支持光線追蹤等高級技術，這是蘋果顯著落后PC的地方。

雖然游戲表現(xiàn)一般，但是在專業(yè)工作能力上，比如DaVinci Resolve、DaVinci Resolve等測試中，M1 Max和M1Pro又表現(xiàn)出極為卓越的性能，測試成績甚至高于目前頂級的桌面PC。這意味著對專業(yè)工作人員來說，M1 Max和M1 Pro依舊是非常值得選擇的。

總結：蘋果生態(tài)的又一次巔峰之作

M1 Max和M1 Pro強悍的CPU性能、優(yōu)秀的G PU專業(yè)性能、獨特的統(tǒng)一內(nèi)存架構、不惜工本的緩存體系和優(yōu)秀的功耗控制，都證明著蘋果領先的芯片設計、生產(chǎn)能力?？梢哉f，它們是蘋果生態(tài)的又一次巔峰之作。

那么，蘋果為什么能夠做出如此多獨特的設計呢？從芯片架構和技術的角度來看，蘋果拋棄了在PC上常見的CPU搭配GPU的架構，轉而采用了大核心SoC的結構，這種結構能夠避開不少傳統(tǒng)PC架構的缺陷。但是這種路線也帶來了高昂的成本和難以進一步擴張性能的隱憂。蘋果在5nm的工藝下使用了540億晶體管，不說芯片前期設計投入費用，光是制造的成本和良率等問題就會令很多企業(yè)望而卻步，這也是蘋果給出多種不同規(guī)格的M1 Max和M1 Pro的原因之一：部分缺陷芯片可以屏蔽一部分模塊、降低性能級別使用。另外，蘋果在目前的工藝層級下很難進一步大幅度提升性能，目前的芯片已經(jīng)足夠大，蘋果短期內(nèi)也不會采用Chiplet方案，因此其產(chǎn)品的性能上限基本上就是M1Max級別，這相比英特爾和AMD的產(chǎn)品在性能上限方面還是低了不少。

無論怎么說，M1 Max和M1 Pro依舊是目前最卓越的芯片產(chǎn)品之一。和PC產(chǎn)業(yè)不同的是，蘋果現(xiàn)在幾乎沒有硬件架構上的包袱，蘋果作為一個擁有獨立生態(tài)系統(tǒng)的企業(yè)，可以在生態(tài)運作、上下游產(chǎn)業(yè)方面有自己更為獨立、獨特的運作方式，這也是M1 Max和M1 Pro設計成目前的形態(tài)、擁有現(xiàn)在的技術和架構的原因之一。