Первый процессор Apple для компьютеров: анализ характеристик M1 и тестирование производительности A14 Bionic
Сразу после вчерашней презентации Apple наши коллеги из AnandTech опубликовали большой обзор, посвященный первому процессору компании для ноутбуков и мини-ПК, M1. Сразу оговорю, что устройства с ним попадут в распоряжение AnandTech лишь через несколько недель. Но поскольку в другом чипе Apple, A14 Bionic, используется такая же архитектура, тестирование последнего дает о M1 вполне релевантное представление.
Для начала напомним предысторию перехода Apple на новую архитектуру. Впервые он состоялся в начале 1990-х, когда Apple отказалась от чипов Motorola в пользу IBM PowerPC. Вторым стал переход на процессоры Intel (x86), объявленный в 2005 году — ноутбукам не подходил ни слабенький PowerPC 7400, ни прожорливый PowerPC 970. В свою очередь нынешний переход обусловлен несколькими причинами.
Во-первых, это многолетнее, с 2015 года, буксование Intel на 14-нм техпроцессе. Впервые 10-нм техпроцесс Intel получил единственный процессор с микроархитектурой Cannon Lake, 2-ядерный Core i3 8121U, выпущенный в ноябре 2018. Он оказался неудачным и год спустя был снят с производства. Не произвела особого впечатления и следующая микроархитектура с 10-нм техпроцессом (Ice Lake), а релиз третьей (Tiger Lake) с по-настоящему перспективной 10-нм технологией SuperFin только состоялся. Согласно Intel, он эквивалентен 7-нм техпроцессу [TSMC] — при этом мобильные чипы Apple с осени этого года выпускаются на базе 5-нм техпроцесса. Так что по части техпроцесса Intel отстает от конкурентов на два года (релиз смартфонов Apple с первым 7-нм чипом A12 Bionic состоялся осенью 2018).
Во-вторых, в однопоточной производительности мобильные процессоры Apple достигли уровня топовых десктопных процессоров Intel, что хорошо иллюстрирует график снизу:
Как видим, если у топовых десктопных процессоров Intel за последние пять лет производительность выросла примерно на 28%, то у мобильных чипов Apple — почти в три раза.
В-третьих, с распространением сотовой связи 5-го поколения большую актуальность приобретает низкое энергопотребление мобильных чипов, работающих в связке с 5G-модемами. В новых продуктах Apple таких модемов нет (выход в Интернет реализуется посредством Wi-Fi 6), но их появление (возможно даже собственной разработки) в ближайшие год-два весьма вероятно.
В-четвертых, процессоры Apple для смартфонов, планшетов и будущих компьютеров имеют одинаковую архитектуру, что позволило сделать macOS Big Sur совместимой с iOS-приложениями. Возможность запускать любое из почти двух миллионов приложений App Store на мини-ПК или ноутбуке значительно повышает их функциональность и привлекательность.
Наконец в-пятых, при таких огромных масштабах производства (количество активных продуктов превышает 1.5 млрд штук) Apple выгоднее тратить деньги на разработку и производство собственных процессоров, чем покупать их у Intel с AMD. Тем более, что в компании этим занимаются не один год — первым чипом с оригинальной архитектурой стал Apple A6, установленный в iPhone 5 (2012).
Прежде чем перейти к результатам тестов, давайте сравним характеристики M1 и его больших ядер (Firestorm) с топовыми моделями Intel, AMD и IBM. Некоторые недостающие данные восполнены за счет A14 Bionic, расширенной версией которого фактически является новый чип Apple.
| Apple M1 | Intel Core i9-10900K | AMD Ryzen 9 5950X | IBM POWER10 | |
| Цена | $500 | $800 | ? | |
| Дата релиза | 4 кв 2020 | 2 кв 2020 | 4 кв 2020 | 4 кв 2020 |
| TDP | 125 Вт | 105 Вт | ||
| Техпроцесс | 5 нм TSMC | 14 нм Intel | 7 нм TSMC | 7 нм Samsung |
| Площадь кристалла | ~120 мм² | 206 мм² | ? | 602 мм² |
| Кол-во транзисторов | 16 млрд | ? | ? | 18 млрд |
| Кол-во ядер/потоков ЦПУ | 4 + 4 | 10/20 | 16/32 | 15/60 (SMT8) |
| Тактовая частота | 3 ГГц + 1.8 ГГц | 3.7/5.3 ГГц | 3.4/4.9 ГГц | 4 ГГц |
| Кэш инструкций | (4 x 192 Кб) + (4 x 128 Кб) | 10 x 32 Кб | 16 x 32 Кб | 48 Кб |
| Кэш данных | (4 x 128 Кб) + (4 x 64 Кб) | 10 x 32 Кб | 16 x 32 Кб | 32 Кб |
| Задержка загрузки в кэш данных | 3 такта | 4 такта | 4 такта | ? |
| Кэш L2 | 12 Мб + 4 Мб | 2.5 Мб | 8 Мб | 30 Мб |
| Кэш L3 | — | 16 Мб | 64 Мб | 120 Мб |
| Ширина декодера инструкций | 8 операций за такт | 4 операции за такт | 5 операций за такт | 8 операций за такт |
| Буфер очереди декодированных инструкций (кол-во загруженных / размещенных микроопераций) | 148-154 ~106 | 128 72 | 44 64 | ? |
| Буфер переупорядочения (ROB) | 630 инструкций | 352 инструкций | 256 инструкций | ? |
| Скорость выполнения FADD (кол-во операций за такт) задержка (кол-во тактов) | 4 3 | 1 ? | 2 6.5 | ? |
| Скорость выполнения FMUL (кол-во операций за такт) задержка (кол-во тактов) | 4 4 | 1 ? | 2 6.5 | ? |
| ГПУ | 8 ядер (128 EU) | UHD Graphics 630 (24 EU) | — | — |
Как видим, по этим показателям (за исключением количества ядер и тактовой частоты) мобильный Apple M1 превосходит самые топовые процессоры Intel, AMD и IBM. По некоторым параметрам (в частности, размеру кэша 1-го уровня) разница просто огромная, Очевидно это и сыграло ключевую роль в высоких результатах одноядерной (Firestorm) производительности, достигнутых чипом A14 Bionic в бенчмарках SPEC2006 и GeekBench 5. Касательно критического отношения к последнему наши коллеги из AnandTech отмечают, что от SPEC2006 (особенно в операциях с плавающей точкой) он отличается меньшим требованиями к объему оперативной памяти, поэтому претензии к этому бенчмарку не вполне обоснованы. Правда, в прежних обзорах редакторы AnandTech отзывались о GeekBench 5 с несколько бо́льшим скепсисом, отдавая предпочтение SPEC2006 как более десктопному, т.е. работающему с более крупными и сложными данными.
Итак, вот как выглядят результаты тестов:
| Qualcomm Snapdragon 865+ | Apple A13 Bionic | Apple A14 Bionic | Intel Core i9-10900K | AMD Ryzen 9 5950X | |
| SPEC2006 — целочисленные вычисления | 36.15 (53%) | 52.82 (77%) | 63.34 (92%) | 58.58 (85%) | 68.53 |
| SPEC2006 — вычисления с плавающей точкой | 49.36 (52%) | 70.28 (75%) | 88.64 (94%) | 75.11 (80%) | 94.08 |
| GeekBench 5 | 983 (59%) | 1,339 (81%) | 1,603 (97%) | 1,467 (89%) | 1,655 |
Здесь мы видим, что большое ядро A14 Bionic демонстрирует быстродействие почти на уровне самого производительного в этих двух бенчмарках процессора, Ryzen 9 5950X. При том, что без оперативной памяти топовый десктопный процессор AMD потребляет электроэнергии почти в 10 раз больше, чем мобильный процессор смартфона iPhone 12 вместе с оперативной памятью (49 Вт vs 5 Вт). Максимальное энергопотребление M1 по сравнению с A14 очевидно больше (судя по графику на презентации Apple — около 18 Вт), но у него и результат будет лучше (хотя конечно далеко не пропорционально росту потребления электроэнергии). Во всяком случае на презентации M1 компания заявила, что большое ядро этого процессора — самое производительное в мире.
Таким образом, переход Apple на собственные чипы представляется своевременным — с релизом A14 и M1 они достигли, если не превзошли, уровень топовых десктопных процессоров в одноядерной производительности. Полностью завершить этот переход планируется в течение ближайших двух лет, т.е. к концу 2023 года. Насколько своевременно и полно будет реализован такой план зависит от разработчиков, которым предстоит адаптировать свои приложения для новой платформы, а также от графической производительности компьютеров Apple. У Mac Pro требования к ним намного выше, чем у ноутбуков, поэтому встроенного ГПУ будет недостаточно. Компании предстоит либо реализовать возможность использования дискретных видеокарт AMD и Nvidia, либо разработать собственные видеокарты, либо просто отказаться от производства Mac Pro.
В любом случае наступает эпоха массовых компьютеров c архитектурой ARM — спустя полтора десятка лет тотального господства x86. И это безусловно историческое событие. Но едва ли в мире найдется кто-нибудь, кто в ближайшие годы рискнет реализовать нечто подобное. Apple единственная корпорация в мире, которая самостоятельно занимается разработкой как операционных систем, так и процессоров (для массового рынка). Когда-то она начиналась как производитель компьютеров, а спустя годы после релиза iPhone смартфоны стали её основным бизнесом. Который, в свою очередь, задал новый тренд в разработке теперь уже будущих компьютеров.