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从苹果新品看芯片未来的发展趋势

日前 ,苹果发布了新品 14 英寸、16 英寸 MacBook Pro,分别取代 13 英寸高配版与 16 英寸英特尔版 MacBook Pro。

新款Macbook Pro使用的M1max 是一颗10 核 CPU,包括 8 个高性能核心、2 个高效能核心;两种组合的 GPU,分别包含 16 个、32 个 GPU 核心;统一内存规格也升级了,最高可达 64GB。

按照苹果的性能演示,M1max的CPU性能达到i9的2.7倍。而GPU的性能在50W功耗的时候,已经能媲美对比的移动版3080了,这个性能是相当恐怖的。

财大气粗的苹果,一直使用台积电的先进工艺,产品在能耗比上有优势是大家可以意料到的。但是这次苹果的优势太大了,功耗低性能高,同样功耗下的性能直接碾压竞争对手,苹果是怎么做到的,苹果的成功会给业界带来什么影响呢?我们来看一下。

与游戏机芯片异曲同工

苹果的M1芯片与苹果的手机芯片很类似,有一些移植的意思。但是到了M1max,苹果终于理清了桌面SOC的设计思路。

对桌面端应用来说,小核多了用处不大。多个小核心依然不能满足高性能需求,所以M1max只设计了两个,用作低负载和待机使用。

理论上桌面大核心越多越好,但是实际的程序要用到全部大核心,对编程有要求。目前,八个大核心差不多现在的主流程序都能用尽。

苹果这一点与游戏机看法相同,游戏也用了8个大核心,而在游戏上,充分利用多核心编程已经是非常困难了。游戏没有问题,我们日常用的大多数程序都没有问题。

苹果的GPU性能其实不算太强,我们计算一下晶体管,苹果M1max的浮点性能,与用掉的晶体管数相比,并没有领先nVIDIA和AMD。

但是,苹果GPU却有更高的性能功耗比,除了台积电的5nm工艺,还要感谢苹果的单芯片设计。

CPU和高性能GPU集成到一起,可以减少传输对电力的损耗,降低总体功耗有利。这是游戏机芯片的做法,最早是微软Xbox360的Slim版本把两块芯片合并起来,后来游戏机全部都这样做了。

手机因为要低功耗,一直这样做,苹果的M1从手机SOC发展而来,虽然GPU做了高性能的,但是依然继续单芯片设计。有效的提升了能效比。

超规格的统一内存架构

PC上,很早就有集成显卡,GPU调用系统内存的做法。但是那仅仅是内存共享,不是统一内存架构。

统一内存架构是GPU和CPU不用分别占用内存,而是在同一内部地址中访问。这样的好处是数据不用在内存显存中传输,也不需要通过缓慢的系统总线,而且在GPU不需要的时候节省内存。

统一内存架构最早也是出现在Xbox360游戏机上,有了PS4,Xbox one,PS5等等都一脉相承。

统一内存架构有一个缺点。因为CPU和GPU对内存的要求不同。CPU要求低延迟,大容量,GPU要求高带宽。所以通常CPU用DDR内存,而GPU用GDDR。虽然有HBM2这种方案能兼顾一下,但是这种折衷方案太贵。

而苹果M1max,用了最新的LPDDR5,选择了低延迟,而对于带宽采用大力出奇迹的方案,我们同样用内存,单通道是64位,双通道是128位。苹果M1max上了四颗多通道内存颗粒,搞到了512位,芯片中内存控制器用掉的晶体管数量都快赶上CPU了。

结果,这种大力出奇迹的做法,把内存带宽,把总带宽拉到400GB/S。这已经很接近用GDDR的PS5和移动版3080了,它们是448GB/S。这样,苹果M1max既有高带宽,又有低延迟。

在不跑游戏的时候,这个带宽给CPU就太奢侈了,普通CPU的带宽只有80GB/S。

而且统一内存还可以统一缓存,AMD证明,给GPU加点缓存,对带宽改善很有利。这个大缓存给CPU用,对单线程,多线程也有很大帮助。苹果给M1max塞了巨大的共用缓存,进一步提升了带宽。

超大核心的昂贵代价

苹果的解决方案看起来很完美,大核心,大GPU,超级豪华的内存控制器,超大系统缓存。还有AI加速模块……

但是,这样做也是有代价的。因为塞了这么多东西,苹果M1max的芯片用掉了570亿晶体管。

这是一个什么概念?Nvidia的RTX 3090只用了280亿晶体管,AMD的Zen3处理器只有41亿。XBOX Series X用的SOC已经是巨兽了,不过153亿而已。

虽然用的是最新的台积电5nm工艺,但是这个面积也是惊人的,价格自然也惊人。

按照芯片的规律,超大的芯片面积,会大幅度降低良率,导致芯片昂贵。

所以苹果需要阉割降级来降低成本,类似于微软游戏机有X和S。苹果手机低端4个GPU,高端5个GPU。

所以,我们在苹果网站看到了有意思的报价。

8核CPU加上14核GPU的是基本款,CPU用10核心的,加1500元,GPU再加到16核,加2500元,GPU加到24核,加4000元,满血的GPU才是32核,加5500元。

基本上,苹果是发现一个级别的次品,就屏蔽掉不合格的部分,降级降价出售。

这算是苹果方案的唯一弱点了。

苹果或将带来笔记本电脑的革命

其实苹果选择的解决方案,最早出现在xbox360的slim版本上。

因为游戏机是固定硬件,不考虑升级,不考虑标准接口。所以,可以用用单芯片,高速缓存,统一内存的模式来提升性能降低功耗。

苹果M1max给我们的启示是,其实现在的笔记本电脑,也没有太大的升级必要。放弃了标准接口升级。英特尔和这AMD完全可以用同样的方案来提升性能,降低功耗。

AMD来说,在游戏机上早就做过了,只是AMD目前没有搞统一缓存架构,而这对AMD来说,就是举手之劳。

所以,AMD只要想做,下一代就可以学苹果搞这种方案。

英特尔手里有更好的牌,英特尔有EMIB技术(Embedded Multi-Die Interconnect Bridge,嵌入式多核心互联桥接),这个技术可以用比较小的性能损耗,把小芯片连接起来获得更高的性能。

就是说,如果英特尔选择走苹果的路线,可以不造一块巨大的,昂贵的,废品率高的大芯片,而是可以造很多便宜的小芯片,然后用EMIB技术把小芯片连接起来。

譬如四个酷睿12大核心两个小核心一组,轻薄笔记本用一组,高性能用两组。GPU多组,共用缓存多组,内存灵活配置,可以像苹果一样用多通道的DDR,可以用HBM2,甚至可以用一块大的SRAM做四级缓存……

虽然,这样做的代价是笔记本电脑以后都不能升级了。但是,笔记本的性能功耗比可以再上一个台阶。而价格又不会像苹果那么昂贵。

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