Co je Apple Silicon a jak fungují čipy řady M

Čip, který změnil osobní výpočetní techniku

V listopadu 2020 Apple představil něco, co překvapilo technologický průmysl: čip pro notebook, který byl dostatečně výkonný, aby konkuroval špičkovým desktopovým procesorům, a přitom dostatečně efektivní, aby udržel tenký MacBook Air v chodu po dobu 18 hodin na jedno nabití. Tajemstvím byl Apple Silicon – rodina vlastních čipů navržených kompletně interně, postavených na zásadně odlišné architektuře než procesory Intel, které Macy používaly po dobu 15 let.

Čipy řady M – od původního M1 až po dnešní M5 – nejsou jen rychlejší procesory. Představují odlišnou filozofii o tom, jak by měly být počítače konstruovány.

Čím se Apple Silicon liší

V jádru je každý čip řady M System on a Chip (SoC) – což znamená, že CPU, GPU, Neural Engine, paměťové řadiče a další komponenty jsou integrovány na jediném kusu křemíku. Tradiční PC oddělují tyto prvky: procesor sedí v jedné patici, grafická karta se zapojuje do jiného slotu a RAM žije na samostatných modulech připojených přes paměťovou sběrnici. Přístup Applu tyto vzdálenosti zcela eliminuje.

Nejdůležitější inovací v rámci tohoto SoC je Unified Memory Architecture (UMA). V konvenčním počítači si CPU a GPU udržují samostatné fondy RAM. Sdílení dat mezi nimi vyžaduje kopírování přes sběrnici – což je pomalá operace náročná na energii. S UMA mají oba procesory přístup ke stejnému fyzickému paměťovému fondu současně, bez nutnosti kopírování. To dramaticky snižuje latenci a umožňuje čipům Applu dosahovat výkonu, který dalece přesahuje jejich spotřebu energie.

Například M5 Max poskytuje až 614 GB/s propustnosti paměti – což je hodnota, která se blíží tomu, co byste našli v profesionálních pracovních stanicích, které stojí mnohonásobně více.

Proč Apple nechal Intel za sebou

Přechod na vlastní křemík byl třetím velkým přechodem procesorů v historii Macu. Apple přešel z čipů Motorola 68k na PowerPC v roce 1994, poté z PowerPC na Intel v roce 2006. Každý skok byl motivován limity výkonu a strategickou kontrolou.

Koncem roku 2010 se mobilní čipy Applu – navržené pro iPhony a iPady – již vyrovnaly procesorům Intel pro notebooky v hrubém výkonu. A12X Bionic v iPadu Pro z roku 2018 údajně fungoval srovnatelně s čipem Intel Core i7 MacBooku Pro v té době. Mezitím Intel zmeškával termíny výroby a snažil se zmenšit své čipy na konkurenceschopné velikosti.

Interní tým pro čipy Applu, který navrhoval procesory založené na ARM od prvního iPhonu, byl připraven. V červnu 2020 generální ředitel Tim Cook oznámil přechod na WWDC. Do konce roku 2023 byl poslední Intel Mac – Mac Pro – vyřazen.

Generace řady M v kostce

Každá generace přinesla měřitelné skoky:

• M1 (2020): Průlom – 8jádrové CPU, až 16 GB sjednocené paměti, 5nm proces. Šokoval recenzenty výdrží baterie a výkonem.
• M2 (2022): Druhá generace 5nm, rychlejší jádra CPU, vylepšené GPU, až 24 GB paměti.
• M3 (2023): První 3nm čip, hardwarový ray tracing přidaný do GPU, Dynamic Caching pro grafické úlohy.
• M4 (2024): Vylepšený Neural Engine, optimalizovaný pro AI úlohy přímo na zařízení, 3nm proces druhé generace.
• M5 (2026): Obsahuje novou „Fusion Architecture“ s vyhrazenými Neural Accelerators v každém jádru GPU. M5 Max podporuje až 128 GB sjednocené paměti a poskytuje až 4x vyšší výkon AI než M4, podle oznámení společnosti Apple.

Základ ARM

Všechny čipy řady M jsou založeny na architektuře instrukční sady ARM – stejném základním designu, který se používá prakticky v každém smartphonu na planetě. Procesory ARM používají přístup Reduced Instruction Set Computing (RISC): jednodušší, efektivnější instrukce, které lze provádět rychleji a s menší spotřebou energie než design Complex Instruction Set Computing (CISC) používaný čipy x86 od Intelu.

Apple licencuje instrukční sadu ARM, ale navrhuje svou vlastní mikroarchitekturu od nuly. To znamená, že Apple může optimalizovat každý tranzistor pro svůj specifický hardware a softwarový ekosystém – něco, co žádný dodavatel čipů třetí strany nemůže udělat pro produkty konkurenta.

Kompromisy

Apple Silicon není bez omezení. Protože je paměť připájena přímo na pouzdro čipu, nelze ji po zakoupení upgradovat – což je významný odklon od tradiční desktopové výpočetní techniky. Uživatelé si musí vybrat konfiguraci RAM v době nákupu. Kromě toho musí software původně kompilovaný pro architekturu x86 od Intelu běžet prostřednictvím překladové vrstvy Rosetta 2 od Applu, i když většina hlavních aplikací byla nativně přepsána pro ARM.

Proč na tom záleží i mimo Apple

Úspěch Applu s čipy řady M urychlil širší průmyslový posun. Společnosti Qualcomm, Microsoft a AMD v letech po uvedení M1 masivně investovaly do čipů pro notebooky založených na ARM. Předpoklad, že x86 je jediná životaschopná architektura pro seriózní výpočetní techniku, byl trvale rozbit. Ať už používáte Mac nebo ne, čipy řady M změnily to, co celý PC průmysl považuje za možné.