Was ist Apple Silicon und wie funktionieren die Chips der M-Serie?

Ein Chip, der das Personal Computing veränderte

Im November 2020 enthüllte Apple etwas, das die Technologiebranche überraschte: einen Laptop-Chip, der leistungsstark genug war, um mit High-End-Desktop-Prozessoren zu konkurrieren, und dennoch effizient genug, um ein schlankes MacBook Air 18 Stunden lang mit einer einzigen Ladung zu betreiben. Das Geheimnis war Apple Silicon – eine Familie von kundenspezifischen Chips, die vollständig intern entwickelt wurden und auf einer grundlegend anderen Architektur basieren als die Intel-Prozessoren, die Macs 15 Jahre lang verwendet hatten.

Die Chips der M-Serie – vom ursprünglichen M1 bis zum heutigen M5 – sind nicht nur schnellere Prozessoren. Sie repräsentieren eine andere Philosophie darüber, wie Computer gebaut werden sollten.

Was Apple Silicon auszeichnet

Im Kern ist jeder Chip der M-Serie ein System-on-a-Chip (SoC) – das bedeutet, dass die CPU, GPU, Neural Engine, Speichercontroller und andere Komponenten alle auf einem einzigen Siliziumchip integriert sind. Traditionelle PCs trennen diese Elemente: Der Prozessor sitzt in einem Sockel, die Grafikkarte wird in einen anderen Steckplatz gesteckt und der RAM befindet sich auf separaten Riegeln, die über einen Speicherbus verbunden sind. Apples Ansatz eliminiert diese Distanzen vollständig.

Die wichtigste Innovation innerhalb dieses SoC ist die Unified Memory Architecture (UMA). In einem herkömmlichen Computer verwalten CPU und GPU jeweils separate RAM-Pools. Das Austauschen von Daten zwischen ihnen erfordert das Kopieren über einen Bus – ein langsamer, stromfressender Vorgang. Mit UMA greifen beide Prozessoren gleichzeitig auf denselben physischen Speicherpool zu, ohne dass ein Kopieren erforderlich ist. Dies reduziert die Latenz drastisch und ermöglicht es Apples Chips, ihre Leistungsaufnahme deutlich zu übertreffen.

Der M5 Max beispielsweise liefert bis zu 614 GB/s Speicherbandbreite – eine Zahl, die sich dem annähert, was man in professionellen Workstations findet, die um ein Vielfaches mehr kosten.

Warum Apple Intel hinter sich ließ

Der Wechsel zu kundenspezifischem Silizium war der dritte große Prozessorübergang in der Mac-Geschichte. Apple wechselte 1994 von Motorola 68k-Chips zu PowerPC und 2006 von PowerPC zu Intel. Jeder Sprung wurde durch Leistungsgrenzen und strategische Kontrolle vorangetrieben.

In den späten 2010er Jahren entsprachen Apples mobile Chips – entwickelt für iPhones und iPads – bereits den Laptop-Prozessoren von Intel in Bezug auf die Rohleistung. Der A12X Bionic im iPad Pro 2018 soll zu diesem Zeitpunkt vergleichbar mit Intels Core i7 MacBook Pro Chip gewesen sein. In der Zwischenzeit verpasste Intel Fertigungstermine und hatte Mühe, seine Chips auf wettbewerbsfähige Größen zu schrumpfen.

Apples internes Chip-Team, das seit dem ersten iPhone ARM-basierte Prozessoren entwickelt hatte, war bereit. Im Juni 2020 kündigte CEO Tim Cook den Übergang auf der WWDC an. Ende 2023 war der letzte Intel-Mac – der Mac Pro – ausgemustert.

Die Generationen der M-Serie im Überblick

Jede Generation hat messbare Sprünge gebracht:

• M1 (2020): Der Durchbruch – 8-Kern-CPU, bis zu 16 GB Unified Memory, 5nm-Prozess. Schockierte Tester mit Akkulaufzeit und Leistung.
• M2 (2022): Zweite Generation 5nm, schnellere CPU-Kerne, verbesserte GPU, bis zu 24 GB Speicher.
• M3 (2023): Erster 3nm-Chip, Hardware-Raytracing zur GPU hinzugefügt, Dynamic Caching für Grafik-Workloads.
• M4 (2024): Verbesserte Neural Engine, optimiert für On-Device-KI-Aufgaben, 3nm-Prozess der zweiten Generation.
• M5 (2026): Verfügt über eine neue "Fusion Architecture" mit dedizierten Neural Accelerators in jedem GPU-Kern. Der M5 Max unterstützt bis zu 128 GB Unified Memory und liefert laut Apples Ankündigung bis zu 4x die KI-Leistung des M4.

Das ARM-Fundament

Alle Chips der M-Serie basieren auf der ARM-Befehlssatzarchitektur – dem gleichen zugrunde liegenden Design, das in praktisch jedem Smartphone der Welt verwendet wird. ARM-Prozessoren verwenden einen Reduced Instruction Set Computing (RISC)-Ansatz: einfachere, effizientere Befehle, die schneller und mit weniger Strom ausgeführt werden können als das Complex Instruction Set Computing (CISC)-Design, das von Intels x86-Chips verwendet wird.

Apple lizenziert den ARM-Befehlssatz, entwirft aber seine eigene Mikroarchitektur von Grund auf neu. Dies bedeutet, dass Apple jeden Transistor für sein spezifisches Hardware- und Software-Ökosystem optimieren kann – etwas, das kein Drittanbieter-Chip-Anbieter für die Produkte eines Wettbewerbers tun kann.

Die Kompromisse

Apple Silicon ist nicht ohne Einschränkungen. Da der Speicher direkt auf das Chip-Package gelötet ist, kann er nach dem Kauf nicht mehr aufgerüstet werden – eine deutliche Abweichung vom traditionellen Desktop-Computing. Benutzer müssen ihre RAM-Konfiguration zum Zeitpunkt des Kaufs auswählen. Darüber hinaus muss Software, die ursprünglich für Intels x86-Architektur kompiliert wurde, über Apples Rosetta 2-Übersetzungsschicht ausgeführt werden, obwohl die meisten wichtigen Anwendungen nativ für ARM neu geschrieben wurden.

Warum es über Apple hinaus von Bedeutung ist

Apples Erfolg mit Chips der M-Serie hat einen breiteren Branchenwandel beschleunigt. Qualcomm, Microsoft und AMD haben in den Jahren seit dem Start des M1 alle stark in ARM-basierte Laptop-Chips investiert. Die Annahme, dass x86 die einzig praktikable Architektur für ernsthaftes Computing sei, ist endgültig widerlegt. Ob Sie einen Mac verwenden oder nicht, die Chips der M-Serie haben neu definiert, was die gesamte PC-Industrie für möglich hält.