Apple Silicon : comment fonctionnent les puces de la série M ?

Une puce qui a changé l'informatique personnelle

En novembre 2020, Apple a dévoilé une innovation qui a surpris l'industrie technologique : une puce pour ordinateur portable suffisamment puissante pour rivaliser avec les processeurs de bureau haut de gamme, tout en étant suffisamment efficace pour faire fonctionner un MacBook Air fin pendant 18 heures avec une seule charge. Le secret était Apple Silicon, une famille de puces personnalisées entièrement conçues en interne, construites sur une architecture fondamentalement différente de celle des processeurs Intel utilisés par les Mac depuis 15 ans.

Les puces de la série M, de la M1 originale à la M5 actuelle, ne sont pas seulement des processeurs plus rapides. Elles représentent une philosophie différente de la façon dont les ordinateurs devraient être construits.

Ce qui rend Apple Silicon différent

Au fond, chaque puce de la série M est un System on a Chip (SoC), ce qui signifie que le CPU, le GPU, le Neural Engine, les contrôleurs de mémoire et d'autres composants sont tous intégrés sur une seule puce de silicium. Les PC traditionnels séparent ces éléments : le processeur se trouve dans un socket, la carte graphique se branche dans un autre slot et la RAM se trouve sur des barrettes séparées connectées via un bus mémoire. L'approche d'Apple élimine complètement ces distances.

L'innovation la plus importante au sein de ce SoC est l'Unified Memory Architecture (UMA). Dans un ordinateur conventionnel, le CPU et le GPU maintiennent chacun des pools de RAM séparés. Le partage de données entre eux nécessite de les copier à travers un bus, une opération lente et gourmande en énergie. Avec l'UMA, les deux processeurs accèdent simultanément au même pool de mémoire physique, sans qu'aucune copie ne soit nécessaire. Cela réduit considérablement la latence et permet aux puces d'Apple d'offrir des performances bien supérieures à leur consommation d'énergie.

Le M5 Max, par exemple, offre jusqu'à 614 Go/s de bande passante mémoire, un chiffre qui se rapproche de ce que l'on trouve dans les stations de travail professionnelles coûtant beaucoup plus cher.

Pourquoi Apple a abandonné Intel

Le passage au silicium personnalisé a été la troisième transition majeure de processeur dans l'histoire de Mac. Apple est passé des puces Motorola 68k à PowerPC en 1994, puis de PowerPC à Intel en 2006. Chaque saut a été motivé par des limites de performance et un contrôle stratégique.

À la fin des années 2010, les puces mobiles d'Apple, conçues pour les iPhones et les iPads, égalent déjà les processeurs pour ordinateurs portables d'Intel en termes de performances brutes. L'A12X Bionic de l'iPad Pro 2018 aurait des performances comparables à celles de la puce Core i7 du MacBook Pro d'Intel à l'époque. Pendant ce temps, Intel manquait les délais de fabrication et avait du mal à réduire la taille de ses puces pour rester compétitif.

L'équipe interne de conception de puces d'Apple, qui concevait des processeurs basés sur ARM depuis le premier iPhone, était prête. En juin 2020, le PDG Tim Cook a annoncé la transition lors de la WWDC. Fin 2023, le dernier Mac Intel, le Mac Pro, avait été retiré.

Les générations de la série M en un coup d'œil

Chaque génération a apporté des améliorations mesurables :

• M1 (2020) : La percée : CPU à 8 cœurs, jusqu'à 16 Go de mémoire unifiée, processus de 5 nm. A stupéfié les critiques avec l'autonomie de la batterie et les performances.
• M2 (2022) : Deuxième génération 5 nm, cœurs de CPU plus rapides, GPU amélioré, jusqu'à 24 Go de mémoire.
• M3 (2023) : Première puce 3 nm, ray tracing matériel ajouté au GPU, Dynamic Caching pour les charges de travail graphiques.
• M4 (2024) : Neural Engine amélioré, optimisé pour les tâches d'IA sur l'appareil, processus de deuxième génération 3 nm.
• M5 (2026) : Comporte une nouvelle "Architecture Fusion" avec des accélérateurs neuronaux dédiés dans chaque cœur de GPU. Le M5 Max prend en charge jusqu'à 128 Go de mémoire unifiée et offre jusqu'à 4 fois les performances d'IA du M4, selon l'annonce d'Apple.

Les fondations ARM

Toutes les puces de la série M sont basées sur l'architecture du jeu d'instructions ARM, la même conception sous-jacente utilisée dans pratiquement tous les smartphones de la planète. Les processeurs ARM utilisent une approche Reduced Instruction Set Computing (RISC) : des instructions plus simples et plus efficaces qui peuvent être exécutées plus rapidement et avec moins d'énergie que la conception Complex Instruction Set Computing (CISC) utilisée par les puces x86 d'Intel.

Apple concède sous licence le jeu d'instructions ARM, mais conçoit sa propre microarchitecture à partir de zéro. Cela signifie qu'Apple peut optimiser chaque transistor pour son écosystème matériel et logiciel spécifique, ce qu'aucun fournisseur de puces tiers ne peut faire pour les produits d'un concurrent.

Les compromis

Apple Silicon n'est pas sans limites. Étant donné que la mémoire est soudée directement sur le boîtier de la puce, elle ne peut pas être mise à niveau après l'achat, ce qui constitue un écart important par rapport à l'informatique de bureau traditionnelle. Les utilisateurs doivent choisir leur configuration de RAM au moment de l'achat. De plus, les logiciels initialement compilés pour l'architecture x86 d'Intel doivent être exécutés via la couche de traduction Rosetta 2 d'Apple, bien que la plupart des applications majeures aient été réécrites nativement pour ARM.

Pourquoi c'est important au-delà d'Apple

Le succès d'Apple avec les puces de la série M a accéléré un changement plus large dans l'industrie. Qualcomm, Microsoft et AMD ont tous investi massivement dans des puces pour ordinateurs portables basées sur ARM au cours des années qui ont suivi le lancement du M1. L'hypothèse selon laquelle x86 était la seule architecture viable pour l'informatique sérieuse a été définitivement brisée. Que vous utilisiez un Mac ou non, les puces de la série M ont remodelé ce que l'ensemble de l'industrie du PC croit possible.