Czym jest Apple Silicon i jak działają czipy z serii M?

Czip, który zmienił oblicze komputerów osobistych

W listopadzie 2020 roku Apple zaprezentowało coś, co zaskoczyło branżę technologiczną: czip do laptopa wystarczająco potężny, by konkurować z wysokiej klasy procesorami desktopowymi, a jednocześnie wystarczająco energooszczędny, by zasilać cienkiego MacBooka Air przez 18 godzin na jednym ładowaniu. Tajemnicą był Apple Silicon – rodzina niestandardowych czipów zaprojektowanych w całości we własnym zakresie, zbudowanych na fundamentalnie innej architekturze niż procesory Intel, których komputery Mac używały przez 15 lat.

Czipy z serii M – od oryginalnego M1 po dzisiejszy M5 – to nie tylko szybsze procesory. Reprezentują one odmienną filozofię budowy komputerów.

Co wyróżnia Apple Silicon?

U podstaw każdego czipu z serii M leży System on a Chip (SoC) – co oznacza, że CPU, GPU, Neural Engine, kontrolery pamięci i inne komponenty są zintegrowane na jednym kawałku krzemu. Tradycyjne komputery PC oddzielają te elementy: procesor znajduje się w jednym gnieździe, karta graficzna jest podłączona do innego slotu, a pamięć RAM znajduje się na oddzielnych kościach podłączonych za pomocą magistrali pamięci. Podejście Apple całkowicie eliminuje te odległości.

Najważniejszą innowacją w ramach tego SoC jest Unified Memory Architecture (UMA), czyli architektura zunifikowanej pamięci. W konwencjonalnym komputerze CPU i GPU mają oddzielne pule pamięci RAM. Udostępnianie danych między nimi wymaga kopiowania ich przez magistralę – co jest operacją powolną i energochłonną. W przypadku UMA oba procesory uzyskują dostęp do tej samej fizycznej puli pamięci jednocześnie, bez konieczności kopiowania. To radykalnie zmniejsza opóźnienia i pozwala czipom Apple osiągać znacznie więcej, niż sugerowałoby ich zużycie energii.

Na przykład M5 Max zapewnia przepustowość pamięci do 614 GB/s – wartość zbliżoną do tej, którą można znaleźć w profesjonalnych stacjach roboczych kosztujących wielokrotnie więcej.

Dlaczego Apple porzuciło Intela?

Przejście na niestandardowy krzem było trzecią dużą zmianą procesora w historii komputerów Mac. Apple przeszło z czipów Motorola 68k na PowerPC w 1994 roku, a następnie z PowerPC na Intel w 2006 roku. Każdy skok był podyktowany ograniczeniami wydajności i strategiczną kontrolą.

Pod koniec lat 2010 czipy mobilne Apple – zaprojektowane dla iPhone'ów i iPadów – już dorównywały procesorom Intela do laptopów pod względem surowej wydajności. A12X Bionic w iPadzie Pro z 2018 roku podobno działał porównywalnie do procesora Intel Core i7 w MacBooku Pro w tamtym czasie. W międzyczasie Intel nie dotrzymywał terminów produkcyjnych i miał trudności ze zmniejszeniem swoich czipów do konkurencyjnych rozmiarów.

Wewnętrzny zespół Apple ds. czipów, który projektował procesory oparte na architekturze ARM od czasu pierwszego iPhone'a, był gotowy. W czerwcu 2020 roku dyrektor generalny Tim Cook ogłosił przejście na WWDC. Do końca 2023 roku ostatni Mac z Intelem – Mac Pro – został wycofany.

Generacje serii M w skrócie

Każda generacja przyniosła wymierne skoki:

• M1 (2020): Przełom – 8-rdzeniowy CPU, do 16 GB zunifikowanej pamięci, proces 5 nm. Zszokował recenzentów żywotnością baterii i wydajnością.
• M2 (2022): Druga generacja 5 nm, szybsze rdzenie CPU, ulepszone GPU, do 24 GB pamięci.
• M3 (2023): Pierwszy czip 3 nm, sprzętowy ray tracing dodany do GPU, Dynamic Caching dla obciążeń graficznych.
• M4 (2024): Ulepszony Neural Engine, zoptymalizowany pod kątem zadań AI wykonywanych na urządzeniu, proces drugiej generacji 3 nm.
• M5 (2026): Zawiera nową „Architekturę Fuzji” z dedykowanymi akceleratorami neuronowymi w każdym rdzeniu GPU. M5 Max obsługuje do 128 GB zunifikowanej pamięci i zapewnia do 4x większą wydajność AI niż M4, zgodnie z komunikatem Apple.

Podstawa ARM

Wszystkie czipy z serii M są oparte na architekturze zestawu instrukcji ARM – tej samej podstawowej konstrukcji, która jest używana w praktycznie każdym smartfonie na świecie. Procesory ARM wykorzystują podejście Reduced Instruction Set Computing (RISC): prostsze, bardziej wydajne instrukcje, które mogą być wykonywane szybciej i przy mniejszym zużyciu energii niż konstrukcja Complex Instruction Set Computing (CISC) używana przez czipy x86 firmy Intel.

Apple licencjonuje zestaw instrukcji ARM, ale projektuje własną mikroarchitekturę od podstaw. Oznacza to, że Apple może zoptymalizować każdy tranzystor pod kątem swojego specyficznego ekosystemu sprzętowego i programowego – czego żaden zewnętrzny dostawca czipów nie może zrobić dla produktów konkurencji.

Kompromisy

Apple Silicon nie jest pozbawiony ograniczeń. Ponieważ pamięć jest wlutowana bezpośrednio w obudowę czipu, nie można jej rozbudować po zakupie – co stanowi znaczące odejście od tradycyjnych komputerów stacjonarnych. Użytkownicy muszą wybrać konfigurację pamięci RAM w momencie zakupu. Ponadto oprogramowanie pierwotnie skompilowane dla architektury x86 firmy Intel musi działać za pośrednictwem warstwy translacji Rosetta 2 firmy Apple, chociaż większość głównych aplikacji została przepisana natywnie dla ARM.

Dlaczego ma to znaczenie poza Apple?

Sukces Apple z czipami z serii M przyspieszył szerszą zmianę w branży. Qualcomm, Microsoft i AMD zainwestowały duże środki w czipy do laptopów oparte na architekturze ARM w latach po premierze M1. Założenie, że x86 jest jedyną realną architekturą dla poważnych obliczeń, zostało trwale obalone. Niezależnie od tego, czy używasz komputera Mac, czy nie, czipy z serii M zmieniły to, co cała branża PC uważa za możliwe.