Čo je Apple Silicon a ako fungujú čipy série M

Čip, ktorý zmenil osobnú výpočtovú techniku

V novembri 2020 spoločnosť Apple predstavila niečo, čo prekvapilo technologický priemysel: čip pre notebook, ktorý bol dostatočne výkonný na to, aby konkuroval špičkovým desktopovým procesorom, a zároveň dostatočne efektívny na to, aby udržal tenký MacBook Air v chode 18 hodín na jedno nabitie. Tajomstvom bol Apple Silicon – rodina vlastných čipov navrhnutých výhradne interne, postavených na zásadne odlišnej architektúre ako procesory Intel, ktoré Macy používali 15 rokov.

Čipy série M – od pôvodného M1 až po dnešný M5 – nie sú len rýchlejšie procesory. Predstavujú odlišnú filozofiu o tom, ako by sa mali počítače stavať.

Čím sa líši Apple Silicon

V jadre je každý čip série M System on a Chip (SoC) – čo znamená, že CPU, GPU, Neural Engine, radiče pamäte a ďalšie komponenty sú integrované na jednom kuse kremíka. Tradičné počítače tieto prvky oddeľujú: procesor sedí v jednej zásuvke, grafická karta sa zapája do iného slotu a RAM žije na samostatných moduloch pripojených cez pamäťovú zbernicu. Prístup spoločnosti Apple tieto vzdialenosti úplne eliminuje.

Najdôležitejšou inováciou v rámci tohto SoC je Unified Memory Architecture (UMA). V konvenčnom počítači si CPU a GPU udržiavajú samostatné fondy RAM. Zdieľanie údajov medzi nimi vyžaduje ich kopírovanie cez zbernicu – pomalá operácia náročná na energiu. S UMA majú oba procesory prístup k rovnakému fyzickému pamäťovému fondu súčasne, bez potreby kopírovania. To dramaticky znižuje latenciu a umožňuje čipom spoločnosti Apple dosahovať oveľa vyšší výkon, ako by sa dalo očakávať vzhľadom na ich spotrebu energie.

Napríklad M5 Max poskytuje až 614 GB/s priepustnosť pamäte – údaj, ktorý sa blíži tomu, čo by ste našli v profesionálnych pracovných staniciach, ktoré stoja oveľa viac.

Prečo Apple nechal Intel za sebou

Prechod na vlastný kremík bol treťou významnou procesorovou zmenou v histórii Macu. Spoločnosť Apple prešla z čipov Motorola 68k na PowerPC v roku 1994 a potom z PowerPC na Intel v roku 2006. Každý skok bol poháňaný limitmi výkonu a strategickou kontrolou.

Koncom roka 2010 sa mobilné čipy spoločnosti Apple – navrhnuté pre iPhony a iPady – už vyrovnali procesorom Intel pre notebooky v hrubom výkone. A12X Bionic v iPade Pro z roku 2018 údajne fungoval porovnateľne s čipom Intel Core i7 MacBooku Pro v tom čase. Medzitým spoločnosť Intel meškala s termínmi výroby a snažila sa zmenšiť svoje čipy na konkurencieschopné veľkosti.

Interný tím pre čipy spoločnosti Apple, ktorý navrhoval procesory založené na ARM od prvého iPhonu, bol pripravený. V júni 2020 generálny riaditeľ Tim Cook oznámil prechod na WWDC. Do konca roka 2023 bol posledný Intel Mac – Mac Pro – vyradený.

Generácie série M v skratke

Každá generácia priniesla merateľné skoky:

• M1 (2020): Prelom – 8-jadrové CPU, až 16 GB zjednotenej pamäte, 5nm proces. Šokoval recenzentov výdržou batérie a výkonom.
• M2 (2022): Druhá generácia 5nm, rýchlejšie jadrá CPU, vylepšené GPU, až 24 GB pamäte.
• M3 (2023): Prvý 3nm čip, hardvérový ray tracing pridaný do GPU, Dynamic Caching pre grafické úlohy.
• M4 (2024): Vylepšený Neural Engine, optimalizovaný pre AI úlohy priamo na zariadení, 3nm proces druhej generácie.
• M5 (2026): Obsahuje novú „Fusion Architecture“ s vyhradenými Neural Accelerators v každom jadre GPU. M5 Max podporuje až 128 GB zjednotenej pamäte a poskytuje až 4-násobný výkon AI v porovnaní s M4, podľa oznámenia spoločnosti Apple.

Základ ARM

Všetky čipy série M sú založené na architektúre inštrukčnej sady ARM – rovnakom základnom dizajne, ktorý sa používa prakticky v každom smartfóne na planéte. Procesory ARM používajú prístup Reduced Instruction Set Computing (RISC): jednoduchšie, efektívnejšie inštrukcie, ktoré je možné vykonať rýchlejšie a s menšou spotrebou energie ako dizajn Complex Instruction Set Computing (CISC) používaný čipmi x86 od spoločnosti Intel.

Spoločnosť Apple licencuje inštrukčnú sadu ARM, ale navrhuje svoju vlastnú mikroarchitektúru od nuly. To znamená, že spoločnosť Apple môže optimalizovať každý tranzistor pre svoj špecifický hardvérový a softvérový ekosystém – čo nemôže urobiť žiadny dodávateľ čipov tretej strany pre produkty konkurencie.

Kompromisy

Apple Silicon nie je bez obmedzení. Pretože je pamäť priamo pripájaná k puzdru čipu, nie je možné ju po zakúpení upgradovať – čo je významný odklon od tradičnej desktopovej výpočtovej techniky. Používatelia si musia zvoliť konfiguráciu RAM v čase nákupu. Okrem toho, softvér pôvodne kompilovaný pre architektúru x86 od spoločnosti Intel musí bežať cez prekladovú vrstvu Rosetta 2 od spoločnosti Apple, hoci väčšina hlavných aplikácií bola prepísaná pre ARM natívne.

Prečo na tom záleží aj mimo Apple

Úspech spoločnosti Apple s čipmi série M urýchlil širší posun v priemysle. Spoločnosti Qualcomm, Microsoft a AMD výrazne investovali do čipov pre notebooky založených na ARM v rokoch od uvedenia M1. Predpoklad, že x86 je jediná životaschopná architektúra pre seriózne výpočty, bol natrvalo rozbitý. Či už používate Mac alebo nie, čipy série M pretvorili to, čo celý PC priemysel považuje za možné.