Apple silicon: история, технологические аспекты и будущее революционной платформы
Мы независимо проверяем товары и технологии которые рекомендуем.
История появления Apple silicon. Главная ошибка Intel
Компания Apple всегда славилась умением легко менять платформы. Появившиеся в 1977 году компьютеры Apple II строились на основе чипов от уже забытой сегодня MOS Technology, а самые первые Macintosh, представленные в 1984 году, работали на процессорах Motorola. В 1994 году состоялся торжественный переход на RISC-процессоры PowerPC, разрабатываемые альянсом AIM (сокращение от Apple, IBM и Motorola), который специально был создан для этой цели тремя годами ранее.
Создатели альянса считали, что процессоры на архитектуре CISC от Intel и AMD – не более чем тупиковая ветвь развития, а будущее принадлежит RISC. Весьма вероятно, что в долгосрочной перспективе они и были правы (не забываем, что в основе архитектуры ARM лежат принципы RISC), однако в 2006 году Apple вынуждена была перейти на решения от Intel.
Главной причиной перехода называлось стремление к портативности. Процессоры Power G5 отлично подходили для высокопроизводительных рабочих станций, но они совершенно не годились для компактных ноутбуков. Самые первые решения с Intel были представлены в 2006 году. В связи с этим Apple даже сменила названия некоторых линеек компьютеров – так, Power Mac превратились в Mac Pro, PowerBook в MacBook Pro, а iBook стали называться просто MacBook.
Некоторое время казалось, что никаких перемен больше не предвидится и Apple на долгие годы остановится на творениях Intel. Однако в 2007 году происходит знаменательное событие – миру был представлен первый iPhone. Для разработки этого устройства Apple требовался отдельный чип, с чем она, естественно, обратилась всё к той же Intel. Однако монополист мира процессоров посчитал, что данное направление не особо перспективно и не заслуживает того, чтобы тратить на него время. В результате Apple пошла к компании Samsung, которая оказалась куда более сговорчивой. Многие специалисты считают, что отказ от разработки мобильного процессора – главная ошибка Intel.
Творение Samsung показало себя весьма достойно. Но Apple не хотела зависеть от стороннего разработчика и усиленно искала способ начать создавать собственные процессоры, которые можно было бы лучше «затачивать» под свои нужды. В результате в 2008 году была поглощена компания P.A.Semi, которая занималась созданием высокоэффективных мобильных процессоров. Этот разработчик стал первым из числа поглощённых Apple на пути к полной унификации.
27 января 2010 года миру был представлен первый iPad. Событие примечательное само по себе, поэтому далеко не все обратили внимание на тот факт, что в основе планшетного компьютера лежал ARM-процессор Apple A4 – первый чип компании. Он имел частоту в 1 ГГц, был построен на 45-нм техпроцессе и потреблял порядка 500-800 мВт. Производством его занималась всё та же Samsung. Впоследствии тем же чипом оснастили представленный в этом же году iPhone 4.
Появление первых чипов Apple породило предположение, что в будущем компания может полностью перейти на процессоры собственной разработки. И хотя изначально такая идея многим казалась весьма «натянутой», постепенно всё больше аналитиков и журналистов, пишущих на тему технологий, склонялись к мысли, что именно так всё и будет. В Сети периодически публиковались заявления, согласно которым первый ноутбук с чипом от Apple будет представлен «уже в самое ближайшее время». Подобные идеи иногда подкреплялись слухами, которые явно появлялись не на пустом месте. Например, в 2011 году популярный ресурс MacRumors написал о том, что Apple тестирует MacBook Air, построенный на основе процессора A5. Весьма вероятно, что компания действительно ставила подобные эксперименты.
В 2013 году прошла презентация iPhone 5s с процессором Apple A7. И это был не только первый в мире 64-битный массово выпускаемый ARM-чип, но и решение, возможности которого вплотную приблизились к процессорам для настольных компьютеров. Конечно же, заявление Apple про «Desktop-Class Processor» было не более, чем рекламным ходом, но оно показывало, куда именно стремится компания.
В своих лучших традициях Apple не торопилась, процесс полного перехода на собственную платформу происходил постепенно. В 2015 году появились чипы серии S для Apple Watch, а в 2019 году – серия H для наушников. К тому времени уже мало кто сомневался, что дело дойдёт и до компьютеров, вопрос только во времени. И случилось всё в 2020 году, когда на суд потребителей представили первые решения с процессором Apple M1. Использованные изначально только в Mac mini и MacBook Air, эти чипы впоследствии пришли также в MacBook Pro, iMac, стали применяться в iPad. Процессоры M1 были восторженно приняты пользователями. Многие высоко оценили производительность и энергоэффективность новых чипов и с лёгкостью прощали им неизбежные «детские болезни».
Полный отказ от Intel не произошёл сразу, некоторое время в портфолио компании присутствовали модели обоих типов, а операционные системы имели поддержку двух архитектур. Но к началу 2024 года у Apple не осталось компьютеров, в которых бы использовались процессоры Intel. Тут следует отметить, что последние модели Mac Pro выглядят несколько спорно (почему именно, мы рассмотрим ниже), но их явно создавали именно с целью окончательного перехода на собственную платформу.
В ответ на действия Apple, Intel не придумала ничего лучше, как выпустить пародийную рекламу, в которой показывала преимущества построенных на её решениях ноутбуков перед творениями Apple. Для создания ролика был даже приглашён актёр Джастин Лонг, некогда исполнявший роль персонажа Mac в знаменитой рекламе «Get a Mac», выходившей в период с 2006 по 2009 годы. Однако подобный шаг удостоился в основном насмешек. Мало того, что реклама выглядела больше как детская обида на репутационный удар, так и качество её оставляло желать лучшего – на некоторых кадрах устройство видно сквозь полупрозрачные пальцы пользователя. В результате в интернете появилось немало насмешек на тему того, что Intel следовало бы больше внимания уделять не троллингу Apple, а возможностям своих чипов, которые последнее время стали откровенно сдавать.
Та самая реклама от Intel. На 57 секунде палец пользователя становится полупрозрачным:
Разница между RISC и CISC процессорами
Рассказывая про процессоры Apple silicone совершенно не лишним будет упомянуть про разницу между ними и решениями семейства x86. На сегодняшний день существует два основных типа архитектур процессоров: RISC (Reduced Instruction Set Computing) и CISC (Complex Instruction Set Computing). Эти архитектуры имеют разные подходы к обработке инструкций, что влияет на их производительность, энергоэффективность и сложность проектирования.
Основные принципы CISC
Архитектура CISC была разработана компанией IBM при создании семейства компьютеров IBM/360 с целью упрощения труда программистов, работавших с машинными кодами.
Основные характеристики CISC процессоров:
- Сложный набор инструкций: В CISC используется большой набор инструкций, каждая из которых может выполнять сложные операции. Это позволяет сократить количество команд, необходимых для выполнения задачи.
- Многообразие режимов адресации: CISC процессоры поддерживают множество способов доступа к данным в памяти, что упрощает программирование на ассемблере и может уменьшить размер программы.
- Многоцикловые инструкции: Многие инструкции в CISC процессорах выполняются за несколько циклов, что может снижать производительность, но позволяет выполнять более сложные операции с одной инструкцией.
- Сосредоточенность на аппаратной части: Более сложные инструкции требуют более сложной логики в процессоре, что увеличивает его размер и энергопотребление, но упрощает компиляторы и программирование.
Пример CISC – процессоры семейства x86, используемые в большинстве персональных компьютеров.
Основные принципы RISC
Развитие CISC привело к чрезмерному усложнению набора инструкций и самих процессоров. В результате появилась архитектура RISC, которая была разработана с целью упрощения инструкций и увеличения скорости их выполнения.
Основные характеристики RISC процессоров:
- Упрощённый набор инструкций: В RISC процессорах используется небольшой, фиксированный набор простых инструкций, каждая из которых выполняется за один цикл.
- Регистровая архитектура: RISC процессоры используют большое количество регистров, что позволяет хранить данные и уменьшает необходимость обращения к медленной оперативной памяти.
- Однотипный цикл выполнения инструкций: Каждая инструкция выполняется за один цикл, что упрощает конвейеризацию и увеличивает общую скорость выполнения программ.
- Сосредоточенность на программном обеспечении: Упрощение аппаратной части требует более сложного компилятора, который оптимизирует код для эффективного использования инструкций процессора.
Примеры RISC – чипы ARM, используемые в большинстве мобильных устройств, и MIPS, применяемые в различных встраиваемых системах.
Сравнение и современные тенденции
Исторически RISC и CISC представляли собой два разных подхода к дизайну процессоров, но с течением времени различия между ними начали стираться.
- Производительность и энергоэффективность: RISC процессоры обычно имеют более высокую производительность при меньшем энергопотреблении, благодаря упрощённому набору инструкций и однотипным циклам выполнения. Это делает их отличными решениями для мобильных и встраиваемых систем.
- Сложность и стоимость: CISC процессоры могут выполнять более сложные задачи с меньшим количеством инструкций. Однако они сложнее и дороже в производстве из-за более сложной логики и большего числа транзисторов.
- Гибридные подходы: Современные процессоры часто используют гибридный подход, комбинируя элементы RISC и CISC для достижения оптимального баланса между производительностью, энергоэффективностью и гибкостью.
Современные чипы всё чаще включают элементы обоих подходов, чтобы достичь наилучшего сочетания производительности и энергоэффективности, отвечая современным требованиям к вычислительным системам. С целью повышения производительности, многие CISC процессоры используют методы, характерные для RISC. С другой стороны, современные RISC процессоры могут поддерживать некоторые сложные инструкции для повышения эффективности выполнения определённых задач.
Общее описание и достоинства Apple M
Процессоры серии M не являются классическим CPU, но представляют собой систему на кристалле (SoC), интегрирующую множество компонентов на одном чипе для достижения высокой производительности и повышения энергоэффективности. Рассмотрим ключевые компоненты и принципы работы этих решений.
Архитектура процессора
Построенные на архитектуре ARM, чипы Apple M включают следующие основные компоненты:
- Центральный процессор (CPU): Состоит из нескольких высокопроизводительных ядер Firestorm для ресурсоёмких задач (компиляция кода, обработка видео) и нескольких энергоэффективных ядер Icestorm, берущих на себя простые задачи (просмотр веб-страниц, работа с текстом) и снижающих энергопотребление. Количество ядер зависит от модели процессора.
- Графический процессор (GPU): Встроенный графический процессор с несколькими ядрами обеспечивает высокую производительность при работе с графикой, играми и профессиональными приложениями. Поскольку GPU интегрирован в SoC, уменьшаются задержки и увеличивается общая эффективность.
- Neural Engine (NPU, маркетинговое название – ANE): Нейронный движок отвечает за ускорение выполнения задач, связанных с машинным обучением и искусственным интеллектом – обработки изображений, распознавания речи и других подобных действий.
- Унифицированная архитектура памяти (UMA): Все компоненты, включая CPU, GPU и Neural Engine, имеют доступ к общему пулу высокоскоростной оперативной памяти. Это позволяет быстрее передавать данные между компонентами и уменьшает задержки.
- Контроллеры и периферийные устройства: Интегрированы различные контроллеры, вроде Thunderbolt и USB 4, включены компоненты для обработки аудио, видео и др.
Конечно же, Apple не первая компания, компьютерные процессоры которой имеют графические ядра на одном кристалле с CPU. Но встроенные GPU никогда не отличались высокой производительностью, поскольку лишены выделенной видеопамяти и используют более медленную оперативную. К тому же разработчики избегали применять мощные ядра из-за риска перегрева. В случае же с Apple silicon, к услугам графического процессора производительная общая память, плюс компании удалось решить вопрос с чрезмерным тепловыделением.
Принципы работы и жесткая оптимизация
Основные принципы работы процессоров серии M заключаются в максимальной оптимизации производительности и энергоэффективности. Вот как это достигается:
- Конвейеризация: Инструкции обрабатываются в несколько этапов, выполняющихся параллельно, что увеличивает общую производительность CPU. Используется сложная конвейеризация для повышения скорости выполнения команд.
- Параллелизм: Высокая степень параллелизма достигается за счёт использования нескольких ядер CPU и GPU, что позволяет выполнять множество задач одновременно без значительных потерь производительности.
- Энергоэффективность: Архитектура ARM и продуманное распределение задач между высокопроизводительными и энергоэффективными ядрами позволили значительно снизить энергопотребление без ущерба для производительности. Например, Mac mini 2020 года с M1 потребляет 39 Вт при максимальной нагрузке, что заметно ниже 122 Вт у предыдущей версии Mac mini 2018 года с Intel i7.
- Интеграция компонентов: Интеграция всех ключевых компонентов на одном кристалле уменьшает задержки при передаче данных и повышает общую эффективность системы. Это позволяет справляться с задачами быстрее и с меньшими затратами энергии по сравнению с традиционными многокомпонентными системами.
- Оптимизация программного обеспечения: Apple тесно интегрирует аппаратное обеспечение с операционной системой macOS, что позволяет оптимизировать работу приложений и системы в целом. Это включает поддержку специализированных инструкций и оптимизаций для полного использования возможностей процессора.
Иными словами, достоинство Apple silicon заключается не в одном «волшебном ингредиенте», но в грамотном сочетании целого ряда интересных подходов. ARM-архитектура, объединённая память, производительные и энергоэффективные ядра, мощный графический процессор, специализированный нейронный движок и жёсткая оптимизация ПО позволили получить систему, демонстрирующую высокую производительности при отличных показателях энергоэффективности.
Но справедливости ради нужно отметить один момент – Apple не создаёт универсальные процессоры, которые можно было бы задействовать на разнородном железе. Жесткая оптимизация и небольшое количество устройств позволили компании получить отличное решение относительно «малой кровью». К тому же Apple фактически начинала с чистого листа, в то время, как Intel и AMD приходится нести с собой немалый багаж устаревших подходов и инструкций CISC, отказаться от которых они не могут из-за вопросов совместимости.
Недостатки Apple Silicon
Процессоры Apple M позволили значительно улучшить производительность и энергоэффективность устройств Apple. Однако, несмотря на множество несомненных достоинств, не обошлось и без недостатков.
С первых же дней главной сложностью была необходимость «подогнать под новые реалии» весь существующий софт. С момента появления первых процессоров прошло уже несколько лет, но до сих пор остаются проблемы совместимости, а выбор программного обеспечения имеет некоторые ограничения. Отсутствует и нативная поддержка Linux. И хотя ещё в 2021 году появился проект Asahi, призванный создать Linux для Apple silicon, работы в данном направлении предстоит ещё немало, пусть даже уже и достигнут определённый успех.
Есть проблемы и с отсутствием поддержки дискретных и внешних графических процессоров (eGPU). Это ограничивает возможности пользователей, которые полагаются на дополнительную графическую мощность для таких задач, как видеомонтаж, 3D-рендеринг и игры. В одном из интервью старший вице-президент Apple по разработке аппаратного обеспечения Джон Тернус (John Ternus) заявил, что в новых процессорах отсутствует поддержка дискретных GPU из-за того, что пока не существует хорошего способа использовать их в тандеме со встроенным GPU, а связано это с унифицированной архитектурой памяти – пример того, как сильная сторона может принести не только преимущества, но и проблемы.
На фоне этого несколько странно выглядит новейший Mac Pro, который имеет слоты расширения, но при этом в них нельзя устанавливать дополнительные видеокарты, по сути все сводится к сетевым картам и накопителям. Появилось даже предположение, что в подобной системе нуждаются не более 1% от всех пользователей Apple и компания выпустила её больше для того, чтобы окончательно избавиться от Intel и завершить переход, затянувшийся на 3 года вместо ожидаемых 2 лет. Большинство тех, кому требуется высокопроизводительный компьютер, прекрасно обойдутся Mac Studio – возможности этой системы действительно впечатляют.
С переходом на новую платформу сложности возникали и с некоторой другой периферией, вроде аудиоустройств. Но там всё обычно решалось созданием новых драйверов или оптимизацией ПО. В случае же с графикой проблема кроется куда глубже и тот же Тернус пока не видит способа, как её можно было бы эффективно разрешить. Может быть это произойдёт позднее. Или же возможности Apple silicon возрастут настолько, что отпадёт сама необходимость в дополнительных средствах.
Нельзя не упомянуть и о таком аспекте, как отсутствие апгрейда. Apple известна жёстким подходом к интеграции компонентов, что часто приводит к невозможности обновления или замены отдельных частей устройства. В случае с процессорами M-серии это означает, что пользователи по определению не могут увеличить объём оперативной памяти, интегрированной в сам чип. Это ограничивает возможности кастомизации и модернизации устройств после покупки. Разница же в стоимости моделей с различными характеристиками весьма ощутима.
Что включает в себя семейство Apple silicon
На сегодняшний день Apple silicon включает в себя уже целую россыпь самых разнообразных решений:
- Apple A – чипы, применяемые в iPhone, младших версиях iPad и Apple TV;
- Apple H – серия, специально разработанная для обработки звука, используемая в наушниках AirPods;
- Apple M – решения для ноутбуков, десктопов и топовых моделей планшетов;
- Apple R – специально разработанные для Apple Vision Pro чипы, ответственные за работу с выводом изображения и обработку данных от различных сенсоров гарнитуры;
- Apple S – чипы, положенные в основу часов Apple Watch;
- Apple U и W – предназначены для улучшения функциональности и пользовательского опыта, используемые в различных устройствах Apple.
Некогда существовали также и чипы серии T, использовавшиеся в ноутбуках и десктопах, отвечавшие за безопасность и обработку биометрической информации. Впоследствии такая функциональность была интегрирована в чипы М.
На начало 2024 года одна только серия A включала в себя уже 21 модель, от A4 (iPhone 4, iPad) до A17 Pro (iPhone 15 Pro). Пройден путь от 45 нм до 3 нм, на подходе процессоры с техпроцессом 2 нм и ниже (тайваньский производитель чипов TSMC обещает обеспечить подобные решения уже в 2025 году). Нет смысла описывать каждый из представленных чипов в отдельности, для этого потребуется уже целая энциклопедия, но в рамках статьи совершенно не лишним будет подробнее рассказать про некоторые различия в серии M.
Процессоры Apple M используются в ноутбуках MacBook Air и MacBook Pro, десктопах Mac mini, iMac и Mac Studio и Mac Pro, в планшетах iPad Air и iPad Pro, а также гарнитуре Vision Pro.
Полный список процессоров (актуальный на середину 2024 года) выглядит так:
- M1 – 8-ядерный CPU (4+4), 7 или 8-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 16 ГБ RAM;
- M1 Pro – 8 или 10-ядерный CPU (6+2 или 8+2), 14 или 16-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 32 ГБ RAM;
- M1 Max – 10-ядерный CPU (8+2), 24 или 32-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 64 ГБ RAM;
- M1 Ultra – 20-ядерный CPU (16+4), 48 или 64-ядерный GPU, 32-ядерный NPU, до 128 ГБ RAM.
- M2 – 8-ядерный CPU (4+4), 10-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 24 ГБ RAM;
- M2 Pro – 10 или 12-ядерный CPU (6+4 или 8+4), 16 или 19-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 32 ГБ RAM;
- M2 Max – 12-ядерный CPU (8+4), 30 или 38-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 96 ГБ RAM;
- M2 Ultra – 24-ядерный CPU (16+8), 60 или 76-ядерный GPU, 32-ядерный NPU, до 192 ГБ RAM.
- M3 – 8-ядерный CPU (4+4), 8 или 10-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 24 ГБ RAM;
- M3 Pro – 11 или 12-ядерный CPU (5+6 или 6+6), 14 или 18-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 36 ГБ RAM;
- M3 Max – 14 или 16-ядерный CPU (10+4 или 12+4), 30 или 40-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 128 ГБ RAM.
- M4 – 9 или 10-ядерный CPU (3+6 или 4+6), 10-ядерный GPU, 16-ядерный NPU, до 16 ГБ RAM.
Разница между процессорами Max и Pro заключается в количестве ядер, графической производительности, пропускной способности памяти и целевом назначении. Чипы версии Max предназначены для пользователей, которым требуются максимальные возможности, а Pro ориентированы на задачи средней сложности. Что же касается Ultra, то технически это два кристалла Max, объединённые при помощи технологии UltraFusion, в результате чего получается один очень мощный чип.
На момент написания статьи, M3 Ultra так и не был представлен. Причина этого не до конца ясна. Высказываются предположения, что компания работает над новым подходом, в котором серия Ultra перестанет быть просто объединением двух процессоров. Бытует также мнение, согласно которому, Apple не особо удовлетворена чипами M3, которые не дали особого прироста в производительности, при возросшей сложности производства. Высока вероятность того, что M3 Ultra никогда и не будет представлен, а компания полностью сосредоточится на M4.
Процессоры M4 были представлены 7 мая 2024 года – впервые в истории серии M презентация чипа прошла вместе с iPad Pro, а не с персональным компьютером. На момент написания статьи отсутствовала информация про более производительные Pro и Max, а представленная версия построена с бОльшим количеством ядер Icestorm, то есть явно больше заточена под мобильные устройства. «Перешагнув» через M3, компания обеспечила для iPad Pro значительный задел на будущее. Предыдущая модель топового планшета базировалась на M2 и при этом в App Store фактически не было приложений, способных исчерпать возможности данного процессора.
Ожидается, что Mac mini, iMac и MacBook Pro начнут получать чипы M4 уже в конце 2024 года и начале 2025 года. MacBook Air получит обновление M4 весной 2025 года, а Mac Studio будет обновлён уже в середине 2025 года. Что же касается Mac Pro, то эта система будет обновлена ближе к концу 2025 года.
Следует отметить, что более высокая цифра в названии версии не всегда означает безусловное преимущество перед всеми предыдущими решениями. Например, процессоры M2 превосходят по производительности M1, но при этом уступают M1 Pro, не говоря уже о Max или Ultra. Это справедливо и для старших версий.
Будущее Apple silicon
Будущее процессоров Apple silicon выглядит многообещающе. Apple продолжит увеличивать производительность и энергоэффективность своих чипов, внедряя улучшения в архитектуре и тактовой частоте с каждым новым поколением, такими как M3 и M4. Будущие процессоры будут включать более мощные нейронные движки, усиливая возможности в области искусственного интеллекта и машинного обучения.
Компания также будет стремиться к ещё более интегрированной экосистеме, оптимизируя взаимодействие между iPhone, iPad, Mac и Watch, для обеспечения более плавной и «бесшовной» работы. Ожидается значительное улучшение графической производительности, что важно для профессионалов, работающих с видеомонтажом и 3D-графикой, а также для геймеров – Apple прикладывает множество усилий к тому, чтобы избавить Mac от репутации «Вообще не подходит для игр».
Также вероятным сценарием выглядит то, что Apple в итоге откажется от деления на серии A и M, а все мобильные устройства и компьютеры компании будут работать на одних и тех же чипах, пусть даже и с разными характеристиками.
Что ждет архитектуру x86 в обозримом будущем
Появление Apple silicon и последовавший за тем успех этой платформы закономерно привели к целому ряду серьёзных изменений в компьютерном мире. Работать над ARM-чипами для ноутбуков и десктопов активно начали такие компании, как Qualcomm, AMD и Nvidia. Можно предположить, что уже в 2025 году в продаже появится целый ряд систем, основанных на «камнях» от этих производителей.
Не удивительно, что на фоне всего вышеописанного уже высказываются предположения о скорой смерти x86. Но действительно ли это так? Вероятнее всего, нет. Архитектура x86 останется важной частью мира вычислительной техники в ближайшие годы, хотя уже и не будет оказывать такого влияния на рынок в целом, как это было ещё несколько лет назад. Например, она сохранит лидерство в случаях, когда очень важны широкие возможности кастомизации – игровые системы, профессиональные рабочие станции и сервера. Не забываем также и про совместимость с существующим программным обеспечением, подчас узкоспециализированным и очень дорогим.
Однако, x86 предстоит адаптироваться к усиленной конкуренции со стороны ARM и других альтернативных архитектур. Её будущее будет определяться способностью Intel и AMD продолжать инновации, улучшать энергоэффективность, разрабатывать специализированные решения и сохранять совместимость с существующей экосистемой программного обеспечения. Рынок процессоров сегодня переживает очень серьёзные изменения и пока ещё рано делать какие-либо однозначные выводы. Но главное в том, что платформа Apple silicon начала процессы, от которых в конечном итоге выиграют все пользователи, включая и тех, которые даже и не планируют использовать Mac.