分析解读苹果自研Mac芯片M1，性能远超Intel
北京时间11月11日凌晨，苹果举行新品发布会，正式发布了首款针对mac电脑的自研芯片，即此前苹果公布的“apple silicon”，命名为m1。
与此同时，苹果还推出了三款搭载m1芯片的产品，分别是新一代的入门级笔记本macbookair、新款高端笔记本macbook pro、新款迷你版台式机mac mini。这三款产品的起售价分别为7999元、9999元和5299元，目前已经接受预订，下周发货。
早在今年6月的wwdc2020大会上，苹果就正式宣布了将针对旗下的mac电脑产品推出基于arm架构的全新自研芯片，并在两年内逐步替代x86架构的英特尔处理器的计划。
那么接下来我们就来看看，苹果针对mac电脑的首款定制芯片m1到底有多强。
160亿个晶体管
首先，苹果m1芯片似乎并不是a14的简单升级版，虽然都是基于台积电的5nm工艺打造，但是m1拥有高达160亿个晶体管，相比之前的a14的118亿个晶体管提升了约35.6%，同时也高于麒麟9000的153亿个晶体管。
8核cpu：性能及能效远超英特尔x86 cpu
在cpu部分，m1芯片集成了8个核心，包括4个高性能大核心和4个高效能小核心，不过主频并未公布，官方称8个cpu核心可混合运行以协助处理多线程任务。而此前的a14则只有两个高性能大核心。
苹果还表示其m1的大核是目前最强大的内核，性能相比上一代基于intel处理器的macbook air提升了3.5倍，能带来极强的性能，在多个应用场景下均有出色表现。
那么苹果是如何实现其m1芯片在cup性能上的巨大提升的呢？
众所周知，苹果是目前为数不多的拥有基于arm指令集自主设计移动处理器能力的智能手机厂商，即便是三星在推出几代的自研猫鼬cpu内核之后，最终还是放弃了。可以说，在自研移动cpu内核方面，苹果的技术实力甚至要强于高通。
早在2013年，苹果就推出了全球首款基于64位的armv8指令集的移动处理器——苹果a7，并首发应用于iphone 5s上。相比之下，首款基于arm的首个64位cpu内核cortex-a57的处理器直到2014年才正式推出。
而当时苹果a7的cpu内核采用的则是苹果自研的“cyclone”微架构，苹果也将其称之为“桌面级架构”。或许从那时起，苹果就已经开始决定在未来某个时间点，将其自研cpu推向桌面级mac产品。
根据anandtech报道称，苹果今年推出的a14处理器的大核cpu采用了全新的“firestorm”微架构，其拥有高达8个宽度的解码块，目前仅有ibm power10中的p10内核拥有这样的解码器设计。相比之下，目前英特尔的x86 cpu仍然只采用4-wide的解码器设计，arm最新的cortex-x1内核也只有5-wide解码器设计。此外，firestorm还具有极强的乱序执行能力。
anandtech通过分析苹果公布的m1芯片内部结构图后，认为苹果m1芯片的大核心依然是firestorm微架构，不过m1的四个firestorm内核的二级缓存升级到了12mb，相比之下a14仅有8mb的二级缓存。另外，m1的icestorm小核心可能也已经进行了大的修改。
△苹果m1内部结构图
△苹果a14内部结构图
苹果表示m1小核心在保证基本性能的同时，能耗却只有前代的十分之一，可高效处理轻量级任务。
而大小核心的协同工作，不仅保证了整体的cpu性能，还提供了绝佳的能效比。苹果表示，相比2012年时的mac产品所搭载的处理器，m1芯片的cpu能效比已经提升了3倍。
根据苹果展示的ppt显示，在10w的功耗限制下，m1芯片可提供传统x86笔记本处理器2倍以上的cpu性能。
8核gpu，性能达竞品两倍
早在2017年苹果就曾宣布将在未来两年内停止使用imagination的gpu，转而采用自研的gpu。不过此后几年在自研gpu上，苹果的进展似乎并不顺利，或许研发遇到了问题，又或是因为难以避开imagination的相关专利，今年1月，苹果与imagination重新达成了新的多年的专利授权协议。在此背景之下，全新的m1芯片的gpu性能也是值得期待。
苹果m1配备了8核心的gpu，相比a14的gpu核心数量提升了一倍，再加上5nm工艺的加持，苹果表示，m1的gpu兼顾了性能和能效，可能是世界最强的集显，不论是剪辑还是播放多个全画质4k 视频流等重负载也没有什么压力。
根据苹果公布的数据显示，在同等功耗下，m1的gpu性能是其他最新推出的笔记本芯片的gpu性能的两倍，而在同等性下，m1的功耗只有其他笔记本电脑芯片的1/3。
16核npu，算力11tops
苹果m1芯片还集成了与a14一样的16核的神经网络处理器（npu），不过算力只有11tops，相比之下a14的npu的算力则达到了11.8 tops。不知道苹果是处于何种考虑，降低了m1的npu的算力？不过，这一点完全可以通过cpu和gpu性能的大幅提升来弥补。
苹果表示，得益于m1强大的人工智能算力，搭载m1芯片的产品可以轻松的识别照片和视频中的家人和朋友，理解自然的语音来进行听写，甚至通过分析音频来识别笑声、掌声等。
16gb的片上dram
此外，m1芯片还内置了高达16gb的具有高带宽、低延迟特性的片上统一内存体系架构，可以让各种应用能在cpu、gpu和npu间高效地共享数据，无需分别去外部的内存芯片读取，从而可以更快速的处理各种任务。
m1处理器加持，mac产品性能及续航成倍提升
具体到产品上，苹果表示，搭载m1的新款macbook air的cpu性能是上一代基于英特尔处理的macbook air的3.5倍，gpu则提升了5倍，机器学习性能提升也提升了9倍。苹果称其整体性能超过了98%的pc笔记本。
而基于m1芯片的新款mac mini，较上一代基于英特尔处理器的mac mini，在cpu性能上提升了3倍，gpu性能提升了6倍，机器学习性能提升了15倍。整体性能相比其他最畅销的pc性能高出了5倍，但体积只有它们的1/10。
从跑分来看，根据此前网上曝光的疑似搭载m1处理器的设备的geekbench 5跑分显示，m1的单核基准测试得分为1634，多核基准测试得分为7220。作为对比，a14单核基准测试得分1583，多核基准测试得分为4198；配备intel core i9处理器的16英寸macbook pro，单核基准测试得分1096，多核基准测试得分为6869。从跑分结果来看，m1的性能已经超过了intel core i9（酷睿i9-9880）处理器。
在具体的应用的性能提升上，苹果表示，配备m1芯片的全新macbook air在final cut pro、xcode、logic pro、adobe lightroom等专业生产力软件中，性能都有显著的提升。
比如final cut pro的转码速度最高提升了3.9倍；
xcode的项目构建速度最快提升了3.6倍；
logic pro的amp designer插件数量可增至2.5倍；
adobe lightroom的图像导出速度最快提升了2.3倍。
苹果公司软件工程高级副总裁craig federighi还表示，基于m1芯片的mac，运行javascript的速度提升了1.5倍，响应速度快了1.0倍。
在续航方面，得益于m1的高能效特性，其电池寿命也相比上一代的macbook提升了2倍。苹果表示全新macbook air续航可长达18小时，全新macbook pro 13续航更是破纪录达到了20小时。可让用户不接电源的情况下，移动办公时间更加持久。此外，更高的芯片能耗比，还意味着实现同样的性能所带来的发热量更低，因此全新的macbook air可以再次回归无风扇设计，做到高性能与低噪音兼顾。
软硬件的大一统
从首款采用自研芯片的iphone 4开始，苹果就一直在推动软硬件跨平台的大一统。此前iphone、ipad、apple watch等产品都采用的是基于arm架构苹果自研芯片，及苹果自己系统。但唯独在苹果的mac电脑上，依然采用的是基于x86架构的intel处理器。由于底层硬件的不同，也使得苹果在系统软件生态上产生了割裂，移动设备上是一套硬件和软件系统，mac产品上是一套硬件和软件系统。
而随着苹果自研mac芯片的推出，将进一步提升苹果整体的软硬件一体化的优化整合能力。使得苹果的iphone、ipad、mac等产品都将基于同样的arm芯片架构，从而使得的外围硬件生态可以共享，更为关键的是，这也将彻底打通iphone、ipad、mac的系统软件生态，在mac电脑上同时运行iphone和ipad软件将不再是问题。
在此前的wwdc2020大会上，苹果就曾表示，开发人员还可以在基于其自研处理器的mac产品上正常使用ios和ipados应用程序，而无需进行任何修改。新推出的macos big sur系统也已经可以平稳、无缝地过渡到苹果mac芯片。
而为了让开发者能将原来运行在x86架构intel芯片之上的mac应用，更轻松的适配苹果自研的mac处理器，苹果还提供了一系列的工具。比如，可帮助开发者构建同时能在x86和arm架构芯片上运行的应用的universal 2，可以自动将为英特尔处理器编写的指令转译苹果arm芯片可以理解的指令，使得苹果arm芯片直接能运行原x86平台应用程序rosetta 2。
在今天的发布会上，苹果表示，目前基于m1芯片的mac产品已经可以运行各种苹果原生应用。m1芯片还将在下个月支持lightroom，明年支持photoshop。所有应用在m1芯片上运行非常流畅，渲染效果也很出色。
可以预见的是，随着m1的顺利推出，并成功在mac产品上应用，苹果利用自研mac芯片替代英特尔x86处理器的计划或将进一步提速，可能用不到两年就会全部完成替换。毕竟，凭借苹果自身强大的出货能力，自研的mac芯片的成本要远低于采购英特尔处理器的成本。
责编ajx
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采用多方向天线阵列技术实现微带阵列天线的设计
通俗讲解C语言的指针应用
与此同时，苹果还推出了三款搭载m1芯片的产品，分别是新一代的入门级笔记本macbookair、新款高端笔记本macbook pro、新款迷你版台式机mac mini。这三款产品的起售价分别为7999元、9999元和5299元，目前已经接受预订，下周发货。
早在今年6月的wwdc2020大会上，苹果就正式宣布了将针对旗下的mac电脑产品推出基于arm架构的全新自研芯片，并在两年内逐步替代x86架构的英特尔处理器的计划。
那么接下来我们就来看看，苹果针对mac电脑的首款定制芯片m1到底有多强。
160亿个晶体管
首先，苹果m1芯片似乎并不是a14的简单升级版，虽然都是基于台积电的5nm工艺打造，但是m1拥有高达160亿个晶体管，相比之前的a14的118亿个晶体管提升了约35.6%，同时也高于麒麟9000的153亿个晶体管。
8核cpu：性能及能效远超英特尔x86 cpu
在cpu部分，m1芯片集成了8个核心，包括4个高性能大核心和4个高效能小核心，不过主频并未公布，官方称8个cpu核心可混合运行以协助处理多线程任务。而此前的a14则只有两个高性能大核心。
苹果还表示其m1的大核是目前最强大的内核，性能相比上一代基于intel处理器的macbook air提升了3.5倍，能带来极强的性能，在多个应用场景下均有出色表现。
那么苹果是如何实现其m1芯片在cup性能上的巨大提升的呢？
众所周知，苹果是目前为数不多的拥有基于arm指令集自主设计移动处理器能力的智能手机厂商，即便是三星在推出几代的自研猫鼬cpu内核之后，最终还是放弃了。可以说，在自研移动cpu内核方面，苹果的技术实力甚至要强于高通。
早在2013年，苹果就推出了全球首款基于64位的armv8指令集的移动处理器——苹果a7，并首发应用于iphone 5s上。相比之下，首款基于arm的首个64位cpu内核cortex-a57的处理器直到2014年才正式推出。
而当时苹果a7的cpu内核采用的则是苹果自研的“cyclone”微架构，苹果也将其称之为“桌面级架构”。或许从那时起，苹果就已经开始决定在未来某个时间点，将其自研cpu推向桌面级mac产品。
根据anandtech报道称，苹果今年推出的a14处理器的大核cpu采用了全新的“firestorm”微架构，其拥有高达8个宽度的解码块，目前仅有ibm power10中的p10内核拥有这样的解码器设计。相比之下，目前英特尔的x86 cpu仍然只采用4-wide的解码器设计，arm最新的cortex-x1内核也只有5-wide解码器设计。此外，firestorm还具有极强的乱序执行能力。
anandtech通过分析苹果公布的m1芯片内部结构图后，认为苹果m1芯片的大核心依然是firestorm微架构，不过m1的四个firestorm内核的二级缓存升级到了12mb，相比之下a14仅有8mb的二级缓存。另外，m1的icestorm小核心可能也已经进行了大的修改。
△苹果m1内部结构图
△苹果a14内部结构图
苹果表示m1小核心在保证基本性能的同时，能耗却只有前代的十分之一，可高效处理轻量级任务。
而大小核心的协同工作，不仅保证了整体的cpu性能，还提供了绝佳的能效比。苹果表示，相比2012年时的mac产品所搭载的处理器，m1芯片的cpu能效比已经提升了3倍。
根据苹果展示的ppt显示，在10w的功耗限制下，m1芯片可提供传统x86笔记本处理器2倍以上的cpu性能。
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早在2017年苹果就曾宣布将在未来两年内停止使用imagination的gpu，转而采用自研的gpu。不过此后几年在自研gpu上，苹果的进展似乎并不顺利，或许研发遇到了问题，又或是因为难以避开imagination的相关专利，今年1月，苹果与imagination重新达成了新的多年的专利授权协议。在此背景之下，全新的m1芯片的gpu性能也是值得期待。
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根据苹果公布的数据显示，在同等功耗下，m1的gpu性能是其他最新推出的笔记本芯片的gpu性能的两倍，而在同等性下，m1的功耗只有其他笔记本电脑芯片的1/3。
16核npu，算力11tops
苹果m1芯片还集成了与a14一样的16核的神经网络处理器（npu），不过算力只有11tops，相比之下a14的npu的算力则达到了11.8 tops。不知道苹果是处于何种考虑，降低了m1的npu的算力？不过，这一点完全可以通过cpu和gpu性能的大幅提升来弥补。
苹果表示，得益于m1强大的人工智能算力，搭载m1芯片的产品可以轻松的识别照片和视频中的家人和朋友，理解自然的语音来进行听写，甚至通过分析音频来识别笑声、掌声等。
16gb的片上dram
此外，m1芯片还内置了高达16gb的具有高带宽、低延迟特性的片上统一内存体系架构，可以让各种应用能在cpu、gpu和npu间高效地共享数据，无需分别去外部的内存芯片读取，从而可以更快速的处理各种任务。
m1处理器加持，mac产品性能及续航成倍提升
具体到产品上，苹果表示，搭载m1的新款macbook air的cpu性能是上一代基于英特尔处理的macbook air的3.5倍，gpu则提升了5倍，机器学习性能提升也提升了9倍。苹果称其整体性能超过了98%的pc笔记本。
而基于m1芯片的新款mac mini，较上一代基于英特尔处理器的mac mini，在cpu性能上提升了3倍，gpu性能提升了6倍，机器学习性能提升了15倍。整体性能相比其他最畅销的pc性能高出了5倍，但体积只有它们的1/10。
从跑分来看，根据此前网上曝光的疑似搭载m1处理器的设备的geekbench 5跑分显示，m1的单核基准测试得分为1634，多核基准测试得分为7220。作为对比，a14单核基准测试得分1583，多核基准测试得分为4198；配备intel core i9处理器的16英寸macbook pro，单核基准测试得分1096，多核基准测试得分为6869。从跑分结果来看，m1的性能已经超过了intel core i9（酷睿i9-9880）处理器。
在具体的应用的性能提升上，苹果表示，配备m1芯片的全新macbook air在final cut pro、xcode、logic pro、adobe lightroom等专业生产力软件中，性能都有显著的提升。
比如final cut pro的转码速度最高提升了3.9倍；
xcode的项目构建速度最快提升了3.6倍；
logic pro的amp designer插件数量可增至2.5倍；
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苹果公司软件工程高级副总裁craig federighi还表示，基于m1芯片的mac，运行javascript的速度提升了1.5倍，响应速度快了1.0倍。
在续航方面，得益于m1的高能效特性，其电池寿命也相比上一代的macbook提升了2倍。苹果表示全新macbook air续航可长达18小时，全新macbook pro 13续航更是破纪录达到了20小时。可让用户不接电源的情况下，移动办公时间更加持久。此外，更高的芯片能耗比，还意味着实现同样的性能所带来的发热量更低，因此全新的macbook air可以再次回归无风扇设计，做到高性能与低噪音兼顾。
软硬件的大一统
从首款采用自研芯片的iphone 4开始，苹果就一直在推动软硬件跨平台的大一统。此前iphone、ipad、apple watch等产品都采用的是基于arm架构苹果自研芯片，及苹果自己系统。但唯独在苹果的mac电脑上，依然采用的是基于x86架构的intel处理器。由于底层硬件的不同，也使得苹果在系统软件生态上产生了割裂，移动设备上是一套硬件和软件系统，mac产品上是一套硬件和软件系统。
而随着苹果自研mac芯片的推出，将进一步提升苹果整体的软硬件一体化的优化整合能力。使得苹果的iphone、ipad、mac等产品都将基于同样的arm芯片架构，从而使得的外围硬件生态可以共享，更为关键的是，这也将彻底打通iphone、ipad、mac的系统软件生态，在mac电脑上同时运行iphone和ipad软件将不再是问题。
在此前的wwdc2020大会上，苹果就曾表示，开发人员还可以在基于其自研处理器的mac产品上正常使用ios和ipados应用程序，而无需进行任何修改。新推出的macos big sur系统也已经可以平稳、无缝地过渡到苹果mac芯片。
而为了让开发者能将原来运行在x86架构intel芯片之上的mac应用，更轻松的适配苹果自研的mac处理器，苹果还提供了一系列的工具。比如，可帮助开发者构建同时能在x86和arm架构芯片上运行的应用的universal 2，可以自动将为英特尔处理器编写的指令转译苹果arm芯片可以理解的指令，使得苹果arm芯片直接能运行原x86平台应用程序rosetta 2。
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可以预见的是，随着m1的顺利推出，并成功在mac产品上应用，苹果利用自研mac芯片替代英特尔x86处理器的计划或将进一步提速，可能用不到两年就会全部完成替换。毕竟，凭借苹果自身强大的出货能力，自研的mac芯片的成本要远低于采购英特尔处理器的成本。
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