上周，蘋果公司發(fā)布了基于他們新Apple Silicon M1 SoC芯片打造新Mac產(chǎn)品，這個新聞在行業(yè)內(nèi)引起了轟動，因為這標(biāo)志著蘋果正式開啟了從Intel的x86 CPU過渡到該公司自己基于Arm架構(gòu)設(shè)計的內(nèi)部產(chǎn)品的兩年計劃第一步。
在發(fā)布會期間，我們根據(jù)該公司已經(jīng)發(fā)布的Apple A14芯片（在新一代iPhone 12手機(jī)中使用）撰寫了一篇詳盡的文章，當(dāng)中包括對Apple的新Firestorm內(nèi)核的微體系結(jié)構(gòu)的深入研究，這些內(nèi)核同時為A14和新的Apple Silicon M1提供動力，如果您還沒有機(jī)會看的話，我建議您閱讀《深度解讀蘋果M1芯片》。
幾天以來，我們已經(jīng)能夠接觸到首批Apple Silicon M1設(shè)備之一：全新的Mac mini 2020版本。在上周的分析文章中，我們基于A14得出了數(shù)字，而這次，我們根據(jù)實際的新高功率設(shè)計測量了實際性能。我們沒有很多時間，但是我們將為您帶來與新的Apple Silicon M1相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點。
Apple Silicon M1：Firestorm內(nèi)核的3.2GHz和約20-24W TDP？
在Apple的演示文稿中，缺少芯片時鐘頻率的實際細(xì)節(jié)以及可以保持最高性能的TDP是他們的一貫風(fēng)格。
但我們可以確認(rèn)，在單線程工作負(fù)載中，Apple的Firestorm內(nèi)核現(xiàn)在的時鐘頻率為3.2GHz，比Apple A14的3GHz頻率提高了6.66％。只要有散熱空間，此時鐘也適用于所有內(nèi)核負(fù)載，除了4個3.2GHz性能內(nèi)核以外，我們在2064MHz處還可以看到4個Thunde效率內(nèi)核，這也比A14上的1823MHz高出很多。
除了四個高性能的Firestorm核心之外，M1還包括四個Icestorm核心，旨在降低閑置功率并提高電池供電情境下的電源效率。4個性能內(nèi)核和4個效率內(nèi)核都可以同時激活，這意味著這是8內(nèi)核SoC，盡管所有內(nèi)核的性能吞吐量并不相同。
發(fā)布會期間最大的問題是這些設(shè)計的功耗。蘋果已經(jīng)提供了包括性能和功率軸在內(nèi)的幾張圖表，但是我們?nèi)狈Ρ容^數(shù)據(jù)來得出正確的結(jié)論。
由于我們可以使用Mac mini而不是Macbook，因此這意味著設(shè)備上的功率測量非常簡單，因為我們只需將儀表連接到設(shè)備的AC輸入即可。值得一提的是，由于我們在這里測量的是交流電源，因此功率數(shù)字不能直接與電池供電的設(shè)備相提并論，因為Mac mini的電源會帶來比其他設(shè)備更大的效率損失。
尤其重要的是要記住，我們通常談到的處理器中的TDP數(shù)實際上只是此處提供的數(shù)字的一個子集，因為除了SoC，我們還在測量DRAM和電壓調(diào)節(jié)開銷，而這并不是包含在TDP數(shù)據(jù)中，也不包括筆記本電腦上的典型封裝電源讀數(shù)。
從空閑的Mac mini處于默認(rèn)狀態(tài)開始，我們把打開電源后的設(shè)備看作空閑狀態(tài)，在通過HDMI連接到2560p144顯示器，Wi-Fi 6和鼠標(biāo)和鍵盤，我們看到的設(shè)備總功率為4.2W。鑒于我們正在測量設(shè)備的交流電源，這在低負(fù)載下可能效率很低，這在很大程度上是有意義的，并且代表了一個很好的數(shù)字。
該閑置數(shù)據(jù)還用作后續(xù)測量的基準(zhǔn)，在這些測量中我們計算“有功功率”（active power），這意味著我們通常采用的方法是測量總功率并減去閑置功率。
在3.2GHz Firestorm內(nèi)核上的平均單線程工作負(fù)載（例如GCC代碼編譯）期間，我們看到設(shè)備功率高達(dá)10.5W，有功功率約為6.3W。有功功率與我們對更高頻率的Firestorm內(nèi)核的期望非常一致，并且對于Apple和M1來說是極有希望的。
在工作量更大的DRAM上，從而在Mac mini上的LPDDR4X級128位16GB DRAM上造成更大的功率損失，我們看到有功功率高達(dá)10.5W。有了這些數(shù)據(jù)，新的M1可能會給人留下深刻的印象，并且其展示能力還不到高端英特爾移動CPU的三分之一。
在多線程方案中，電源高度依賴于工作負(fù)載。在CPU利用率不高的內(nèi)存密集型工作負(fù)載中，我們看到有功功率為18W，平均工作負(fù)載約為22W，在計算繁重的工作負(fù)載中峰值約為27W。這些數(shù)字通常是您希望與其他平臺的“ TDP”進(jìn)行比較的數(shù)字，盡管要再次進(jìn)行比較，您需要進(jìn)一步減去一些在Mac mini上測算的開銷。最好的猜測是20至24W的范圍。
最后，在GPU方面，我們看到GFXBench Aztec High的功耗降低了17.3W。這將包含大量的DRAM功耗，因此Apple GPU的功耗絕對是極低的功耗，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CPU可以消耗的峰值功率。
存儲差異
除了CPU和GPU上的其他內(nèi)核外，M1與A14的主要區(qū)別還在于它運行在128位內(nèi)存總線上，而不是在移動64位總線上。在8個16位內(nèi)存通道和LPDDR4X-4266級內(nèi)存中，這意味著M1達(dá)到了68.25GB / s的內(nèi)存帶寬峰值。
在內(nèi)存延遲方面，我們發(fā)現(xiàn)M1較之A14（預(yù)期的）減少了，在128MB完全隨機(jī)測試深度（full random test depth）下測量為96ns，而在A14上為102ns。
還需要注意的是性能核心的12MB L2緩存，盡管在這里蘋果似乎仍在對單個核心可使用的數(shù)量進(jìn)行分區(qū)，因為我們?nèi)匀豢吹?MB之后的延遲有所增加。
M1還包含一個較大的SLC緩存，芯片上的所有IP塊都應(yīng)可以訪問該緩存，但我們不確定。不給過測試結(jié)果的確與A14相似，因此我們假設(shè)這是SoC上類似的16MB緩存塊，因為某些訪問模式超出了A14的訪問范圍，這在一定程度上是合理的較大的L2。
我們從未真正有機(jī)會進(jìn)行測試的一個方面就是，蘋果的核心在內(nèi)存帶寬方面到底有多出色。在M1內(nèi)部，結(jié)果是突破性的：一次Firestorm可以實現(xiàn)高達(dá)58GB / s的內(nèi)存讀取速度，而內(nèi)存寫入速度則為33-36GB / s。最重要的是，根據(jù)您使用的是標(biāo)量指令還是矢量指令，內(nèi)存副本（memory copies）的傳輸速度可以高達(dá)60至62GB / s。單個Firestorm內(nèi)核幾乎可以使內(nèi)存控制器飽和的事實令人震驚，因為這是我們以前在設(shè)計中從未見過的。
因為一個內(nèi)核幾乎可以利用整個內(nèi)存帶寬，所以讓多個內(nèi)核同時訪問事物實際上并不會增加系統(tǒng)帶寬，但是實際上由于擁塞會降低有效實現(xiàn)的總帶寬。當(dāng)在內(nèi)存副本（memory copies）中同時使用性能核心和效率核心時，我特別指出了這一點——4個大核心以59GB / s的內(nèi)存副本（memory copies）達(dá)到峰值，但是一旦添加了效率核心，它就會降至49GB / s，當(dāng)所有內(nèi)核都處于活動狀態(tài)時，速度可降至46GB / s，這表明系統(tǒng)中某處中存在瓶頸。
除了增加時鐘速度，增加L2之外，這種內(nèi)存提升還很有可能是M1區(qū)別于A14之外的另一個關(guān)鍵點，并讓其有能力與現(xiàn)有的x86廠商的競爭。
基準(zhǔn)測試
由于我們使用Mac mini的時間很少，而且這不僅是一個macOS系統(tǒng)，而且是一個新的基于Arm64的macOS系統(tǒng)，因此我們無法使用我們通常使用的基準(zhǔn)測試。在發(fā)布時，我們已經(jīng)進(jìn)行了各種可用的測試，以使我們對性能有一個大致的了解：
Cinebench是在macOS和Apple Silicon上初露頭角的一個特定基準(zhǔn)。在基于Cinema4D的首次基準(zhǔn)測試中，我們看到蘋果M1與市場上大部分的x86 CPU相比，擁有相當(dāng)大的優(yōu)勢，但輸給了Zen3和Tiger Lake CPU，后者似乎仍然具有優(yōu)勢。
值得注意的是，在x86模式下，Rosetta2基準(zhǔn)測試的性能不僅能夠跟上過去的Mac，而且還能勝過它們。
在多線程R23運行中，M1版本Mac具有絕對的領(lǐng)先優(yōu)勢。值得一提的是，我們正在嘗試訪問其他系統(tǒng)以收集更多數(shù)據(jù)，并希望進(jìn)一步更新圖表。
在瀏覽器基準(zhǔn)測試中，Apple的CPU占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是人們懷疑這是由于iPhone的CPU本身，還是僅歸因于瀏覽器和瀏覽器引擎。現(xiàn)在可以在macOS和桌面Safari上運行，并且能夠?qū)?shù)據(jù)與其他Intel Mac系統(tǒng)進(jìn)行比較，我們可以得出這樣的結(jié)論：性能優(yōu)勢歸功于Apple的CPU設(shè)計。
Web瀏覽性能似乎是Apple CPU的頭等大事，這是有道理的，因為它是移動SoC的殺手級工作量，也是日常生活中使用最多的工作量。
在Geekbench 5中，M1再次表現(xiàn)出色，因為它實際上領(lǐng)先于我們的性能數(shù)據(jù)。即使在以x86兼容模式運行時，M1與上一代高端CPU的頂級單線程性能相比不相伯仲，并且大大超過了Mac mini和Macbook的先前版本。
多線程性能取決于設(shè)計的內(nèi)核數(shù)和功耗效率。M1在這里輸給了2017年的15英寸Macbook Pro，它使用的Intel i7-7820HQ具有4核和8線程，得分翻倍。在收集數(shù)據(jù)點時，我們將添加更多的數(shù)據(jù)點。
M1 GPU性能：集成王者，獨立CPU的競爭對手
從Intel切換到Apple芯片上，重點主要應(yīng)該放在CPU內(nèi)核上，對此，我們有充分的理由，但M1在GPU方面的表示不容忽視。像他們的CPU內(nèi)核一樣，蘋果已經(jīng)開發(fā)了自己的GPU技術(shù)已有多年了，隨著向Apple Silicon的轉(zhuǎn)變，這些GPU設(shè)計也首次出現(xiàn)在Mac上。從性能的角度來看，這帶來的蓋板邊比蘋果的CPU還要大。
蘋果公司長期以來一直以要求GPU性能優(yōu)于一般PC OEM廠商而聞名。盡管許多英特爾合作伙伴都很樂意甚至在部分15英寸筆記本電腦中都配備了具有Intel UHD圖形和其他基準(zhǔn)解決方案的系統(tǒng)，但蘋果公司選擇在其15英寸MacBook Pro中交付獨立的GPU。而且，當(dāng)他們無法在13英寸型號中安裝獨立GPU時，他們將Intel的高級Iris GPU配置與更大的GPU和片上eDRAM緩存結(jié)合使用，從而成為這些功能更強(qiáng)大的芯片的唯一常規(guī)客戶。
因此，一段時間以來，蘋果一直希望獲得比英特爾默認(rèn)提供的更好的GPU性能。通過切換到自己的芯片，Apple最終可以通過建立具有他們想要的所有GPU性能的筆記本電腦SoC來賺錢。
同時，與向Apple Silicon過渡的CPU方面不同，圖形編程的高級性質(zhì)意味著Apple幾乎不依賴于開發(fā)人員，就可以立即準(zhǔn)備通用應(yīng)用程序以利用Apple的GPU?？梢钥隙ǖ氖?，原生的CPU代碼仍將產(chǎn)生更好的結(jié)果，因為幾乎沒有人聽說過純粹受GPU限制的工作負(fù)載，但是現(xiàn)有的Metal（甚至OpenGL）代碼現(xiàn)在可以在Apple的GPU上運行，這意味著它立即使所有游戲和其他受GPU約束的工作負(fù)載受益。
至于M1 SoC的GPU，毫不奇怪，它看起來很像A14的GPU。但蘋果對設(shè)計進(jìn)行了一些調(diào)整，以適應(yīng)Mac的敏感性（例如，各種GPU紋理和表面格式），但總的來說，差異是在API級別上抽象出來的。
總體而言，隨著M1達(dá)到A14但更大，Apple已將其4核GPU設(shè)計從該SoC擴(kuò)展到了M1的8核。但與CPU時鐘速度相比，我們對GPU時鐘速度的了解甚至更少。
因此，目前尚不清楚蘋果是否真的提高了這些速度；但是如果GPU時鐘沒有提高，我會感到有些驚訝。總體而言，按照智能手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，A14的4核GPU設(shè)計已經(jīng)非常強(qiáng)大，因此8核設(shè)計就更是如此。M1的集成GPU不僅旨在超越AMD和Intel的集成GPU，他們甚至還瞄準(zhǔn)了獨立GPU。
最后，應(yīng)該指出的是，Apple為M1提供了兩種不同的GPU配置。Mac Mini和MacBook Pro的芯片均啟用了所有8個GPU內(nèi)核。同時，對于Macbook Air，它取決于SKU：入門級型號具有7核配置，而更高級別的型號具有8核。這意味著入門級Air可獲得最弱的GPU（比完整的M1落后約12％）。
讓我們開始了解GPU性能，讓我們從GFXBench 5.0開始。這也是我們筆記本電腦評測的常規(guī)基準(zhǔn)之一，因此它為我們提供了一個很好的機(jī)會，將基于M1的Mac Mini與Mac生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)外的各種其他CPU / GPU組合進(jìn)行比較。
總體而言，這并不是一個完全公平的測試，因為Mac Mini是小型臺式機(jī)，而不是筆記本電腦，但是由于M1是筆記本電腦專用芯片，因此至少可以使我們了解M1在達(dá)到最佳狀態(tài)時的性能。
總體而言，M1的GPU在這里非常強(qiáng)大。在正常和高設(shè)置下，它都遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他集成GPU，甚至是獨立的Radeon RX 560X。只有到了NVIDIA的GTX 1650更強(qiáng)的GPU時，M1才漸落下風(fēng)。
順便說一句，我還通過Rosetta自由運行了基準(zhǔn)測試的x86版本，以了解性能損失。至少在GFXBenchAztec Ruins中沒有。GPU的性能與本機(jī)二進(jìn)制文件和二進(jìn)制轉(zhuǎn)換幾乎完全相同。
最后，我們以完全愚蠢的合成基準(zhǔn)快速瀏覽了更廣闊的領(lǐng)域，我們有了3DMark Ice Storm Unlimited。由于Apple Silicon Macs能夠運行iPhone / iPad應(yīng)用程序，因此我們能夠通過運行iOS版本首次在Mac上運行此基準(zhǔn)測試。這是為OpenGL ES 2.0時代建立的非常古老的基準(zhǔn)，但有趣的是它的性能甚至比GFXBench好。Mac Mini的性能恰好足以滑過配備GTX 1650的筆記本電腦，盡管這不會經(jīng)常發(fā)生，但它顯示了M1的強(qiáng)大功能。
為蘋果新Mac的發(fā)布而更新的另一個GPU基準(zhǔn)是BaseMark GPU。這不是我們的常規(guī)基準(zhǔn)測試，因此我們手頭上沒有其他非Mac筆記本電腦的分?jǐn)?shù)，但是它使我們可以更進(jìn)一步地了解M1與其他Mac GPU產(chǎn)品的比較。
2020年的Mac Mini仍然領(lǐng)先宇2018年基于Intel的Mac Mini，就此而言，它也比配備Radeon Pro 560的2017年MacBook Pro至少快50％。當(dāng)然，較新的MacBook Pro會做得更好，但是請記住，這是一個集成的GPU，整個芯片比MacBook Pro的CPU消耗的功率更少，因此不必?fù)?dān)心獨立的GPU。
最后，將理論付諸實踐，我們有了《Rise of the Tomb Raider》。該游戲于2016年發(fā)布，具有適當(dāng)?shù)腗ac端口和內(nèi)置基準(zhǔn)，使我們能夠在游戲場景中查看M1并將其與其他Windows筆記本電腦進(jìn)行比較。誠然，這款游戲的年齡稍大一些，但其性能要求與M1旨在提供的性能非常匹配。最后，應(yīng)該指出的是，這是x86游戲，尚未移植到Arm上，因此游戲的CPU端通過Rosetta運行。
在我們的768p Value設(shè)置下，Mac Mini在這里提供了超過60fps的速度。它再次大大領(lǐng)先于2018年基于Intel的Mac Mini以及該堆棧中的所有其他集成GPU。即使是15英寸的MBP及其Radeon Pro 560仍然落后于Mac Mini 25％以上，Ryzen筆記本電腦和Radeon 560X最終要與Mac Mini保持一致。
同時，通過“發(fā)燒友”設(shè)置將事情提高到1080p時，發(fā)現(xiàn)基于M1的Mac Mini仍提供不到40fps的速度，并且比上述Ryzen + 560X系統(tǒng)高出20％以上。這確實使Mini遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于GTX 1650-Rosetta和常規(guī)API效率低下可能起了一定作用-但它表明了擊敗Apple集成GPU所需要的能力。Mac Mini以39.6fps的速度可以在1080p上以良好的圖像質(zhì)量設(shè)置進(jìn)行播放，并且相當(dāng)容易地降低分辨率或圖像質(zhì)量以使其恢復(fù)到60fps以上。全部在集成GPU上。
最終，這些基準(zhǔn)測試非常有力地證明了M1的集成GPU將不辜負(fù)蘋果公司在高性能GPU方面的聲譽。蘋果公司為Mac推出的首個Apple內(nèi)置GPU的速度明顯快于我們能夠使用的任何集成GPU，并且無疑將為筆記本電腦的GPU性能樹立新的高標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)蘋果自己的die照片，很明顯，他們將M1模具的相當(dāng)一部分用于GPU和相關(guān)的硬件上，其收益是可以與低端獨立GPU媲美的GPU。鑒于M1只是未來的基線，蘋果將需要更強(qiáng)大的GPU用于高端筆記本電腦和其余臺式機(jī)，看到基線的GPU時蘋果及其開發(fā)者生態(tài)系統(tǒng)可以做什么將非常有趣即使是最便宜的Mac，其性能也很高。