蘋果Mac開始換用自家芯片，對Intel而言無疑是個打擊。蘋果在去年的MacBook系列產(chǎn)品發(fā)布會上，提到自家M1芯片時，不忘大談相比前代MacBook產(chǎn)品，其CPU性能提升2.8倍；GPU性能提升5倍；比較的就是Intel處理器了。設(shè)備續(xù)航還提升到了20小時。

　　這些數(shù)字，就半導(dǎo)體行業(yè)摩爾定律停滯的現(xiàn)狀來看簡直不可思議。當(dāng)然其對比內(nèi)容、對比對象是值得商榷的。不過這樣的對比數(shù)字，蘋果并不是頭一回用了。在Mac還在用PowerPC處理器的年代（1999年），蘋果在宣傳中曾提過，PowerPC G3比當(dāng)時的Intel奔騰II快2倍。如此似曾相識。

　　這個所謂快“2倍”的說法，大致可窺見蘋果在處理器理念上的一脈相承，即便當(dāng)時的蘋果還沒有自己的芯片設(shè)計團隊。事實上，當(dāng)時所謂的快2倍，是蘋果在發(fā)布會上對比Mac和Windows PC，分別采用PowerPC G3處理器和Intel奔騰II處理器，對比內(nèi)容是雙方自動執(zhí)行一組Photoshop任務(wù)。

　　演示中的那臺Mac能夠用Windows PC一半的時間，完成這些任務(wù)。這其中的關(guān)鍵在于，PowerPC G3多加了個AltiVec加速單元，這是個128bit矢量處理單元，可單周期內(nèi)執(zhí)行4路單精度浮點數(shù)學(xué)運算。Photoshop能夠充分利用這個單元，AltiVec效率比那時Intel的MMX擴展指令更高。

　　用簡單的話來說，就是依靠專用單元來實現(xiàn)性能和效率的碾壓。雖說PowerPC早就被x86打趴，但這個理念很大程度延續(xù)到了如今的蘋果芯片（包括A系列和M系列SoC），下面將從技術(shù)角度詳述，M1身上體現(xiàn)的這一點。

　　事實上，M1芯片的出現(xiàn)不僅讓x86陣營感到了白色恐怖，而且也對高通這樣的Arm陣營參與者構(gòu)成了極大威脅。高通已經(jīng)與微軟合作過兩代芯片（SQ1與SQ2）產(chǎn)品，且開推Surface Pro X（及其Windows 10 on Arm）兩年，卻在M1面前顯得不值一提。

　　本文是《Intel換了CEO能做蘋果M1那樣的芯片嗎？PC處理器大小核反擊戰(zhàn)》一文的姊妹篇，本文將從M1芯片的角度談?wù)?，蘋果是如何在技術(shù)上達(dá)成對Intel、高通，以及其他競爭對手的威懾的；并嘗試探討，蘋果為什么能做到這一點，以及Intel、高通這樣的競爭對手又能否做到這一點。本文除前兩部分之外，剩余部分皆可根據(jù)興趣選擇性閱讀。

　　碾壓Intel和高通

　　有關(guān)蘋果為什么要給MacBook換用自家芯片的問題，可能答案有很多，包括蘋果生態(tài)的全面掌控，以及出于對成本預(yù)算進一步的控制等。如果僅從處理器本身的性能和效率來看，AnandTech的一張圖基本上很好地回答了這個問題：

　　這張圖對比的是Intel與蘋果芯片，從2013年以來處理器的單線程性能變化趨勢（具體測試項為SPECint2006）。在過去5年里，Intel處理器產(chǎn)品的單線程性能提升了大約28%，而蘋果CPU則實現(xiàn)了198%的性能提升?；蛘哒fA14處理器單線程性能是A9的將近3倍。

　　M1與A14芯片共享了Firestorm大核，大致上可認(rèn)為兩者有著接近的單線程性能（M1頻率高于A14，L2 cache也更大等）。2020年蘋果芯片性能，因此剛好形成了相較Intel處理器的剪刀叉趨勢。所以最新的MacBook開始采用自家芯片，就性能來看顯得順理成章。

　　事實上，蘋果在A7芯片（iPhone 5s）時期就宣稱，自家的Cyclone核心是“桌面級架構(gòu)”。不過當(dāng)時并沒有多少人在意。而且在M1出現(xiàn)之前，更多人還是堅定地認(rèn)為，Arm處理器相較x86，只能做低功耗，而無法實現(xiàn)如同x86那樣的高性能。蘋果卻以實際行動證明了這個觀點的錯誤性。

　　不少對比測試提到，M1比Intel酷睿i9還彪悍，這話是否夸張了？我們來大致梳理一下，M1芯片相較x86和Arm面向PC的主流處理器，性能處在哪個水平上。

　　蘋果M1芯片本身的配置如下：

　　官方并未公布M1芯片的TDP（或大致功耗）。AnandTech測試認(rèn)為M1的CPU TDP在20-24W。極客灣的測試也基本印證了其CPU TDP在25W左右（峰值功耗24W，日常峰值功耗在15W左右）。這個值未必是準(zhǔn)確的，包括其中可能包含DRAM功耗，不過也八九不離十。

　　極客灣數(shù)據(jù)，GPU部分全速運轉(zhuǎn)峰值功耗在10W左右；整個M1芯片可達(dá)成的峰值功耗大約為34W。AnandTech則在測試中提到，GFXBench Aztec High測試出現(xiàn)過17.3W的功耗，這個測試應(yīng)該很難反映GPU單獨占到了多少。整體上，這樣的功耗與TDP水平，大約與Intel、AMD的低壓處理器差不多。

　　AnandTech執(zhí)行的測試項目比較多，這里僅選取SPEC2006/SPEC2017來闡明其實際性能。其SPECint2006整數(shù)性能測試，蘋果M1與AMD Zen 3接近；SPECfp2006浮點性能測試，M1有顯著更大的優(yōu)勢。綜合下來，其性能綜合表現(xiàn)如下：

　　來源：AnandTech

　　需要注意，這是單線程性能成績。M1的這個成績顯著強于Intel十一代酷睿（同等TDP水平的酷睿i7-1185G7），以及酷睿i9-10900K（十代酷睿，Comet Lake-S），甚至比AMD Zen 3（Ryzen 9 5950X）還要強。

　　蘋果所說相比前代MacBook幾倍幾倍的提升，似乎完全沒在吹牛。SPEC2017測試結(jié)果與SPEC2006也差不多，不過M1和AMD Zen 3（Ryzen 9 5950X）互有勝負(fù)，M1整數(shù)性能整體不及Zen 3，浮點性能則反超。

　　這個對比還基于一個事實：M1大核的最高頻率僅為3.2GHz，而Intel十一代酷睿（i7-1185G7）的睿頻為4.8GHz，酷睿i9-10900K的睿頻更是能夠達(dá)到5.3GHz;AMD Zen 3（Ryzen 9 5950X）睿頻為4.9GHz。與M1相比，對比對象的功耗會明顯更高。

　　換句話說，蘋果M1事實上成為了如今CPU的IPC之王。IPC也就是每周期指令執(zhí)行能力，或者說每Hz能干多少事。可見M1是能夠甩開目前最彪悍的x86處理器的。

　　來源：AnandTech

　　多核性能測試方面，受限于M1本身僅有4個大核與4個小核，與堆了8核心、10核心還支持超線程的那群大家伙自然無法相比。不過M1在性能方面仍然能夠碾壓Intel低壓版的十一代酷睿（i7-1185G7，4核8線程，睿頻4.8GHz，TDP 28W）。M1如果擴大核心數(shù)量和處理器規(guī)模，則要實現(xiàn)多線程性能奪冠，應(yīng)該也不是難事。

　　其他測試結(jié)果大致相似，包括Geekbench 5單線程測試，M1輕松奪冠，超AMD Zen 3（Ryzen 9 5950X）和Intel酷睿i9-10900K;CineBench R23單線程性能略弱于AMD Zen 3，多線程性能比AMD Ryzen 4800U（Zen 2，8核16線程）弱大約15.6%，比Intel十一代酷睿（i7-1165G7，4核8線程）強60%。

　　蘋果為了實現(xiàn)M1芯片與x86軟件的兼容性，做了Rosetta 2中間轉(zhuǎn)譯層。如此一來，以前的x86軟件不需要改動，也能跑在M1芯片上。這種方案會令程序執(zhí)行效率變低。即便有Rosetta 2轉(zhuǎn)譯，M1芯片跑傳統(tǒng)x86程序，其性能也可達(dá)到Intel八代酷睿的水平（對于AVX指令依賴較低的程序，M1+Rosetta 2性能與十代酷睿相似）。

　　因為篇幅關(guān)系，測試項細(xì)節(jié)無法展開分析。不過總結(jié)一句話就是：在同等核心規(guī)模的CPU中，蘋果M1芯片在跑常規(guī)性能測試時，能夠以低很多的功耗達(dá)成相比x86處理器更強的性能。同等規(guī)模下，全面干翻Intel完全不是問題，即便和AMD打得有來有回，也是AMD犧牲功耗換來的（在單核性能測試中，AMD Zen 3能到49W功耗水平，而蘋果M1為7-8W的整機功耗）。

　　前面這些都是與x86處理器相比，那么和同為Arm陣營的對手相比呢？微軟2019年發(fā)布了Surface Pro X，這臺設(shè)備搭載的是一枚叫做Microsoft SQ1的芯片，它實際上是高通驍龍8cx的馬甲；2020年更新了Surface Pro X二代，Microsoft SQ2芯片，也就是二代驍龍8cx。

　　微軟在Windows 10 on Arm的規(guī)劃上，比蘋果更早。高通驍龍8cx也成為M1芯片在Arm陣營的絕佳對比對象。Linus Tech Tips對驍龍8cx（二代）與M1芯片，做了性能測試對比。

　　來源：Linus Tech Tips，其中SQ2即為高通驍龍8cx二代

　　從Geekbench 5和CineBench R23的測試結(jié)果就很容易發(fā)現(xiàn)，M1可將驍龍8cx（Microsoft SQ2）按在地上摩擦。這兩者根本就不在一個性能水平線上，不過驍龍8cx的功耗水平應(yīng)該也更低（雖然好像Surface Pro X的續(xù)航也沒比M1版MacBook Air優(yōu)秀）。

　　比較具有諷刺意義的是，Linus Tech Tips嘗試用一些虛擬機的奇技淫巧，給M1版MacBook Air裝上了Windows 10 on Arm。然后用虛擬機里面的Windows來跑Geekbench 5，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其性能水平也遙遙領(lǐng)先于Surface Pro X，算是狠狠打了高通和微軟的耳光：

　　來源：Linus Tech Tips

　　這個測試也少了對于功耗的監(jiān)測，不過它仍能說明M1芯片即便加個虛擬機中間層，跑別家操作系統(tǒng)，效率打個折扣，依然遠(yuǎn)強于高通如今面向低功耗PC所推的競品。

　　除開性能，M1芯片的低功耗也已經(jīng)有很多測試的先例了。在我上篇有關(guān)大小核設(shè)計的文章中也談到了M1足以驚掉x86處理器下巴的低功耗表現(xiàn)，幾乎所有日常使用場景，包括辦公、網(wǎng)頁瀏覽、閑置待機，功耗都比Intel和AMD同代競品低了幾個數(shù)量級：M1芯片網(wǎng)頁瀏覽功耗僅相當(dāng)于十一代酷睿的1/6，視頻流播功耗則僅有十一代酷睿的15%，Word辦公功耗則相當(dāng)于十一代酷睿的20%-30%……

　　蘋果究竟是如何做到拳打Intel/AMD，腳踢高通和Arm的？

　　要把芯片做大

　　前面這部分性能數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，并未給出CPU之外其他部分的數(shù)據(jù)。包括蘋果的8核GPU，性能相比Intel最新的Xe核顯（十一代酷睿）都有顯著優(yōu)勢，真實游戲性能可達(dá)到Geforce MX350的水平；以及AI專用單元、AMX等組成部分，鑒于篇幅皆不再展開。

　　標(biāo)題說M1比Intel酷睿i9彪悍，這話雖不可一概而論——比如酷睿i9一定在多核性能表現(xiàn)上是優(yōu)于M1的，畢竟處理器規(guī)模大很多。但作為一顆低壓處理器，實際使用中，M1的確在很多場景下能夠達(dá)到酷睿i9的水平。

　　比如Final Cut Pro剪視頻實時預(yù)覽和多種格式的編解碼；Xcode寫代碼直接秒殺iMac 2020高配版；即便是以負(fù)優(yōu)化著稱的Adobe Premiere，M1都在很多項目上（而且還是Rosetta 2轉(zhuǎn)譯）足以對酷睿i9構(gòu)成威脅。要知道M1和酷睿i9，前者定位便攜式設(shè)備，而后者定位工作站（i9-10900K）。

　　蘋果達(dá)成這個水平，究竟靠什么？很多人說是蘋果的軟硬件契合度高，這的確是個重要因素，但不夠具體?？偨Y(jié)成三點，大致上是M1芯片超寬微架構(gòu)；諸多專用單元的堆砌；蘋果超強的生態(tài)掌控力。

　　這幾點將在下文詳述。不過這幾點的外部表現(xiàn)就是，很大的芯片面積（die size），或者很多的晶體管數(shù)量。因為無論是超寬的處理器微架構(gòu)，還是為某些功能做專用的硬件單元，都需要更多的die空間。蘋果自家芯片在A系列產(chǎn)品線上，就有超大die size的傳統(tǒng)。早在蘋果iPhone 5s時期，其芯片尺寸就比其他手機SoC大很多，有時大1倍（A11 Monsoon大核心加cache占地面積，比驍龍845的A75大核與cache大1倍還多）。

　　來源：AnandTech

　　如果單看die size的話，蘋果A7、A8用上4MB L3 cache之時，同時代的Cortex-A57/A72/A73都還沒有L3 cache，到A75才支持。更不要說蘋果喜歡堆超大的L2 cache，蘋果A11有著8MB L2 cache，可以用巨大來形容。高通驍龍835才3MB L2 cache，沒有L3 cache（2016-2017年）。

　　而且蘋果從幾年前就喜歡給整個SoC芯片加system cache（或者叫System Level Cache -SLC，Arm公版設(shè)計現(xiàn)在普遍也有了）。這種system cache屬于整個SoC級別的cache，在SoC的各個IP（如CPU、GPU、NPU等）之間共享。A12的system cache就達(dá)到了8MB，相比A11翻番。

　　A14與M1的system cache目前是16MB，是麒麟、驍龍這些移動陣營競爭對手的2-3倍。而Intel十一代酷睿Tiger Lake（i7-1185G7）的L3 cache也不過12MB。至于L2 cache，M1的Firestorm大核是12MB，小核都有4MB。移動陣營就不說了，Intel十一代酷睿L2 cache（i7-1185G7）為4x 1.25MB。作為對比，酷睿i9-10900K（十代酷睿）L2 cache 2.5MB（每核256KB），L3 cache 20MB。

　?。ú贿^蘋果的cache設(shè)計和一般CPU似乎不大一樣，包括L2 cache共享；而且system cache在速度上應(yīng)該也是比不上僅面向CPU的L3 cache的。）

　　L1 cache的巨型相較其他競品（如192KB的L1指令緩存，是Arm公版設(shè)計的3倍，x86現(xiàn)有設(shè)計的6倍；據(jù)說速度還很快），也就不需要再多談了。單就芯片上占地面積巨大的cache而言，蘋果都始終在規(guī)模上有著令人肝顫的堆料。當(dāng)然cache大小并不能說明性能高低，而且大尺寸的存儲子系統(tǒng)易帶來更高的時延。但論消費電子應(yīng)用處理器的堆料，在低壓處理器這個量級內(nèi)，大概沒人能強過蘋果。下文還會詳述，“堆料”堆的可不只是cache。

　　那么Intel、AMD、高通這些競爭對手也這么堆料可行嗎？排除微架構(gòu)上的一些限制不談，就商業(yè)模式而言，Intel、AMD和高通雖然也可以這么做，但卻非常不經(jīng)濟。因為這樣堆料，意即die size的增加，也就意味著成本的急劇提升。芯片制造工藝的提升，一定程度也是為了在更小的die size內(nèi)，實現(xiàn)更高的性能，并縮減成本。

　　蘋果之所以可以這么做，是因為蘋果最終面向用戶出售的是終端設(shè)備。比如一臺iPhone上，除了SoC芯片之外，還有屏幕、閃存、增值服務(wù)等。但面向用戶時，就只有一個終端設(shè)備價格。拋開iPhone一年幾億銷量，以及iPhone吃下整個手機市場大半的利潤不談，蘋果也可以在不同組件之間來權(quán)衡、抵消、轉(zhuǎn)嫁各種成本支出。iPad、MacBook也都可受惠于iPhone芯片設(shè)計的經(jīng)驗，及iPhone巨大出貨量帶來的營收。

　　而Intel、AMD、高通這些企業(yè)出售的只是處理器，他們需要依靠處理器來獲取利潤。下游手機廠商要賺錢，上游IP供應(yīng)商也要賺錢。在產(chǎn)業(yè)鏈各不同環(huán)節(jié)利潤疊加的情況下，成本控制顯得尤為重要。

　　此外，Intel的處理器不僅面向某一個型號的PC，而且面向不同價位的PC，以及其他市場，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心。其中的核心IP很大程度上會復(fù)用，如果核心都做得很大很寬，對需求大量核心并行運算的使用場景而言，就會顯得尤為昂貴。所以單純以芯片制造商身份存在的這些企業(yè)，很難像蘋果這樣“不講武德”地堆料，因為其商業(yè)模式是根本不同的。

　　對于一般的芯片制造商而言，通過提升芯片頻率來獲得性能提升，而不是增大芯片面積、增加成本來獲得性能提升，顯然是更為經(jīng)濟的方案。

　　在成本控制問題上，尤為值得一提的是，在前年《深度學(xué)習(xí)的興起，是通用計算的挽歌？》一文中，我曾提到芯片設(shè)計與制造的成本正在逐年攀升，尤其尖端制造工藝成本，包括建廠成本在內(nèi)。即便不看技術(shù)限制，現(xiàn)有市場參與者也已經(jīng)不可能再像過去那樣按照摩爾定律去迭代制造工藝。而這件事情對于Intel的影響，也遠(yuǎn)大于對臺積電、三星的影響。因為Intel主要營收來源就是尖端工藝，臺積電和三星的早期制造工藝也是其重要的營收來源。

　　Intel在10nm與7nm難產(chǎn)的當(dāng)口，將極易陷入惡性循環(huán)，不僅影響到其芯片產(chǎn)品的市場競爭力，而且可能會越來越遠(yuǎn)離世界最尖端工藝工廠的稱謂。Intel如今背負(fù)的包袱，都會比蘋果、AMD、高通、三星這些不同層級的市場參與者都明顯更為沉重。

　　超寬的架構(gòu)（選讀）

　　當(dāng)然，“把芯片做大”只是結(jié)果，而不是目的。之所以芯片做大，除了更大的cache獲得更高的數(shù)據(jù)帶寬之外，還在于蘋果熱衷于超寬的處理器架構(gòu)，以及還喜歡給SoC加各種專用單元。以下文字內(nèi)容皆可選讀，面向輕度技術(shù)愛好者。

　　前文就提到蘋果M1以僅3.2GHz主頻，獲得了超過競爭對手5GHz頻率處理器的性能。那么M1的頻率若是提到5GHz，豈不是就逆天了？這一點恐怕是無法達(dá)成的，因為蘋果走的“寬”核心路線，將更不利于頻率提升，否則功耗也更容易崩邊。一般的，頻率提高，功耗會以頻率三次方的比例提高。所以那些以將近5GHz換得與M1差不多性能的處理器，也需要付出對應(yīng)功耗的代價。

　　在iPhone 6s時代，蘋果A9及更早的處理器，普遍有著比市面上同期競品更低頻率的傳統(tǒng)。比如說蘋果A8是1.5GHz主頻，A9則為1.8GHz，而同期的Arm Cortex-A72頻率已經(jīng)來到2.5GHz，A73則為2.8GHz。但蘋果處理器依然有默秒全的性能水準(zhǔn)。這是因為蘋果一直以來都很喜歡搞“寬”核心，實現(xiàn)更高的指令并行度，也表現(xiàn)在IPC數(shù)字上（雖然現(xiàn)在的A系列處理器也來到了3GHz水平上）。

　　即每周期可做的事情更多，自然能夠以更低的頻率跑任務(wù)。高指令并行或者高IPC，要求更“寬”的處理器核心，比如每周期能同時讀取、解碼，執(zhí)行或者回寫多條指令。提升指令并行度的方法有很多，當(dāng)代處理器架構(gòu)的一個重要因素就是亂序執(zhí)行能力。也就是讓沒有依賴關(guān)系的指令可以亂序執(zhí)行，后面的指令不必等到前面的指令執(zhí)行完再執(zhí)行。

　　不過亂序執(zhí)行需要額外的電路，來解決很多可能會遭遇的實際問題，也就要求更多的芯片面積和功耗。而“拓寬”整個架構(gòu)，比如提升每周期解碼指令的數(shù)量，許多的dispatch單元，增加更多的ALU執(zhí)行單元，以增加指令并行度，都需要額外的芯片面積。

　　而且拓寬架構(gòu)也并沒有那么簡單，如何讓拓寬的這些單元保持足夠高的利用率，而不是浪費資源也多有講究。但越寬的處理器架構(gòu)，起碼是實現(xiàn)較高指令并行的基礎(chǔ)。

　　前文提到，對于Intel這樣的芯片制造商，很多時候通過提升處理器頻率來獲得性能提升，而不是增大芯片面積、拓寬芯片架構(gòu)、增加成本來獲得性能提升，顯然是更為經(jīng)濟的方案。更窄、更“深”的處理器架構(gòu)，也更易于提升頻率。

　　蘋果M1芯片CPU部分的寬度，某種程度上達(dá)到了新高。下面這張圖來自AnandTech，是Andrei Frumusanu畫的Firestorm核心（即A14和M1大核心）架構(gòu)框圖，是他結(jié)合研究與經(jīng)驗得到的。現(xiàn)在流傳絕大部分有關(guān)Firestorm微架構(gòu)的解讀應(yīng)當(dāng)都脫胎于此：

　　來源：AnandTech

　　其中有一些尤為值得一提的點。首先是前端8-wide指令解碼，這是什么概念呢？AnandTech評論其為目前行業(yè)內(nèi)“最寬的商用設(shè)計”。AMD和Intel當(dāng)代處理器指令解碼寬度普遍為4-wide（Intel為1+4）；Arm這邊，解碼寬度主流是4-wide，今年主推的Cortex-X1為5-wide;傳說中超超超寬的三星M3（Exynos 9810），解碼寬度6-wide。

　　從AnandTech的研究來看，蘋果A11、A12的解碼寬度就達(dá)到了7-wide，A13步入8-wide大關(guān)。

　　其次是ROB（Re-order Buffer），也就是亂序執(zhí)行的重排序buffer。Firestorm的ROB達(dá)到了630個條目（或者差不多630）。ROB越深，則一定程度上表明了具備更高的亂序度，也是更寬架構(gòu)的寫照。與此相比，Intel的十一代酷睿（Willow Cove）ROB為352條目，AMD Zen 3為256條目，Arm Cortex-X1為224條目?？雌饋砀叨戎噶畈⑿芯褪翘O果要達(dá)到的。

　　Firestorm的后端執(zhí)行引擎部分也非?！皩挕?。整數(shù)管線部分，重命名物理寄存器堆（INT Rename PRF）大小約354條目，算術(shù)運算“至少”7個執(zhí)行端口，包括4個簡單ALU（ADD指令），2個復(fù)雜ALU（MUL），以及一個專用整數(shù)除法單元。核心每周期可處理2個分支。

　　不過整數(shù)管線部分“變化不大”，浮點與矢量執(zhí)行管線部分是Firestorm的重點。前文也提到了在性能測試?yán)?，M1的浮點運算能力相比競爭對手有較大優(yōu)勢。Firestorm增加了第四條執(zhí)行管線，浮點重命名寄存器為384條目，也“相當(dāng)之大”。4條128bit NEON管線，和AMD、Intel桌面處理器現(xiàn)有吞吐一致。浮點操作吞吐與管線數(shù)為1:1的關(guān)系，意即Firestorm核心每周期能夠執(zhí)行4個FADD（浮點加法）操作和4個FMUL（浮點乘法）操作，分別3與4周期延遲，是Intel處理器每周期吞吐的四倍，Zen 3的兩倍。

　　AnandTech評論說，這可能是蘋果在瀏覽器測試中表現(xiàn)如此之優(yōu)秀的原因。如今PC上的一個很重要的應(yīng)用就是web瀏覽，這大約也是蘋果意識到的用戶需求迫切的一大應(yīng)用場景吧。此外矢量執(zhí)行能力不變，浮點除法、倒數(shù)、平方根操作吞吐較低。

　　最后是存儲子系統(tǒng)部分，比較值得一提的是load-store前端，最高可以達(dá)到148-154個load與106 store，比市面上任何微架構(gòu)都要寬。與此對比，AMD Zen 3這兩個數(shù)字分別是44和64，Intel十代酷睿（Sunny Cove）分別為128和72。

　　而L1 TLB（translation lookaside buffer，一種頁表的cache，是一個內(nèi)存管理單元，用于提升虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換速度）翻倍至256 pages，L2 TLB提至3072 pages。L2 TLB因此能夠覆蓋48MB cache。緩存部分的提升，以及與其他競品的對比，這里不再贅述——本文前一個段落已經(jīng)做了解釋。

　　只不過前面提到的這些并不是一蹴而就的。在iPhone Xs時期，蘋果A12的Vortex核心在寬度上就已經(jīng)有了桌面級CPU的規(guī)模，相比當(dāng)時的Arm Cortex-A76和三星M3，都要寬上不少，無論是執(zhí)行管線還是存儲子系統(tǒng)。所以M1如今的這種超寬架構(gòu)，也算是蘋果芯片的一脈相承了。

　　引入更多專用單元（選讀）

　　《深度學(xué)習(xí)的興起，是通用計算的挽歌？》一文已經(jīng)提到隨摩爾定律放緩，通用處理器性能提升變慢，為保證滿足應(yīng)用對性能增長的需求，專用處理器是一條更能走得通的路。實踐證明，這兩年的這一趨勢也愈發(fā)顯著。

　　本文文首已經(jīng)提到，PowerPC G3在對戰(zhàn)Intel奔騰II時“2倍”速度就是依靠某個專用單元達(dá)成的。蘋果的這種思路似乎早年就埋下了。

　　此前Geekbench測試工具經(jīng)常被人戲稱為Apple Bench，原因是很多人認(rèn)為其中的某些測試項明擺著是給蘋果和Arm專門設(shè)計的，而對x86非常不友好。多年前Linux之父Linus Torvalds曾評論Geekbench is sh*t. 原因是在Arm64架構(gòu)處理器上，SHA1性能有專用硬件輔助，Arm處理器跑分因此就很好看。

　　在Geekbench 5單核性能測試?yán)?，M1的加密子項得分依然非常高，遠(yuǎn)高于酷睿i9-10990K。這是此前很多人認(rèn)為，Arm靠這種方式來騙分，并認(rèn)定Arm在高性能上做不到x86處理器的依據(jù)。不過這次Geekbench 5其他項目，比如整數(shù)、浮點性能，M1也能碾壓酷睿i9（十代酷睿）。而且專用硬件單元輔助某個項目，本質(zhì)上對于體驗也是有幫助的。

　　類似的情況在蘋果當(dāng)代芯片上相當(dāng)常見。比如用iPad（A14）和MacBook（M1芯片）做視頻剪輯（尤其是Final Cut Pro），其體驗和效率就遠(yuǎn)超Windows PC（Intel酷睿）。

　　這是基于M1芯片中的編解碼器強過市面上絕大部分GPU（在Handbrake的硬件H.265測試?yán)?，M1的編碼模塊表現(xiàn)出對Intel和AMD的徹底碾壓）；外加M1之上的AI專用處理器也參與畫面分析，專門的ISP（圖像處理器）可執(zhí)行 ProRes RAW格式的demosaic運算；而且M1內(nèi)部還集成了SSD主控，對于I/O敏感操作也有幫助。

　　所以對于經(jīng)常需要剪視頻的人來說，M1簡直太適配了。同理還有碼農(nóng)、攝影師，以及單純的視頻娛樂用戶等。

　　這些都建立在M1作為一顆SoC，以更多專用單元來解決具體問題的基礎(chǔ)上。雖說專用單元彈性欠缺，但蘋果很清楚MacBook目標(biāo)用戶群日常都拿設(shè)備來做什么。有針對性地優(yōu)化專用單元，并且提升特定使用場景下的操作體驗，達(dá)成性能和效率（功耗表現(xiàn)）的雙重提升。這也印證了通用計算裹足不前時，靠專用計算就是個重要方向，雖然未必得是專用處理器。

　　這些專用單元的存在，其本質(zhì)在我看來，與Intel為酷睿增加AVX-512指令支持并無太大區(qū)別。無論說這些專用單元是“刷分”利器也好（甚至有人說system cache也是刷分利器），是奇技淫巧也好，它們都實實在在地發(fā)揮了作用。

　　這其中再度迸發(fā)的一個問題是，既然超寬架構(gòu)和專用單元這么好，Intel和AMD為什么不做呢？其中的原因大概是多種多樣的，而且Intel、AMD事實上也的確在朝著這些方向努力?；蛟S更重要的一點在這兩個選項，仍是以增加die size為基礎(chǔ)的，參見文本第二部分。

　　還有一些現(xiàn)實問題，比如說具體到在CPU前端解碼寬度問題上，x86這種變長指令，指令長度在1-15 bytes之間，而Arm為4 bytes定長指令。這也就意味著x86的解碼器很難搞清楚一條指令究竟從哪里開始，需要對每條指令做長度分析。X86處理器在解碼階段因此要處理不少錯誤，AMD曾經(jīng)談到過增加更多解碼器會導(dǎo)致更多的問題，而4-wide解碼寬度成為其設(shè)計的一個限制。

　　恐怖的生態(tài)掌控力

　　從芯片設(shè)計，到操作系統(tǒng)，到開發(fā)生態(tài)，到消費終端設(shè)備設(shè)計制造，甚至到銷售，蘋果都一手掌控。這在整個業(yè)界怕都是絕無僅有的（三星似乎欠缺十分重要的操作系統(tǒng)環(huán)節(jié)）。其促成的商業(yè)模式，也是蘋果可以如此在M1和Firestorm核心上任意妄為的基礎(chǔ)，這在前文中就已經(jīng)提過了。

　　而除了處理器本身的微架構(gòu)，在更上層的系統(tǒng)設(shè)計以及軟件架構(gòu)上，蘋果也有相當(dāng)?shù)脑捳Z權(quán)。M1設(shè)計上的一個典型代表是封裝在一起的DRAM內(nèi)存，采用一種叫Unified Memory Architecture技術(shù)。CPU和GPU使用內(nèi)存時，不必再區(qū)隔不同空間，也就不需要在雙方互通時進行內(nèi)存拷貝這樣的操作，實現(xiàn)更低的延遲和更高的吞吐。

　?。槑б惶幔簡魏薋irestorm也達(dá)到了58GB/s的讀取帶寬，33-36GB/s寫入帶寬，除了表現(xiàn)出色外 ，AnandTech評論“單核填滿內(nèi)存控制器這種設(shè)計令人震驚，我們之前也從未見到過”。）

　　這種設(shè)計并不新穎，AMD早年也做過類似的技術(shù)，但并未得到普及。這種設(shè)計對于軟件開發(fā)有新的要求。蘋果牢固的開發(fā)生態(tài)掌控力，應(yīng)付這種事應(yīng)該也只是件小事。對Windows PC不同市場參與者分而治之的局面來說，這件事就顯然沒那么容易了。

　　與此同時，還能夠顯現(xiàn)蘋果生態(tài)掌控力牢固的一點在于蘋果十分輕易地在M1芯片上換用自家GPU?！霸a”在圖形計算一側(cè)就顯得沒那么重要，蘋果的Metal API可以直接為蘋果GPU準(zhǔn)備就緒，意即蘋果圖形計算方面的儲備可在M1及現(xiàn)有生態(tài)上，立刻發(fā)揮作用。（雖然Metal相比DirectX，似乎在軟件效率上還是弱了點）

　　微軟在Windows 10 on Arm的生態(tài)部署上就萬般掣肘，這雖然和微軟自身舉棋不定的決策力也有關(guān)。但在Arm版Windows出現(xiàn)這么久，也沒有像樣的生態(tài)構(gòu)建起來，Windows開發(fā)者對于Windows Runtime也意興闌珊，就能表現(xiàn)出蘋果在這次轉(zhuǎn)舵中的決絕和生態(tài)構(gòu)建的超級速度。

　　前一陣傳言微軟決定自研芯片，用于將來的Surface。個人感覺這條信息的可信度不大，因為微軟不像蘋果那樣，有數(shù)億出貨量的設(shè)備可為其分擔(dān)芯片的設(shè)計和制造成本，尤其是尖端工藝的制造成本。要知道沒有大量出貨來分?jǐn)偝杀荆許urface的量是走不起尖端工藝的。但這條消息的出現(xiàn)也表明，蘋果在M1及其周邊生態(tài)的打造上，有多成功。

　　只不過蘋果的這種模式與生態(tài)，究其根本也依托于消費電子終端設(shè)備的銷量。若哪一日iPhone銷量大幅下滑，則芯片業(yè)務(wù)與周邊生態(tài)也將很快難以為繼。分而治之的生態(tài)便沒有如此脆弱。

　　用一句悲觀的話來總結(jié)本文：Windows PC陣營恐怕很難出現(xiàn)蘋果M1那樣的芯片。不過這并沒有什么大不了，畢竟是兩個生態(tài)：看隔壁Android陣營也從不因為iPhone賣得多好，各參與者就亂了方寸。