为什么说苹果M1芯片是颠覆性的

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自「extremetech」,谢谢。

上周,苹果发布了其M1 SoC。M1采用与最新iPhone相同的A14 CPU,和是十年来首个挑战AMD和Intel等公司的非x86 CPU架构。从那时起,多项关于Apple M1 芯片与AMD和Intel综合测试表明,M1在多个领域处于领先。为此我们的观点是:M1本身不会破坏英特尔和AMD的市场份额,但从长期来看,这对两家公司均构成严重威胁。

到目前为止,我们仅参考最新的综合基准讨论了该假设。现在让我们谈谈大局。

M1如何影响x86市场主导地位

M1之所以对英特尔和AMD构成威胁,并不是因为苹果突然要占领PC市场,因为在我们看来,近期Mac的净市场份额增加很可能是个位数的。

对AMD和Intel来说,M1推出的背后重要意义才是他们最大的威胁。因为可以看到,这是15年以来第一次,一家没有x86许可证的公司正在构建一种可以与X86竞争的消费者微处理器。如果苹果维持或改善其M1处理器的性能,并一直领先于x86的竞争对手,那么其他拥有ARM许可证的公司将会关注这一点。英伟达已经购买了ARM,等待监管机构批准,他们也不例外。如果ARM能够胜过x86,则整个WinTel生态系统将遭受前所未有的冲击

在前期,英特尔和AMD以前不必担心非x86 CPU制造商的所作所为。但如果苹果公司的M1针对不同细分市场的后续行动开始削弱x86市场份额的时候,那么所有人(包括当前构建x86 PC的OEM)都会注意到这一点。微软也许曾经曾经支持过英特尔,但是在Satya Nadella的领导下,微软已大力发展云计算和基于云的服务。如果Microsoft愿意将Linux广泛集成到其自己的操作系统中,则不必在意Windows是在ARM还是x86上运行。如果他们不再将x86视为自动的最佳处理器选择,那就给英特尔和AMD带来威胁,让后者失去利润和市场支配力。如果发生这种情况,那将是由于多家公司的行动,而不仅仅是苹果。而且,尽管有苹果的推广,但其实当前M1的速度其实落后于98%的笔记本电脑。很快,但却也没那么快。

是什么让我们觉得M1比我们之前看到的任何产品都有威胁力呢?一下是我的理由。

英特尔的奔腾M预示了Core 2 Duo的成功

2004年底,一家名为DFI的主板公司将与英特尔的Pentium M兼容的台式机主板推向市场。该特定的Pentium M代号为Dothan,它基于Pentium III,而不是Intel的Pentium 4“ Netburst”架构。180nm P3 Coppermine出品了130nm Tualatin,后者出品了Banias和Dothan。

就功能支持而言,DFI 855GME-MGF平台对当时的FX和P4平台不抱太大希望。

但让我们重新看看这些内容:PM代表Pentium M,它在2.13GHz和1.7GHz下进行了测试。FX-55是AMD的单核Athlon 64,具有2.6GHz的双通道内存。3500+是2.2 GHz双通道Socket 939上的Athlon 64 3500+,而P4 3.46EE,3.8E和3.2E都是基于Prescott的奔腾4。这些还具有双通道RAM。

DFI主板的问题在于没有超频支持,除了纤巧的风扇和散热器以外,没有其他方法可以使用。在这些结果中,奔腾M是唯一仅限于单通道RAM的系统,也是唯一使用AGP卡住的系统。然而尽管如此,奔腾M表现强劲。即使Athlon 64 3500+具有集成的内存控制器和双通道RAM,但它与P4 3.46EE并驾齐驱,并击败了3500+(主频2.2GHz)。

总结其整体性能:即使超频,但Dothan也没有赢得所有基准测试,在某些上面未显示的多媒体编码工作负载中,它远远落后于P4和K8。对于Dothan来说,适合其缓存的分支测试是一个很好的测试案例。依赖主内存带宽或依赖SSE3的应用程序不支持该芯片。但是,核心是最突出的地方之一。以下是我16年前写的内容:

Dothan仅消耗78W功耗,并在令人惊叹的25'C时空转,是我见过的运行速度最快的、最酷且最节能的CPU。90nm 3500+系统的功耗要大得多。即使在满负荷情况下,系统也不会突破100W的功率……与P4相比,3500+的142W最大功率相当令人印象深刻的……

技术报告对该主板进行了旧的审查,该主板在其图像完好无损的情况下仍然存在,因此,如果您要查看其数据,便可以在其中找到数据。我想从这次审查的结论中引述一下:“不过,在533MHz总线上超频至2.4GHz时,Pentium M变得非常可怕,在包括游戏在内的许多测试中,Athlon 64 4000+的性能都蒙上了阴影。”

这不仅仅是阴影。这是预兆。大约18个月后,代号为Conroe的Core 2 Duo进入了台式机,并将AMD放逐了11年。

如今,Dothan和M1之间存在多个相似之处。像M1一样,Dothan也没有赢得所有基准。与M1一样,Dothan也有某些限制:它不支持SSE3,PCIe或双通道RAM。它缺少AMD拥有的集成内存控制器,并且缺少Hyper-Threading Prescott和Northwood曾经取得过良好的效果。

最终,与Pentium M的出色每瓦性能相比,这都不重要。从长远来看,该设计被证明能够超越市场上的其他竞争对手。将M1与Intel和AMD当前的CPU进行比较,令人惊讶的是这些模式重叠的紧密程度。

同样,我们看到高端x86 CPU在单线程基准测试中以更高的TDP领先。x86和M1之间的差距还不足以弥补高端英特尔和AMD芯片带有10-16个内核,而M1是4 + 4芯片这一事实。只要有足够的时钟速度,散热空间和内核,x86就可以满足要求。您可以说FX-55和各种Prescott与原始Pentium M完全相同。

CPU行业中的一种趋势表明,每瓦性能更好的高效率CPU倾向于比每瓦性能更差的低效率芯片扩展到更高的绝对性能水平(There’s a trend in the CPU industry that suggests high-efficiency CPUs with better performance per watt tend to scale to higher absolute performance levels than low-efficiency chips at weaker performance per watt)。由于CPU功率曲线不是线性的,因此就功率和散热而言,最后几百MHz的时钟是迄今为止最昂贵的,并且当您接近5 GHz时,曲线会变得更陡峭。这意味着,尽管新的功能单元也要消耗功率,但通过构建更多的片上资源并减少时钟来提高IPC效率会更高。

我们对M1知之甚少,无法对它能达到多高的频率做出任何预测,但是我们已经听到的效率数据表明,苹果至少有一些余地来燃烧功率以获取频率。它更有可能构建具有更大CPU内核的更大的SoC。可以想象在接下来的18-36个月内具有更大缓存和16-32个大内核的工作站级M x芯片并不奇怪。我们可以在一年内看到6-16个CPU核心SoC(源自FireStorm或A15)。

我们可以假设台积电的5nm节点将继续成熟,并且其时钟速度将持续提高。我们可以假设Apple将考虑CPU制造商通常为改善台式机电源范围(例如更大的缓存和更高的时钟)性能而进行调整的所有标准杠杆和拨盘。M1的基线效率越高,Apple尝试各种提高性能的方法的实验空间就越大。目前,Apple在许多应用程序中均具有每瓦性能和绝对功耗方面的优势,而如果我想长期淘汰x86,那正是我想要的。

无论哪种方式,两家公司的问题都不是M1本身。苹果将在高端产品上使用M1的老大哥,以及消费者和OEM厂商愿意向电池寿命更长,性能更高的平台迁移的意愿。

尽管出于不同的原因,AMD和英特尔在对抗M1方面处于有利位置。从2017年初到现在,AMD在移动领域的实力都比英特尔要弱,但它始终保持着不断发展。AMD的Zen 3移动部件将于明年面世时。只要继续执行到Zen 4中,并且Zen 4保持改进的步伐,AMD就不会有什么麻烦。

同时,英特尔目前处于良好状态。尽管自身面临制造问题,但当前的苹果M1专注于移动市场,而英特尔最近又通过Tiger Lake更新了移动设备。如果苹果公司已经发售了TGL硬件,那么英特尔将不会像其他苹果产品那样早。短期而言,问题是当苹果将芯片带入工作站时,M1的台式机/工作站版本与高端Xeon相比将如何。从长远来看,英特尔及其其余OEM合作伙伴面临的主要问题是7nm移动过渡如何进行。

如果英特尔能够继续提供性能改进的产品,那么它将有自己的改进故事可以谈论。这里的危险是将7nm进一步推迟,或者如果该公司被迫将其领先的晶圆厂工作外包出去。英特尔不会试图赢得苹果的支持,尽管苹果已经扬帆起航,但它绝对希望让某些OEM拥有自己的正面故事来讲述电池寿命和性能,即使与ARM驱动的系统相比也是如此。

M1不是魔术。仅仅因为成为ARM内核,但它并不比x86快。ARM的标准许可内核远不及x86 CPU的性能。经过多年的精心工作,苹果公司已在脱颖而出。尽管如此,不能保证英特尔和/或AMD会输掉这场战斗。

但是请不要误会,这将是一场战斗。关于M1的散热,die尺寸,功耗或内核数,没有任何迹象表明Apple无法继续扩展该芯片,也没有任何迹象表明它的潜力已到尽头,或者说核心IPC无法持续改进。通常,我会说我们应该每年更新一次,但是由于Apple计划明年进行整个向ARM的过渡,因此更新的速度可能会更快。但是,到明年这个时候,该公司应该在台式机和笔记本电脑上拥有完整的产品阵容,除非它推迟了发布的过渡时间表。

上一次我们看到的比较是,在一个新出现的大型核心竞争对手和另外两个高性能,效率较低的微体系结构之间,新来者及其后代统治了市场11年。不要以为M1会自动赢得这场战斗。但是请记住,这是苹果公司的第一个大获成功,而不是最后一次。

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