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半导体行业观察 · 2022年06月07日

苹果发布M2芯片:5nm,200亿晶体管

虽然主要是一个以软件为中心的活动,但 Apple 的 WWDC 主题演讲通常也是发布一两个有趣的硬件的舞台,今年 Apple 也没有让人失望。

在公司今年最大的与 Mac 相关的主题演讲中,Apple 推出了 M2,这是他们用于 Mac(和 iPad)平台的第二代 Apple Silicon SoC。M2 在多线程 CPU 工作负载和峰值 GPU 工作负载方面比原来的 M1 SoC 性能提升约 18%,在峰值 GPU 工作负载方面性能提升 35%,这是 Apple 第一次有机会迭代其 Mac SoC 以整合更新的技术,并刷新其较低的面对竞争对手的最新更新,升级笔记本电脑。

在发布了 M1 SoC 之王 M1 Ultra后不到 3 个月,苹果带来了Apple Silicon M2 新系列 SoC 中的第一个(当然也不是最后一个)产品。M2 SoC 旨在取代 Apple 产品系列中的 M1,最初是在 13 英寸 MacBook Pro 和 MacBook Air 的更新版本中推出的——在此过程中,MacBook Air 正在进行相当大的重新设计。

M2 的推出也让我们第一次真正了解了 Apple 将如何处理 Apple Silicon 生态系统中的更新。对于 iPhone 系列,Apple 一直保持每年更新 A 系列 SoC 的节奏;相反,传统的 PC 生态系统最近接近 2 年的节奏。M2 似乎将其从中间分开,比最初的 M1 晚了大约一年半——尽管在架构方面它看起来更接近于 A 系列 SoC 的年度更新。
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从较高的层面来看,M2 的变化数量有限——或者至少与苹果目前希望披露的一样多——重点在于几个关键领域,而最初的 M1 SoC 则大有作为. 虽然所有这些都是在 Apple 进一步披露或获得硬件本身动手时间之前的初步结果,但 M2 看起来很像 A15 SoC 的衍生产品,类似于 M1 是从 A14 衍生而来的。因此,乍一看,M1 到 M2 的升级看起来与A14 到 A15 的升级非常相似。

根据 Apple 的说法,新的 SoC 由大约 200 亿个晶体管组成,比原来的 M1 多 40亿(25%),比 A15 SoC 多 50亿。该芯片采用 Apple 所称的“第二代 5nm”工艺制造,我们认为这很可能是台积电的 N5P 产品线,与 A15 SoC 使用的产品线相同。与 N5 相比,N5P 提供了改进的性能特征,但没有提高密度。因此,虽然苹果没有透露芯片尺寸,但该公司的并排芯片照片至少是准确的,因为 M2 将是比 M1 更大的芯片。

苹果发布M2芯片:5nm,200亿晶体管

从顶部开始,在ARM架构的CPU核心方面,M2保留了苹果的4性能+4效率核心配置。Apple 并未在此处披露他们使用的是哪一代 CPU 内核,但根据性能预期和时间安排,我们完全有理由相信这些是在 A15 上首次引入的 Avalanche 和 Blizzard 内核。
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在性能方面,Apple 表示 M2 的多线程 CPU 性能比 M1 提高了 18%。该公司没有提供时钟速度与 IPC 增益的细分,但如果我们对 M2 是 Avalanche/Blizzard 的预感是正确的,那么我们已经很好地了解了细分是什么。相对于 A14/M1 中的 Firestorm 核心,Avalanche 仅提供适度的性能提升,因为 Apple 将大部分改进投入到提高整体能效上。因此,那里的大部分性能提升来自时钟速度的提高,而不是 IPC 的改进。

M2 上的高性能 CPU 内核还配备了更大的二级缓存池,这也有助于提高性能。M1 在内核之间共享 12MB 的 L2 缓存,而 M2 将其提升到 16MB,比 M1 和 A15 都增加了 4MB。

根据我们在 A15 上已经看到的情况,这一代中这个更大的更新是在效率核心方面。Blizzard CPU 内核的行为越来越像不那么小的内核,与我们在其他 Arm 效率内核中看到的相比,提供了相对较高的性能和更广泛的后端设计。除其他外,Blizzard 增加了第四个整数 ALU,结合其他更改,使 A15 在这些内核中的性能显着提高(28%)。延续到 M2,期待类似的收益并不是不合理的,尽管通配符因素将是 Apple 的时钟速度。
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反过来,这似乎也是为什么 Apple 似乎决定专注于 MT 性能以进行 Apple to Apple 之间的比较。最大的性能提升来自效率核心,在性能受限的情况下,MT 工作负载可以将 E 核心与 P 核心一起使用,从而获得最大的性能提升。总体而言,Avalanche/Blizzard 在 CPU 微架构方面的表现并不理想,而 M2 SoC 似乎也延续了这一趋势。

与此同时,在 GPU 方面,Apple 的规模越来越大。尽管对底层架构一如既往地低调处理——仅将其称为“下一代”GPU——但 M2 内置了 10 个 GPU 内核,而 M1 为 8 个。官方称这款 GPU 为 3.6 TFLOPS,比 8 核 M1 多出 1 TFLOPS。同样,新的 GPU 配备了更大的共享 L2 缓存,尽管 Apple 没有透露缓存大小。

结合更大的核心数量和 GPU 时钟速度似乎增加 10% 左右(基于 TFLOPS),Apple 正在吹捧 M2 的 GPU 的两个性能数据。在等功率 (~12W) 下,M2 的 GPU 性能应该比 M1 快 25%。然而,无论好坏,M2 的 GPU 也可以比 M1 的 GPU 消耗更多的功率。根据 Apple 的说法,在 15 瓦的全功率状态下,性能可以提高 35%。
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总体而言,这表明虽然 Apple 已经能够提高其能源效率——GPU 喜欢运行宽且慢——但 Apple 的峰值 GPU 功耗正在上升。这对轻型工作负载的影响应该很小,但看看它对于相对繁重和恒定的工作负载意味着什么将会很有趣,尤其是在无风扇的 MacBook Air 上。与此同时,GPU 的显示控制器似乎保持不变,外接显示器最高为 6K。

与 GPU 更新无关,M2 还配备了更新的视频编码/解码模块,乍一看很像 M1 Pro/Max 上使用的模块的精简版。这些 SoC 增加了对 Apple 的 ProRes 和 ProRes RAW 编解码器的支持,并且这种支持现在已经过滤回基本的 M2 SoC。同样,Apple 现在正式支持 M2 上的 8K 视频解码,而 M1 虽然从未有官方分辨率指定,但本质上是 4K 部件。
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最后,在处理方面,M2 继承了 A15 更新的神经引擎。根据 Apple 的说法,这仍然是一个 16 核的设计,并且它恰好具有与 A15 的神经引擎相同的每秒 15.8 万亿次操作 (TOPS) 评级。尽管仅与 A15 不相上下,但仍比 M1 的神经引擎快 40%,后者的最高速度为 11 TOPS。

总而言之,Apple 对其第二代 Apple Silicon 芯片的性能表现出极大的信心,对它与英特尔的竞争力更是充满信心。虽然我们将不得不等待获得硬件以确认其性能,但 M1 确实没有辜负那里的要求。因此,对 M2 的期望也同样高。
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Apple 首次:LPDDR5 内存

虽然 Apple 最新 SoC 的核心逻辑在很大程度上似乎是 A15 的增强版,但它确实有一个非常值得注意的 Apple SoC 设计:LPDDR5 支持。

M1(甚至 A15)仅支持 LPDDR4x 内存,而 M2 是第一款支持更新的 LPDDR5 内存标准的 Apple SoC。其中最大的变化是支持更高的内存时钟速度;根据 Apple 的数据,M2 的运行速度为 6400Mbps/pin (LPDDR5-6400),显著高于 M1 的 4266Mbps/pin (LPDDR4x-4266) 内存时钟速度。最终结果是,在 SoC 的 128 位内存总线上,M2 有 100GB/秒的内存带宽可供使用,比 M1 增加了 50%(约 68GB/秒)。
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与笔记本电脑领域的竞争对手相比,Apple 非常规地使用内存技术仍然是其关键优势之一,因此内存带宽的显着增加有助于 Apple 保持这一地位。内存带宽的改进进一步改善了 SoC 的各个方面,尤其是 GPU 性能,其中内存带宽通常是一个瓶颈因素,这使得添加 LPDDR5 成为更大的 10 核 GPU 的关键推动力。尽管如此,苹果在某些方面还是在追赶——他们在推出支持 LPDDR5 的处理器方面落后于英特尔和 AMD。

除此之外,Apple 再次将其 LPDDR5 内存包与处理器芯片本身放在芯片上。因此,每个 M2 芯片都需要提前配备内存,并且设备供应可能会根据内存容量而有所波动,具体取决于最流行的配置,尤其是早期配置。

M2 设备提供 8GB、16GB 或 24GB 内存。鉴于 Apple 仍然只使用两种内存,看起来该公司终于利用了 LPDDR 对非二次方芯片尺寸(例如 12Gb 芯片)的支持,这允许他们将 12GB 内存放入一个单一封装,没有任何进一步的恶作剧。假设 Apple 为强制性 Pro/Max/Ultra SoC 复制了这一点,我们应该会看到所有 Apple SoC 的最高内存容量比上一代增加了 50%。

其余的:更新的 ISP,相同的 USB

在今天的 M2 公告中,还有一些需要快速调用的项目。

首先,M2 正在获得更新的 ISP 以及更新的 Secure Enclave。与 M2 的其他方面一样,这些方面很可能继承自 A15,A15 也收到了类似的更新。

同时,查看新 MBA 和 MBP 的规格表明,新 SoC 的 USB 或其他 I/O 支持没有任何显着变化。M1 在 2020 年推出支持 USB4 时已经处于曲线的顶端,因此这里没有任何变化。然而,这确实意味着 SoC 似乎仍仅限于对 Thunderbolt 3 的支持,尽管 Thunderbolt 4 现已推出一年多。MBA 和 MBP 都附带两个 USB 端口,因此这似乎仍然是 SoC 的本机限制。
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苹果也完全没有谈论 PCIe 功能。一旦我们掌握了硬件,我们就会知道更多,但至少目前没有理由相信 Apple 已经增加了 PCIe 5 支持或改变了可用通道的数量。I/O 一直是整个 Apple Silicon 系列的一个限制因素,所以我确实想知道这对最终的 Apple Silicon Mac Pro 意味着什么。

七月上市

在今天的公告结束时,M2 将在新的 2022 MacBook Air 以及更新的 2022 12 英寸 MacBook Pro 中发货。据苹果称,这些设备将于 7 月上市,今天开始接受预订。
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与此同时,M1 不会去任何地方。除了作为 Mac Mini 的核心——它今天没有收到更新——苹果还在保留基于 2020 M1 的 MacBook Air。因此,入门级 M 系列 SoC 的两个版本都将继续存在一段时间。

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