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苹果 M1 性能爆表,这次 macOS 能否挑战 Windows

2020-12-19 10:28| 发布者: IT007编辑02| 查看: 84| 评论: 0|原作者: 太平洋电脑网 作者:Aimo

摘要: 苹果发布了使用了 ARM 架构 M1 处理器的 MacBook,其惊人的能效表现,以及深度和移动平台融合的生态,给人留下了深刻的印象。M1 处理器打破了很多人 ARM 性能羸弱的固有印象,而 macOS 和 M1 的契合度,更是令人惊叹 ...

苹果发布了使用了 ARM 架构 M1 处理器的 MacBook,其惊人的能效表现,以及深度和移动平台融合的生态,给人留下了深刻的印象。M1 处理器打破了很多人 ARM 性能羸弱的固有印象,而 macOS 和 M1 的契合度,更是令人惊叹连连——M1 这颗 ARM 处理器,通过 macOS 11 中 Rosetta 2 转译层运行 X86 软件,很多时候竟然比 Intel 高端处理器原生运行 X86 软件更快!



macOS 11 兼容 ARM 芯片,从另一维度挑战 Windows


苹果 M1 的出彩,是出乎很多人的意料的。特别是对比微软在 ARM 领域的步履蹒跚,更凸显出苹果新产品的不可思议。要知道,微软早在 2012 年,就推出了使用 ARM 处理器的 Surface 平板,并为之配备了转制的 Windows RT 系统;最近,微软更是力推使用骁龙 ARM 处理器的 Surface Pro X 平板,其上搭载的是兼容 X86 软件的 Windows 10 on ARM。



微软早已经涉足 ARM 领域,推出了基于 ARM 的 Windows 平板,但表现不尽如人意


然而,微软的 ARM 产品实际表现却令人失望。初代 Surface 上的 Windows RT 无法兼容 X86 软件,而 Windows 10 on ARM 则无法运行 64 位软件,且使用 X86 软件时性能极其低下。和 M1 以及 macOS 11 相比,表现有云泥之别。


微软借助 Wintel 联盟,统治了桌面市场三十年。苹果 macOS 凭借 M1 这颗表现惊人的 ARM 芯片,能否挑战 Windows?今天一起来谈谈这个话题吧。


M1 芯片为何能有如此高性能?


Windows 的成功,和 X86 处理器在性能上的强势是密不可分的。业界有一个很著名的说法,叫 “安迪 - 比尔”定律,安迪指的是 Intel 前 CEO 安迪 · 格鲁夫,比尔则是大家都熟悉的微软创始人比尔 · 盖茨。这个定律的主要内容,就是安迪提供什么,比尔就会拿走什么,意思是 Intel 为代表的 X86 处理器提供的性能,都会被 Windows 为代表的软件吃掉。


虽然这个定律很有吐槽软件吃性能的意味,但也肯定了 X86 处理器的性能表现。而现在,M1 这颗 ARM 处理器,在轻薄笔记本的使用环境下,性能大大压过了 X86 处理器一头,这到底是怎么做到的呢?这和 M1 处理器的诸多特性是密不可分的。


· 工艺。得益于多年和台积电的密切合作,苹果 M1 处理器得以用上了最先进的 5nm 工艺,先进的工艺带来了能效方面的先天优势。而 M1 的设计也是和台积电的工艺特点相契合的,对比 Intel,台积电的工艺并不追求高频率,而 M1 的架构则主攻高 IPC,并不需要高频,双方共同铸造出了 M1 芯片的极高能效。



M1 芯片使用了与之特性相契合的先进工艺


· 规模。受益于 5nm 工艺,M1 芯片得以在有限的面积中,集成不亚于 X86 处理器规模的晶体管。M1 处理器包含 8 个 CPU 核心,芯片面积为 119mm²,集成了 160 亿个晶体管;作为对比,当前桌面顶级处理器 AMD Zen 3 中的一个 CCD 同样包含 8 个 CPU 核心,面积为 80.7mm²,集成 41.5 个晶体管。考虑到 M1 还封装了 GPU、RAM 等其他模块,事实上双方在 CPU 单元部分,规模已经是并驾齐驱。


· 架构。M1 的 CPU 架构设计是非常激进的。举个例子,根据外媒 Anandtech 推测出来的架构图,M1 拥有 8 解码超宽架构的大核心,这是一个非常夸张的规模——顶级 X86 处理器只做到了 4 解码。而在 ALU 单元、FPU 单元的数量配置上,M1 对比当前的 X86 处理器也有优势。尽管受限于工艺以及架构特点(超宽架构、短流水线),M1 的频率并不高,但 IPC 却超过了许多顶级的 X86 处理器。



M1 的大核心架构设计非常激进,X86 处理器没有这么多路前端解码


· 专用电路。很多朋友都看过 M1 版 MacBook 的剪片演示,新 MacBook 在视频剪辑的速度上,居然远胜于售价高好几倍 iMac Pro,小小的甚至不需要风扇散热的 M1 芯片,表现更胜于 i9 处理器。这其实在很大程度上,得益于 M1 芯片集成的专用电路。



很多需要算力的特定功能,在 M1 中都有专用电路实现


专用电路这个名词听起来,似乎有点陌生,但其实如果你关注挖矿,就知道这是什么意思了。在挖矿领域,CPU 速度远不如 GPU,而 GPU 又远不如 ASIC 矿机,这是因为 ASIC 芯片是专为挖矿算法定制的专用电路。在 M1 芯片中,也存在诸多这样的专用电路,它们能为视频编码解码、机器学习、图像处理、数据加密等计算提供硬件加速,结合 macOS 11 专为其打造的 API,一些生产力任务能够前所未有地高效运行。


· 片上互联。这又是 M1 芯片的一大杀手锏。在传统的 PC 硬件架构中,内存、GPU、CPU 等部件,需要经由主板相关总线来传输数据,而 M1 芯片则将这些部件进行了 SoC 化,将其集成到了同一块芯片当中。相比传统做法,M1 芯片能极大程度地提升数据传输的速度,性能得到了系统性的提升。


macOS 可以凭借 M1 芯片挑战 Windows 吗


M1 芯片结合 macOS 11,表现令很多人眼前一亮。对比 Windows 在 ARM 领域的坎坷进军,苹果这套组合拳更显得出类拔萃。那么问题来了,在这个 ARM 愈发强势的时代,macOS 能否凭借 M1 这颗顶级的 ARM 芯片,挑战 Windows 以及 X86 体系?恐怕依然是不行的。


首先来说说硬件方面。


上文提到了 M1 芯片性能强大的秘密,但这是否意味着它就可以挑战 X86 处理器?X86 处理器之所以没有使用 M1 这样的激进架构设计,是有很多现实方面的原因的。


首先,和 ARM 相比,X86 背负着更沉重的历史兼容问题。虽然当前的 X86 处理器本质上也是将复杂指令拆分为简单指令进行解码,但 X86 指令的长度并不固定(变长指令),不像 ARM 处理器那样,只解码长度固定的定长指令,这意味着 X86 处理器很难通过堆砌指令解码器,来大幅提升性能。如今的 X86 处理器仍兼容多年前的 MMX 等古老指令,这些又需要耗费额外的晶体管。这些现状,令 X86 无法像 ARM 那样轻装上阵。



需要耗费更多晶体管,去兼容 MMX 等古老指令,这就是所谓的 “X86 税”


而苹果从来对向后兼容不上心。为了追求性能,苹果的兼容可以烂到什么程度呢?例如你买了最新版的使用 M1 处理器的 MacBook,想要打开几年前剪视频的项目文件,发现新版 Final Cut 已经不支持这个旧版文件,而现在的 MacBook,又安装不了旧版的 Final Cut(不再支持 32 位)…… 你几年前拍摄的素材,就这么废掉了。



几年前的文件,用新 Mac 打不开,苹果可不考虑旧软件的兼容


苹果主攻消费市场,它可以让 M1 芯片彻底抛弃 ARMv7 指令集、放弃 32 位支持,让晶体管用在刀刃上;但 X86 广泛用于企业、工控等领域,它敢这样做吗?想想 Intel 安腾 IA-64 的惨淡下场,答案不言而喻。


X86 当前对比 M1 有能效劣势,那它能不能像 M1 那样,使用 8 解码的超宽架构?由于变长指令等限制,X86 处理器要实现超宽架构,设计难度太大,因此当前 X86 处理器选择了多核心超线程、超宽 SIMD(例如 AVX512)作为性能路线。


这又带来一个问题。和 ARM 处理器相比,想要发挥出应有的性能,代码需要专门为这些特性进行优化。X86 并不像 M1 芯片那样,运行苹果为其高度优化定制的 macOS 系统,这进一步削弱了 X86 处理器在性能上的优势——最近的一个典型例子,就是 Windows 并不能很好地调度 Zen 2 处理器的 CCX 模块,需要为其制作补丁。



Win10 1903 对 Zen 架构的优化:优先调用同一 CCX 内的核心、缩短响应时间,但如果没有这补丁呢?


而不得不提的是,M1 的激进设计,以及 macOS 的优化,令 Mac 表现出匪夷所思的性能,但这些性能优势,是否将一直持续?前面提到,M1 的强劲性能很多是通过专用电路来实现的,苹果系统通过 API 活用这些电路,让 Mac 拥有了出色的能效比。然而专用电路的软肋也在于 “专用”,M1 今天能够实现高规格 HEVC 视频的硬件加速,当新的视频编码面世,它还能有如此大的性能优势吗?恐怕无法做到。


最关键的一点在于,M1 芯片是苹果专属,它不会外卖给其他厂商。这意味着,除了 Mac 电脑对应的消费市场,它没法在更多领域上,向 X86 发起冲击。与之相比,X86 以及 Windows 的分布更加广泛,或许搭载 M1 的 macOS 能够在某些领域刺到消费者的痛点,但苹果仍无力打破 X86 和 Windows 筑起的壁垒。



M1 芯片是 Apple Silicon,它不会外卖给他人,无法在更多领域对 X86 和 Windows 发起挑战


简而言之,和 M1 芯片相比,X86 处理器的设计没有那么激进,也没有这么多专属优化,因此在不少情况下性能会落于下风。但 X86 处理器的向后兼容、多线程并发等优势,也是 M1 芯片无法企及的。X86 芯片在商用、工控、消费市场都能独挑大梁,ARM 阵营并不能凭借 M1 芯片,就挑翻盘根错节的 X86 体系。


再来说说软件。


macOS 11 非常惊艳,通过 SwiftUI 以及 Mac Catalyst,融合了苹果移动平台的生态。加之使用 Rosetta 2 转换层兼容已有的 X86 软件,这让它能够在保有大部分 X86 生态的同时,在 ARM 生态中活用 M1 的性能长处。很多朋友可以观察到,macOS 11 并不缺软件,而很多跨平台同时支持 Windows 和 macOS 11 的软件,在 macOS 11 中性能表现会更好。例如微软家的 Office、Visual Studio Code,就是其中例子。


M1 为 macOS 提供了澎湃的性能,macOS 能否藉此挑战 Windows?在轻薄本领域,新的 M1 版 MacBook 已经鹤立鸡群,但 macOS 所面对的局限,和 M1 芯片是如出一辙的——它并不对外开放授权。



macOS 将慢慢成为苹果 ARM 芯片的独占,PC 机运行 macOS 的 “黑苹果”将成为历史


如果说 X86 时代,macOS 还可以通过黑苹果的方式,安装在其他机器上,那么进入到 ARM 时代后,macOS 必然会渐渐成为 Mac 电脑的独占。当苹果未来进一步在 Mac 电脑中普及 ARM 处理器,Mac 和 PC 没有了共通的硬件基础,macOS 自然也就无法通过伪装硬件型号等手段,安装到其他 PC 中。


也就是说,ARM 处理器的应用,反而减少了 macOS 的适用范围。macOS 只能在苹果的既定硬件产品上,和对应的 Windows PC 竞争;而 Windows 开放的系统授权,必然能覆盖远多于苹果产品线的 PC 产品。从这个层面来看,macOS 只能凭借少数的尖端产品、吸引少部分 PC 用户,不可能在整体上和 Windows 产生竞争。



反观 Win10 ARM,可以安装在其他 ARM 设备上,这是否会重演 X86 时代 PC 围攻 Mac 的故事?


在可以预见的未来,这一情况不会改变。苹果从诞生起,一直秉持着制作小而精产品的理念,苹果从来就没打算让 macOS 像 Windows 那样,成为大众之选。对于苹果而言,无论是 M1 芯片还是 macOS 11 系统,都只不过是构造心目中某款理想产品的部件,它们不需要攻城略地占下大片市场份额,只需站上某个高耸的小山头即可。


M1 芯片是 macOS 的一把尖刀,但它们显然是无法撬动 Windows 和 X86 处理器筑成的这堵庞大城墙的。


后话


总的来说,macOS 不太可能凭借 M1 芯片,来挑动 Windows 和 X86 的市场地位。


·M1 芯片和 macOS 的高性能,当然是受益于先进的工艺、激进的架构以及专门的优化,但也很大程度上也是以牺牲向后兼容性为代价的,需要长期稳定运行的环境无法接受这样的产品;


·M1 芯片和 macOS 都只服务于品类稀少的苹果产品,无法与 Windows、X86 在更多的细分领域竞争。


无论如何,M1 芯片的横空出世,的确刷新了很多人的观念。ARM 也可以用于高性能计算,在特定的环境下,它能比 X86 做得更好,这足以支撑 Mac 这样的小众产品成为爆品。Windows 10 on ARM 以及 Windows 10X 也正在紧锣密鼓地开发中,微软在 ARM 时代能再创辉煌吗?除了 macOS,Windows 是否会遇到新的挑战者?我们拭目以待吧。

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