Proč jsou procesory Apple tak výkonné?

Inženýr společnosti Apple vysvětluje, proč je procesor M1 tak skvělý

Procesor M1, který Apple vydal koncem minulého roku jako součást svých nových počítačů Mac, se ukázal jako nejvýkonnější a energeticky nejúčinnější řešení ve své třídě. Zpráva o tom vyvolala skutečnou senzaci a způsobila překvapení nejen mezi uživateli, ale samozřejmě také klíčovými hráči na trhu stolních procesorů. Přesto je obtížné jasně reagovat, když téměř mobilní čip M1 překonává i Intel Core i7, pokud jde o výpočetní výkon, a velmi se blíží i9. Tento úspěch ale nebyl náhodný.

M1 je nejvýkonnější procesor ve svém segmentu, ale jak se to stalo?

MacBooky na Apple M1 jsou skvělé, ale proč si je nikdo neběží koupit?

Podle bývalého inženýra Applu Shaka Rona, který se podílel na vývoji procesorů řady A, si společnost začala razit cestu k M1 před více než 10 lety a zvolila si vlastní metodiku vývoje čipsetů. Jednalo se o použití vlastní architektury instrukční sady (ISA). Apple uzavřel dohodu s ARM, která ani nedokončila svůj základní design a ještě nezačala licencovat ARM64. V té době o 64bitové architektuře uvažoval málokdo a Apple ji již úspěšně používal ve svých mobilních zařízeních.

Proč jsou procesory Apple lepší

Macy M1 jsou výrazně lepší než jejich konkurenti

Vydáním svého prvního 64bitového procesoru v roce 2013 (Apple A7, který poháněl iPhone 5s) Apple zaskočil Samsung a Qualcomm, které tehdy vydávaly pouze 32bitová řešení. Ano, Snapdragon 410, první 64bitový procesor Qualcommu, vyšel brzy, ale byl to klenot na základní úrovni, který neměl uživatelům co nabídnout. Skutečná bitva začala až o rok později, a ani tehdy, jelikož byl Qualcomm nucen dělat vše ve spěchu, nebyl schopen dosáhnout stejné úrovně jako Apple, což mu umožnilo rok od roku pouze prohlubovat propast.

Navzdory skutečnosti, že se Qualcomm i Samsung snažily rozdíl kompenzovat různými způsoby, použití techniky OoO (Out-of-Order) Apple jim neumožnilo dosáhnout úrovně výpočetního výkonu, a to navzdory počtu jader a taktu. rychlost se několikrát liší. Tato technika je navržena tak, aby oddělila front-end příkazy od back-endových. Velmi zjednodušeně řečeno, úkoly, které musel procesor provádět, byly prováděny spíše paralelně než sekvenčně, což zkracovalo čas strávený na nich.

Proč jsou procesory Apple výkonnější

M1 překonává i Intel Core i7 a je jasné, že ještě dlouho nebude mít konkurenty

Superskalarita hrála důležitou roli při zlepšování procesorů Apple, což mu umožnilo systematicky zvyšovat počet jader a tranzistorů. Počínaje dvěma jádry v procesoru A7 Apple skončil se šesti výpočetními a osmi grafickými jádry v A14 Bionic. Počet tranzistorů v M1 se stal rekordním a dosáhl 16 miliard kusů. To je vážný ukazatel, kterého se Applu ani nikomu jinému dříve nepodařilo dosáhnout. Alespoň pokud jde o komerčně úspěšná řešení.

Superskalární procesor je procesor, který podporuje paralelismus na úrovni instrukcí, to znamená, že je schopen provádět několik instrukcí současně díky zahrnutí několika stejných funkčních jednotek do svého výpočetního jádra.

Je zřejmé, že faktorů, které přispěly k úspěchu M1, bylo poměrně dost, ale klíčový byl dlouhodobý přístup Applu. Kdyby v těch vzdálených časech nezačala vyvíjet procesory po svém, ale spoléhala na dodavatele, nedokázala by donutit konkurenci, aby kousala prach, nemluvě o tom, nabídnout spotřebitelům to nejlepší řešení na trhu. To ve výsledku vyústilo v převahu Applu nejen na trhu se smartphony, ale také na trhu počítačů, kde je nepravděpodobné, že by jej někdo dokázal v příštích letech obejít.

Apple je opět lepší než Android. Tentokrát procesory. Proč se tohle děje

Obvykle vždy, když Apple oznámí nový iPhone, oznámí také nový čipset. Pak každý nevyhnutelně porovná nejnovější řešení od Applu s návrhy Qualcomm, Samsung, Google a MediaTek. Obvykle netrvá dlouho, než přijdou výsledky benchmarku a Apple bude vyhlášen vítězem. Proč ale procesory Apple vždy porazí konkurenci? Proč procesory používané Androidem tolik zaostávají? Jsou čipy Apple opravdu tak dobré? Pojďme na to přijít.

Procesory Apple jsou skutečně lepší než ostatní, ale ne ve všem

Vyrábí Apple procesory?

Apple vyvíjí procesory, které využívají 64bitovou instrukční architekturu Arm. To znamená, že čipy Applu používají stejnou základní architekturu RISC jako Qualcomm, Samsung a Google. Rozdíl je v tom, že Apple má architektonickou licenci Arm, která mu umožňuje navrhovat vlastní čipy od začátku. Prvním nativním 64bitovým procesorem Arm společnosti Apple byl Apple A7, který byl použit v iPhone 5S. Měl dvoujádrový procesor 1,4 GHz a čtyřjádrový GPU PowerVR G6430. Zároveň byl vyroben procesní technologií 28 nm.

Nejnovější mobilní nabídky společnosti Apple využívají šestijádrový procesor a vlastní GPU. Axtal A15 obsahuje 15 miliard tranzistorů, 16jádrový Neural Engine a video kodek s podporou kódování a dekódování HEVC a H.265 a také s podporou dekódování MP4, VP8 a VP9. Tento procesor je vyroben pomocí druhé generace 5nm procesu TSMC známého jako N5P.

Stručně řečeno, nejnovější generace procesorů Apple nabízejí pokaždé lepší výkon než jakýkoli jiný procesor pro chytré telefony od jakékoli společnosti. Na papíře jsou skóre procesorů Apple (které mají pouze 6 jader) vyšší než skóre všech osmijádrových procesorů.

Hledáte něco zajímavého ke čtení? Už jste vyzkoušeli náš Yandex Zen?

Můžete věřit výsledkům testu telefonu?

Ale tady je důležité to pochopit Geekbench netestuje ty části čipové sady, které jsou zodpovědné za GPU, DSP, ISP a jakékoli funkce související s AI. Ale ovlivní každodenní provoz všech zařízení využívajících tyto procesory. Ale pokud jde o čistou rychlost procesoru, Apple je jasným vítězem.

Testy iPhonu jsou velmi dobré

Zde je potřeba zabrousit trochu do historie. Je fér to říct Apple zaskočil Qualcomm, když v roce 64 oznámila 7bitový A2013. Až do tohoto okamžiku Apple a Qualcomm dodávaly 32bitové procesory Armv7 pro použití v mobilních zařízeních. Qualcomm byl v čele se svým 32bitovým procesorem Snapdragon 800, který používal vlastní jádro Krait 400 spolu s GPU Adreno 330 Qualcomm se tehdy dařilo a trochu se uvolnil.

Apple je lepší než Qualcomm

Když Apple nečekaně oznámil 64bitový procesor Armv8, Qualcomm neměl nic. A vedení společnosti mohlo 64bitový A7 nazvat pouze „marketingovým trikem“. Qualcomm však poměrně rychle spustil svůj vlastní 64bitový systém.

Stalo se tak v dubnu 2014 s vydáním Snapdragonu 810. Řada jader „Cortex“ pochází přímo od správců architektury Arm. Ale ten stejný rok Apple oznámil A8, vlastní 64bitový procesor druhé generace. Teprve v březnu 2015 mohl Qualcomm oznámit vydání vlastního 64bitového procesoru Snapdragon 820 první generace s vlastním jádrem Kryo.

V září téhož roku Apple vydal iPhone 6S s A9, 64. generace XNUMXbitového interního procesoru. A stejně tak se Qualcomm rázem ocitl o dvě generace pozadu za Applem, ačkoliv to nic nenaznačovalo, Apple prostě prováděl vývoj velmi kompetentně a nepřipouštěl vážné úniky.

V roce 2016 Qualcomm opět pracoval s řešeními od Arm, ale zde bylo vše trochu jinak. Arm vytvořil nový licenční program, který umožnil svým nejdůvěryhodnějším partnerům získat včasný přístup k nejnovějším návrhům procesorů a dokonce je do určité míry přizpůsobit svým potřebám. Výsledkem bylo jádro CPU Kryo 280, kterých měl Snapdragon 835 podle specifikace listu osm. Co se týče uvedení tohoto procesoru, Qualcomm jej odložil z jara na zimu. To znamená, že 835 byl oznámen po Apple A10 a iPhone 7.

Snapdragon – síla a síla! Ale ne ve všem

Tento ping pong pokračuje. Věci se trochu změnily, když Arm představil řadu Cortex-X. Tato jádra CPU byla navržena tak, aby překlenula propast mezi procesory Android a Apple. Cortex-X je navržen především pro maximální výkon i při riziku zvýšené spotřeby. To je důvod, proč má mobilní procesor obvykle pouze jedno jádro Cortex-X, poté tři vysoce výkonná jádra Cortex-A a poté čtyři energeticky efektivní jádra – uspořádání 1+3+4.

Jak se procesory Apple liší od ostatních

O jádrech Apple je třeba vědět několik klíčových věcí. Ona má měl výhodu nad všemi, pokud jde o 64bitové procesory na bázi Arm. Ačkoli samotná společnost Arm oznámila Cortex-A57 již v říjnu 2012, očekávalo se, že její partneři dodají první procesory během roku 2014. Vývoj vysoce výkonného mobilního procesoru je složitý a časově náročný úkol. Nové zboží tedy nebylo možné vyzvednout hned.

Nyní se situace změnila a rytmus je takový, že Arm koncem jara oznamuje své nové designy procesorů a to výrobcům stačí vydala svá hotová řešení za 6-8 měsíců. I když o plánech na vydání nového produktu samozřejmě vědí zhruba rok před námi.

A také Procesory Apple jsou drahé a velké. To je také důležité pro pochopení jejich výkonu. Odhaduje se, že Snapdragon 888 má přibližně 10 miliard tranzistorů, zatímco Apple A14 má 11,8 miliardy tranzistorů. A15 je ještě větší – 15 miliard tranzistorů. Základem je, že Apple prodává smartphony, nikoli čipy. Díky tomu si může dovolit čipset prodražit a náklady se mu vrátit jinde mírným navýšením koncové maloobchodní ceny.

Vlastnosti procesorů řady A jsou skutečně působivé.

Nicméně, Arm a Qualcomm se zabývají prodejem žetonů a musí to udělat aby se žetony prodávaly se ziskem. A nejlépe s velkým ziskem. To je jediný způsob, jak vydělat peníze na investicích do výzkumu, které jsou potřebné k uvedení nových produktů. Další na řadě budou výrobci telefonů, kteří také potřebují vydělávat. To znamená, že hned v první fázi musíte šetřit na procesoru, aby to byl kompromis.

Procesory Apple mají velkou mezipaměť. Křemík stojí peníze a někteří výrobci čipů mohou získat zisk za pouhých 0,5 mm2 ušetřeného křemíku. Tady znovu Apple by mohl vyrábět větší čipy (z hlediska nákladů na křemík), včetně velkých mezipamětí.

Apple A14 má 4 MB L16 cache pro každé z vysoce výkonných jader a 15 MB systémové cache. A6 používá ještě větší mezipaměť: 32 MB pro každé z vysoce výkonných jader a 2,5 MB systémové mezipaměti. Tyto mezipaměti jsou obrovské ve srovnání s 8 MB mezipaměti L1 pro špičková jádra v Snapdragon 10 Gen XNUMX nebo XNUMX MB mezipaměti LXNUMX a mezipamětí systému.

A plán Applu vytvořit procesory se širokými kanály na (zpočátku) nižších taktech byl úspěšný. Ve velmi širokém smyslu mohou výrobci čipových sad vyrobit jádro CPU s úzkým kanálem, ale tento kanál použít při vysokých rychlostech hodin, nebo použít širší, ale s nižšími rychlostmi hodin. Stejně jako u skutečného vodovodního potrubí můžete čerpat vodu pod vysokým tlakem přes užší potrubí nebo při nižším tlaku přes širší potrubí. V obou případech je teoreticky možné dosáhnout stejné propustnosti. Procesory vytvořené Qualcommem sledují „úzkou“ cestu, zatímco Apple sleduje „širokou“ cestu.

V tomto kanálu Telegram najdete nejlepší výběr gadgetů a lifestylových produktů z AliExpress.

Bude Qualcomm lepší než Apple?

Jeden ze způsobů Qualcomm by mohl Apple dohnat, je najmout některé bývalé inženýry z Cupertina, kteří pracovali na procesorech, a nechat je navrhnout procesor Qualcomm. Zhruba to udělal Qualcomm.

Nuvia byla společnost založená v roce 2019 bývalým výkonným designérem procesorů Apple Gerardem Williamsem a Johnem Brunem, systémovým architektem společnosti Google. V Applu pracovali pět let na podobné pozici. Williams byl Hlavní architekt CPU v Cupertinu. Pracoval na architekturách CPU Cyclone, Typhoon, Twister, Hurricane, Monsoon a Vortex pro různé čipové sady Apple řady A. Před nástupem do Cupertina strávil Williams 12 let jako vědecký pracovník ve společnosti Arm, kde pracoval na architekturách Cortex-A8 a Cortex-A15. Qualcomm koupil jejich společnost za 1,4 miliardy dolarů.

Od té doby bývalý tým Nuvia pracoval na novém procesoru pro Qualcomm. Půjde o proprietární design a jeho počáteční verze budou zaměřeny na notebooky. Qualcomm plánuje vydat první spotřebitelské produkty s řešeními Nuvia v roce 2023. Poté se Qualcomm pravděpodobně pokusí vytvořit verze pro chytré telefony založené na stejné technologii.

Nelze popřít, že Apple má prvotřídní tým designérů procesorů, který v posledních několika letech trvale vyráběl ty nejlepší čipové sady na světě. Úspěch Applu není kouzla. Je to výsledek skvělého inženýrství, rychlého výkonu ve srovnání s konkurencí a luxusu vytvářet produkty, které nešetří křemíkem.

V každém případě nezapomínejte, že každý procesor je technologickým vrcholem.

Můžeme dostat nejlepší procesor od Qualcomm, Samsung nebo Mediatek jen v několika málo případech. Například pokud Apple z nějakého důvodu vydá špatný procesor. Takže ztratí vedení, ale pouze kvůli své chybě. Jeden ze zmíněných výrobců by mohl odvést dobrou práci sám a vydat drahý procesor s velkou plochou a velkým počtem matric věnovaných věcem, jako je cache. Ale v tomto případě to bude velmi drahé a smartphony budou ještě dražší.

V našem telegramovém chatu můžete diskutovat o čemkoli ze světa Androidu a klást své otázky.

Jsou procesory Apple opravdu lepší než ostatní?

Zde se vraťme na začátek. Řekl jsem, že Geekbench netestuje GPU, DSP, ISP a tak dále. Totiž tyto komponenty v procesorech Apple nejsou tak dobré ve srovnání s řešeními Qualcomm.

Nakonec záleží na uživatelské zkušenosti. Nabízí iPhone dobrou uživatelskou zkušenost? Ano. Poskytuje nejnovější vlajková loď Androidu poháněná nejnovějším procesorem Snapdragon dobrou uživatelskou zkušenost? Ano taky.

Všechny moderní čipové sady od Applu, Qualcommu a Samsungu ale obsahují specializované neurální procesorové jednotky (NPU). Provádějí úkoly, jako je detekce objektů, extrakce, rozpoznávání, detekce obličeje a identifikace. Dělají to mnohem rychleji než CPU, což Apple umí velmi dobře. Využití strojového učení se stává základní součástí uživatelské zkušenosti a není příliš závislé na výkonu procesoru. Přesně na tomto poli se budou odehrávat bitvy výrobců. Proto byste se neměli slepě řídit čísly v testech. Uživatelská zkušenost je mnohem důležitější a zde každý potřebuje tu svou.

• Apple vs Android
• Mobilní procesory
• Mobilní technologie