Ковыряемся в чипе M1 от Apple

Apple M1, первый чип, созданный инженерами Apple и предназначенный для их собственной линейки компьютеров, превзошел многие конкурирующие микропроцессоры и почти все компоненты, используемые в других устройствах от Apple (особенно в тестах производительности на одно ядро и графических бенчмарках).

Apple была достаточно любезна, чтобы опубликовать фотографию кристалла (это еще одна небольшая деталь, которая приблизила компанию к AMD и Intel, поскольку теперь это традиционная стратегия анонса новых процессоров), и они были быстро разобраны супер-компьютерщиками – такими как Андрей Фрумусану из Anandtech.

Мы знаем из самых ранних анонсов, что M1 на базе ARM будет крепким представителем категории SoC.

Вероятно, аналитикам будет проще анализировать процессоры, собранные из чиплетов (ожидается, что такая архитектура ЦП будет вымещать традиционную). Поскольку каждый чиплет, по сути, является отдельным куском кремния. Чтобы разобраться в архитектуре SoC, нужно немного (возможно, много) присмотреться.

Выделение отдельных блоков (на изначально неразмеченной карте) Apple M1

Все эти усилия принесут пользу конкурентам и тем, кто заинтересован в эффективной организации кремниевых устройств. Как известно, самое популярное преимущество архитектуры упакованных систем, в которых используются чиплеты, над монолитными устройствами заключается в том, что SoC-решения быстро становятся сложными, запутанными и дорогими. Это приводит к тому, что на рынок SoC могут выходить далеко не все компании, занимающиеся микросхемами. Понимание устройства лучших продуктов в классе и исследования в области передовых современных технологий более важны, чем опыт разработки упакованных чипов.

Особенности M1

У М1 есть ряд отличительных особенностей.

Во-первых, места под кэш-память на кристалле выделено весьма немного. Инженеры Apple сосредоточились на функциональности, а не на объеме памяти. Архитектура UMA, используемая в M1 освобождает пространство на кристалле, при этом обеспечивает быстрый доступ к LPDDR4X-памяти. UMA позволяет разделять отдельные компоненты памяти как между ядрами ЦП, так и графическим процессором, чтобы оптимизировать структуру чипа. Сохранение физической близости модулей памяти — это концепция, заимствованная у мобильных процессоров, в которых память размещается поверх процессоров как в архитектуре упакованных систем. Об этом много говорили ранее – если вкратце, то подобный подход в компьютерах применяется для повышения производительности и эффективного рассеивания тепла, а архитектура, взятая из мобильных устройств, обеспечивает компактность и энергоэффективность.

Значительная часть чипа M1 выделена под графический модуль. Кому-то может показаться, что это неудивительно, хотя на самом деле это не так. Никто не ожидал, что Apple пожертвует производительностью графики, уменьшив пространство, отведенное под встроенный графический процессор. В какой-то мере, этот подход также взят из мобильной архитектуры.

Еще один важный аспект устройства чипа M1 заключается в том, что Apple предпочла увеличить количество логических ячеек (а не физических ядер). Таково преимущество разработки процессоров под собственный ОС – некоторые функции можно встраивать в прошивку и разгружать ЦП для выполнения более сложных задач. Мой хороший друг и отличный технологический аналитик Пол Болдт неоднократно говорил об этом. В одной из его статей приводится цитата Алана Кея, которую я вставлю и в этот текст: «Люди, которые действительно серьезно занимаются ПО, должны производить и свое железо».

Стив Джобс цитирует Алана Кея

Интересную возможность представляет технология flip-chip, используемая для сборки самых передовых микросхем. О ней я писал в одном из своих предыдущих текстов – она позволяет быстро получать изображения с устройством чипа за счет прозрачности кремния для инфракрасного излучения. Такой подход экономит время и деньги.

Простота доступа к M1 в Mac Mini также позволила наблюдать за чипом во время тестирования в бенчмарках.

Используя тепловизор, можно отслеживать активные области чипа по их температуре. На изображении, приведенном ниже в качестве примера, есть ярко-желтое пятно – это высокопроизводительное ядро, активное во время работы компьютера. Благодаря раннему доступу к бенчмаркам (таким как Geekbench 5), созданным специально для процессора M1, температурный анализ позволил выявить расположение ядер Firestorm и Icestorm, графического и нейронного процессоров и многих других компонентов.

Температурный анализ был очень полезен и открыл двери для других методов тестирования. Впрочем, другие вычислительные платформы (особенно мобильные) затрудняют проведение анализа. Но если есть желание, то найдется и решение. Что еще более важно (и очевидно на рынке полупроводников), если есть достаточный бюджет, то все получится.

Снимок M1 с тепловизора в режиме работы одного ядра (Источник: MuAnalysis)

Хотя большая часть внимания к M1 связана с его архитектурой (и так и должно быть), в дизайне и структуре процессора интересны не только технические детали. Подложки M1 BGA с двумя установленными бок о бок модулями памяти LPDDR4X и полностью инкапсулированными пакетами BGA DRAM идентичны (или очень похожи) мобильным процессорам серии A, используемыем в iPad – A12X и A12Z.

Вероятно, лучший инструмент для получения общего представления о сложной структуре устройства, при этом обеспечивающий детальность изображения — это рентгеновская компьютерная томография. Компания System Plus Consulting опубликовала обзор результатов компьютерной томографии и проанализировала интеграцию как поверхностных, так и встроенных в подложку кремниевых развязывающих конденсаторов в M1. Эта информация о чипе является частью стандартного анализа затрат от System Plus Consulting.

Перспективный рентгеновский снимок КТ пакета M1

System Plus недавно обновила свои доклады о затратах включив туда сведения, отсутствующие в их предыдущих отчетах. По словам генерального директора System Plus Ромена Фро, «Новый чип M1 от Apple позволил System Plus воспользоваться двумя новыми методами анализа. Мы составили отчет об архитектуре чипа и провели анализ его поверхности с помощью просвечивающего электронного микроскопа (в дополнение к нашему стандартному отчету о стоимости, в котором анализируются сами кристалл и корпус). Новая методика формирования отчетов значительно повысит ценность наших услуг в области сравнительного анализа».

Какую роль сыграл iPad Pro?

В течение нескольких лет вокруг iPad Pro и его значения для Apple, было много дискуссий и предположений. Будет ли iPad Pro заменой ноутбуку? Это мнение также вызвало обсуждение возможного перехода тандема мобильных процессоров и iOS на компоненты для персональных компьютеров.

Несомненно, iPad Pro был частью этого пути Apple. Повторение архитектуры чипа на iPad, Macbook Air и Pro, а также на Mac mini, безусловно, указывает на стремление к обобщению.

M1 и A12X внешне идентичны

Основным параметром сравнительного анализа продуктов является стоимость. Группам конкурентной разведки, работающим в компаниях-производителях микросхем, вероятно, не придется далеко ходить, чтобы сравнить характеристики других продуктов со своими собственными разработками. Заметное конкурентное преимущество может быть получено за счет оптимизации структуры затрат по сравнению с конкурентами. Разделение устройств на уровне «голых» кристаллов позволит раскрыть эти аспекты с разумной степенью детализации с учетом правильного опыта, понимания отрасли и моделирования.

Что делает эту работу действительно увлекательной, так это возможность раскрыть инновации, которые помогают отрасли полупроводникового развиваться и двигают этот рынок вперед.

• Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
• В современном автомобиле строк кода больше чем…
• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive