苹果芯片发展史：2020年至今

距离蒂姆·库克发布 Apple Silicon 公告五周年纪念日以及关于 Apple Silicon 的传闻出现十多年了。本文将回顾整个事件的开端，发布过程，以及未来展望。

在经历了多年因 Intel 芯片而受限的困境后，Apple 在 2020 年的 WWDC 上宣布转向 Apple Silicon。这项摆脱旧有架构的举措意味着 Apple 将为其 Mac 和 MacBook 产品线转向自行设计的新芯片，并于同年晚些时候开始。

从 Intel 到 Apple Silicon 的两年过渡期开启了公司乃至整个行业的重大变革。除了芯片发布时通常会宣称的高效率设计和高性能之外，Apple Silicon 还将 iPhone 芯片中最具前瞻性的功能引入了桌面电脑。

M 系列芯片中 Neural Engine 的加入具有开创性意义，迫使计算行业的其他公司也开始考虑以类似的方式选择处理器。

苹果CEO蒂姆·库克在2020年WWDC上介绍Apple Silicon – 图片来源：Apple

从根本上讲，该芯片遵循了带有内置 GPU 的处理器的基本理念，这在处理器领域曾经并且仍然是一个相当传统的概念。Neural Engine 确实在可以从机器学习中受益的任务中增加了更多性能，但另一项与传统的区别也起到了辅助作用。

Apple 没有像往常那样为 CPU 和 GPU 以及其他组件使用分离的内存池，而是决定使用统一内存。这与通常的概念背道而驰，它使用一个大型的内存池，CPU 的所有元素都可以访问。

这种想法在多个方面帮助提高了性能，包括允许组件访问内存中的相同数据，而无需不必要地复制它。

GPU 也因此受益，统一内存越多，它可用于图形工作的内存就越多。这使得 Apple Silicon 中的 GPU 可以访问比 PC 现代独立 GPU 或显卡中更多的内存。

虽然当时 Apple Silicon 的推出侧重于用于 Mac 的 M1 和 M 系列芯片，但“Apple Silicon”一词的使用范围已经扩大。它现在指的是 Apple 的所有主要处理芯片，包括 iPhone 和 iPad 系列中使用的 A 系列芯片，它们也是 M 系列芯片的先驱产品。

Apple Silicon 无处不在，它不仅仅是处理器，也不仅仅存在于 Mac 中。但是，为了简单起见，这次我们将从最初以 Mac 为中心的角度讨论 Apple Silicon。

即使只考虑 M 系列本身，Apple Silicon 自推出以来所取得的进展也是惊人的，并且对整个行业带来了挑战。

Apple Silicon 之前：与 Intel 的麻烦

Apple 决定制造自己的芯片，是因为该公司与 Intel 之间存在相当大的问题。

在 2010 年代，Intel 是一家主要的计算力量。这是它多年来赢得的地位，但芯片制造商无法维持这种地位。

对于 Intel 来说，保持与摩尔定律同步非常困难，因为它需要不断缩小芯片尺寸。每项新的工艺改进都会增加新的障碍，而随后的芯片尺寸缩小也越来越难以完善。

最终，Intel 放弃了其众所周知的 “Tick-Tock” 战略，即工艺变更（Tick）之后是该工艺中的架构更新（Tock）。相反，到 2016 年，Intel 转而采用 “Tick-Tock-Tock” 战略，在最后添加一个优化阶段，以便在新工艺缩小之前从中获得更多收益。

不可避免的是，芯片尺寸缩小的延迟，例如 10 纳米 Intel 芯片的推出，是 Apple 无法承受的。

这只是 Apple 面临的 Intel 问题之一，芯片产生的热量和高功耗是日益严重的大问题。在 2018 年，这导致了影响当年 MacBook Pro 更新的散热限制问题。

散热限制严重到成为一个问题，并且因不良固件而加剧。消费者很快就发现了这一点。

在进行了我们自己的测试后，AppleInsider 的 Mike Wuerthele 在 Leo LaPorte 的 The New Screen Savers 上详细讨论了散热限制。

值得注意的是，Mike 说最终被称为 Apple Silicon 的芯片将于 2020 年在 Mac 硬件的低端产品上首次亮相。

早在几年前就有传言称，Apple 将其更多移动芯片工作内部化，其中包括一些可以追溯到 2011 年的传言。随着 Apple 经验的不断增长，转向 Mac 芯片开发似乎是不可避免的。

当然，要到达那里需要克服一些障碍，但随着时间的推移，它拥有了摆脱 Intel 并走自己的路的知识和能力。

看来 Intel 与 Apple 关系的恶化促使 iPhone 制造商更加下定决心转向 Mac。

它已经掌握了管理自身芯片的散热和功耗需求，从而延长 iPhone 的电池续航时间并防止智能手机过热。将其知识用于桌面级处理器并取得巨大效果是有道理的。

通过与长期芯片合作伙伴 TSMC 合作，Apple 正是这样做的。

M1：最初的发布

Tim Cook 宣布后 Apple 推出的第一个 Apple Silicon 硬件并不是带有 M1 芯片的硬件。实际上，它是一款 A 系列芯片。

开发人员过渡套件以定制的 Mac mini 的形式分发，该 Mac mini 去除了 Intel 组件，而是填充了 Apple Silicon 硬件。其核心是 Apple A12Z Bionic，这是一个 apt 的选择，因为它是功能最强大的 A 系列芯片，并且与开发人员可以从第一个官方基于 ARM 的版本中获得的芯片非常相似。

不同尺寸的 M1 系列芯片 – 图片来源：Apple

M1 系列从 M1 开始，使用 5 纳米工艺制造。它有 160 亿个晶体管，四个高性能内核和四个节能内核以及七核或八核 GPU。

至于 Neural Engine，它是一个 16 核组件，每秒能够进行 11 万亿次运算。虽然内存容量很低，只有 8GB 或 16GB，但它们也可以使用 68.25GB/s 的内存带宽，与现代版本相比，速度非常慢。

Apple 花了将近一年的时间才发布 M1 Pro 和 M1 Max 芯片，这些芯片带来了更强的动力和性能。

Pro 在 CPU 中有六个或八个性能内核，以及两个效率内核。Max 版本有八个性能内核和四个效率内核。

每个芯片上的 GPU 核心数量也有所增加，Pro 上为 14 到 16 个，Max 上为 24 到 32 个。Neural Engine 保持不变，但内存带宽分别提升到 200GB/s 和 400GB/s。

M1 芯片完全没有的另一个添加是媒体引擎，或者说用于解码和编码视频的专用硬件。此功能使 M1 Pro 和后来的芯片对于视频编辑人员和内容创意人员来说非常棒，尤其是那些使用行业标准 ProRES 的人员。

2022 年 3 月推出的 M1 Ultra 是一款具有开创性的芯片，它以不同的方式实现了这一目标。通过使用互连，Apple 有效地将两个 M1 Max 芯片焊接在一起，从而在几乎所有方面都创造出了功能强大一倍的产品。

这意味着 CPU 上最多可有 16 个性能内核以及八个效率内核、GPU 核心数量最多可达 64 个以及 32 核 Neural Engine。由于它是两个芯片连接在一起，因此它拥有 Max 提供的所有内容的两个是有道理的。

随着产品线的扩大和核心数量的增加，您还可以看到性能的提高。每个核心的功能并没有增加，但总和对最终用户更有利。

使用最新的 Geekbench 结果，很容易看到这种性能的演变。为了便于比较，我们使用了每个芯片的最高分，无论核心数量或型号如何。

单核基准测试 – M1

单核测试的所有四个芯片都在相同的水平上，低于或大约 2，400 分。这是有道理的，因为测试仅使用一个快速内核，并且对于这一代来说，它们几乎相同。

多核基准测试 – M1

多核基准测试开始显示一些差异，这主要是由于每个芯片使用的核心数量。使用的核心越多，分数越高。

Metal 基准测试 – M1

这在 Metal 基准测试中更加明显，因为它们依赖于 GPU 核心数量。每个芯片层级之间都有相当大的跳跃。

M2：下一代

M2 系列于 2022 年 6 月推出，其开端与 M1 类似，都是推出了基本层级的芯片。再次使用了 5 纳米工艺，但 Apple 将晶体管数量从 M1 的 160 亿个增加到 200 亿个。

基本 M2 芯片的统计信息 – 图片来源：Apple

CPU 继续采用四性能内核和四效率内核的划分，但这些内核提供了比上一代更高的性能。GPU 也受益，总共有多达 10 个内核的选项。

Neural Engine 更强大，其 16 个内核每秒能够进行 15.8 万亿次运算。内存带宽也增加到 100GB/s。

按照既定的剧本，M2 Pro 和 M2 Max 于 2023 年 1 月到货。同样，有更多的内核可以玩，因为 M2 Pro 有六个或八个性能内核和四个效率内核，而 Max 有八个性能内核和四个效率内核。

GPU 选项也扩大了，Pro 上为 16 到 19 个，Pro Max 上为 30 到 38 个。各自层级的相同级别的内存带宽升级再次出现。

Apple 一直到 6 月才推出 M2 Ultra。再次将两个 M2 Max 芯片融合在一起，它就拥有 16 个性能内核、八个效率内核、一个 32 核 Neural Engine、多达 76 个 GPU 内核，并使用了 1340 亿个晶体管。

内存允许量也惊人，它可以使用的内存高达 192GB。所有这些都受益于高达 800GB/s 的内存带宽。

单核基准测试 – M2

在性能方面，单核性能总体上更好，但差异仍然不大。多核分数显示了更多信息，其中 M2 Pro 和 M2 Max 在中间非常接近。

多核基准测试 – M2

再次，GPU 方面显示 M2 Ultra 具有极强的性能。这使它在很长一段时间内成为视觉创作者的最爱。

Metal 基准测试 – M2

M3：艰难的第三张专辑

到了第三代，科技媒体已经习惯了 Apple 如何推出其新的 Apple Silicon 版本。或者至少他们自认为已经了解了发布的节奏。

2023 年 10 月推出的 M3 非常不寻常，主要是因为 Apple 不仅仅推出了一款 M3 芯片。它同时推出了 Pro 和 Max 版本。

Apple 同时推出了三款 M3 芯片

借助新的 3 纳米工艺和 250 亿个晶体管，M3 为用户提供了非常熟悉的组成。与上次一样，有具有四个性能内核和四个效率内核的八核 CPU，并且再次是最顶端的 10 核 GPU。

虽然此时看似相似，但还是存在差异。Apple 本身坚持认为，与 M1 芯片相比，CPU 和 GPU 的性能分别提高了 35% 和 65%。

Neural Engine 也获得了一些性能提升，具有 16 个内核的组件升级为每秒最多可进行 18 万亿次运算。

这次的一大变化是称为动态缓存的技术，该技术允许 GPU 实时在硬件中分配对本地内存的使用。这意味着它只能分配所需的内存量，从而提高利用率。

GPU 还获得了硬件加速的光线追踪和网格着色。这有助于在游戏和其他图形应用程序中生成视觉上复杂的场景。

M3 Pro 和 M3 Max 与规范有所不同，因为 Apple 对 CPU 的区分比平常更多。Pro 具有 11 核或 12 核 CPU，其中五核或六核性能内核与六核效率内核配对。

单核基准测试 – M2

M3 Max 具有 10 核或 12 核性能内核，以及四个效率内核。除了拥有比 Pro 更多的内核外，M3 Max 需要处理的效率内核更少。

这一代的内存带宽有所倒退。这次的 150GB/s 和 300GB/s 速率低于 M2 的同等产品。

在 GPU 方面，M3 Pro 具有 14 到 18 个内核，而 M3 Max 具有 30 到 40 个 GPU 内核。

多核基准测试 – M3

M3 Ultra 更加神秘，因为它没有及时到货。传言猜测该芯片是否已被取消，以便更快地转向 M4 一代。

但它最终还是在 2025 年 3 月出现了。这距离下一代产品 M4 Pro 和 Max 的发布已经过去了几个月。

Metal 基准测试 – M3

与往常一样，M3 Ultra 是通过将两个 M3 Max 芯片粘合在一起制成的。这意味着 CPU 内核数量为 28 或 32 个，其中 20 或 24 个性能内核与八个效率内核配对。

还包括一个 32 核 Neural Engine，以及一个 60 或 80 核 GPU。内存容量跃升至 512GB 的统一内存，并提供 800GB/s 的内存带宽。

在性能图表中，主要要看的是多核结果。与 M2 和 M3 一代不同，您可以看到 M3 Pro 和 M3 Max 芯片之间的明显分离。

M4：持续增长

M4 是当前一代用于 Mac 的 Apple Silicon，也是该系列中性能最高的。

M4 于 2024 年 5 月推出，采用了 3 纳米工艺，并集成了 280 亿个晶体管。它是一款 9 核或 10 核 CPU，其中 3 核或 4 核性能内核与 6 核效率内核混合使用。

这次 M4 包括六个效率内核 – 图片来源：Apple

有一个 10 核 GPU，其升级与 M3 版本相同，还有一个 16 核 Neural Engine，每秒能够进行 38 万亿次运算。内存带宽提高到 120GB/s。

M4 Pro 将规格推向了 12 核或 14 核 CPU，其中 8 核或 10 核性能内核和 4 核效率内核，仿佛 Apple 从 M3 Pro 中吸取了教训。M4 Pro GPU 提供 16 核和 20 核两种型号，内存带宽高达 273GB/s。

单核基准测试 – M4

M4 Pro 还对 M4 进行了改进，将其 Thunderbolt 支持从 Thunderbolt 4 升级到 Thunderbolt 5。这意味着设备之间的数据传输具有更大的带宽，速率为 80Gbps，而 Thunderbolt 4 的速率为 40Gbps。

M4 Max 比 M4 Max 更进一步，可以选择 14 核或 16 核 CPU，其中 10 核或 12 核性能内核和 4 核效率内核。GPU 升级到 32 核或 40 核版本，内存带宽提高到 546 GB/s。

多核基准测试 – M4

截至本文发布时，还没有 M4 Ultra，预计也不会有。Apple 本身表示，并非每个 Apple Silicon 世代都会有 Ultra 芯片，因此无法保证会有 M4 Ultra 上市。

在性能方面，单核结果再次相当均匀，其中 Max 略高于其他芯片。

Metal 基准测试 – M4

多核测试再次显示性能渐进，由核心数量驱动。但这一次，Pro 和 Max 之间的差异比 M3 略不明显。

不出所料，Metal 结果显示了相同的基于核心数量的结果。核心越多，结果越高。

从 M1 到 M4

Apple 已经证明，随着世代的更迭，它改进了 Apple Silicon。在几乎所有情况下，较新的版本都比旧版本有所优势，只有少数几代之间出现了波动。

多年来的主要变化是核心速度和核心数量。通过在一个图表中比较所有单核结果，可以完美地证明这一点。

所有 M 系列在 Geekbench 下进行的单核测试的基准测试得分

您可以看到基本 M1 和 M4 芯片之间的性能提高了 60%，而 M1 Max 和 M4 Max 的性能提高了 62%。事实上，您可以看到版本之间非常清晰的代际跳跃。

当您转向多核得分时，很明显，时钟速度只是其中一个因素。核心数量的增加也可以放大差异。

所有 M 系列在 Geekbench 下进行的多核测试的基准测试得分

基本 M4 比同等的 M1 快 74%，但较高层的增长更多。当您比较 M1 Max 和 M4 Max 时，性能提升达到了 203%。

转向 Metal 下的图形性能，最大的提升发生在基本版本中。M1 和 M4 芯片之间的 Geekbench Metal 得分差异为 74%。

所有 M 系列在 Geekbench 下进行的 Metal 测试的基准测试得分

这并不是说其他的比较弱，因为三代之间的 Pro 和 Max 性能分别提高了 65% 和 62%。即使是从 M1 到 M3 Ultra 的两代跳跃也提高了 61%。

一起查看图表时，一件非常明显的事情是，升级在各代之间相当一致。每次都有大致相同水平的改进，这对未来来说是个好兆头。

未来五年

如果 Apple 有什么特点的话，那就是准时和习惯性。也就是说，未来几年 Apple Silicon 的发展方向应该与现在基本相同。

全面的准年度改进，以及与现在相同的世代结构。除了偶尔添加 Ultra 芯片之外。

Apple CEO 蒂姆·库克在介绍 Apple Silicon – 图片来源：Apple

预计 M5 世代即将到来，据说已经投入量产。至于这次的新东西是什么，有人猜测 Apple 将转向分离 CPU 和 GPU，这可能会进一步提高性能。

甚至有说法称，M6 会将 Apple 的调制解调器技术融入到移动设备的一体化解决方案中。想象一下在 MacBook Pro 上实现蜂窝连接，而无需绑定到 iPhone。

虽然我们不知道 Apple Silicon 的未来会如何发展，但我们可以有信心地说，随着时间的推移，它仍会变得更好。