苹果自研芯片M1强在哪？

　　苹果的M1芯片在执行任务时有哪些优势？
　　苹果是从2004年起把自家笔记本的CPU从IBM的Power系列换到了Intel的酷睿系列，原因是Intel的CPU的性能功耗比远超过IBM。
　　而2020年，苹果又完全舍弃了Intel，用上了自己的CPU。其实理由也和当初一样，因为自家研发的CPU在性能功耗上比Intel好一大截。
　　但实际上，苹果M1系列CPU和一直以来的Intel酷睿系列、AMD的Zen3系列，构架都是高度类似的。那么，为什么M1会强那么多呢？
　　接下来，我就用这三款当前典型的CPU做个对比。为了降低你收听的负担，Intel的酷睿和AMD的Zen3我就不再重复全称了，直接就说Intel和AMD。
　　这些CPU在执行任务的时候，都是按照取指令指令译码指令执行对内存的读取结果写回这5个步骤进行的。下面，我们说说在这些细节上的差异。
　　在执行指令之前，影响性能的环节就是把指令拿过来。这就对应了刚才说的取指令这个步骤。取来的指令会放在一级缓存里，所以如果一级缓存够大，就有利于CPU提高性能。
　　在这一步，M1就大幅超越了Intel和AMD。M1的一级缓存是192KB，比Intel和AMD的32KB大了5倍。
　　指令拿来之后，还需要对指令做一下解码。这是因为，所有的外部指令都要被翻译成CPU可以看懂的语言才行。在这里，M1设置了8个解码器，Intel是5个，AMD是4个。仅从数量上，我们就可以看出差距。
　　但其实，差距还不止是数量上的。因为实际上，这3款CPU内部可以读懂的指令都是一类叫作RISC的指令（精简指令集）。这种指令，每一条的长度、执行时间固定，只不过不能太复杂，如果要完成复杂动作，需要堆叠好多条RISC才可以。
　　为了和进入解码器之前的指令有所区分，经过解码器之后的每一条指令就叫它微指令了。
　　而输入进CPU的指令又是什么呢？
　　苹果的M1，输入进来的就是RISC指令。而对于Intel和AMD来说，都是X86指令。这是一种和RISC指令完全不同的指令，它们叫作CISC（复杂指令集）。这种指令长度不固定、执行时间也不固定，只不过可以用一条指令执行一些比较复杂的任务，而不用堆叠好多条。
　　RISC和CISC是两个截然不同的阵营。在Intel和AMD的CPU里，需要多一道手续把CISC翻译成RICS，于是翻译的过程自然就需要耗能、耗时间。而苹果的M1，输入进来的指令就是RISC，翻译器输出的也是RISC。
　　你可能想问，既然苹果输入输出都是RISC，还翻译干嘛呢？因为还需要标准化一下。但这样的标准化，有点类似于把繁体中文翻译成简体中文，比较简单。而Intel和AMD在这一步做的翻译，类似于古汉语翻译成简体中文，就费劲多了。于是在这一步上，M1就节省了大量能耗。
　　在执行之前，还有一个步骤是把翻译标准化的指令发射出去。在发射这一步上，M1一次能发出8个微指令，而AMD一次发出6个，Intel一次发出4个。也就是说，执行同样任务，同样频率下，M1发出去的微指令数正好大了Intel一倍。
　　在微指令被执行之前，还有一步是给它们排序。因为有些指令要执行，需要等待前序计算结果。
　　比如，除法中的借位就是一个典型。于是就存在一个现象，有些微指令的前后顺序不能变。而还有很多微指令的执行无所谓先后，只要尽快算出结果就好。
　　于是，那些需要等待前序计算结果的指令就容易淤积在队列里。这个排队等待区叫做缓冲区。由于这个缓冲区是给微指令排队用的，所以这里又叫做重排序缓冲区（ROB）。
　　这个区域当然是越大越好。而M1这里能排630条，Intel能排224条，AMD能排256条。M1比其他两款大了2倍多。
　　接下来，就到了执行的部分。执行指令的工人越多，速度越快，自然就更不容易成为整体性能的瓶颈。以浮点运算这个当今对性能影响最直接的指标来看，M1、Intel和AMD规划了一样多的资源，都是类似2个256bit的执行单元。
　　当然，除了浮点运算之外，这个单元也一样负责运行整数部分的运算。整数运算加浮点运算就是CPU的全部运算了。而临时存放整数和浮点部分的单元，M1也更强，是一个354384的结构，而Intel是180168，AMD是192168。
　　所以，虽然执行单元的执行力一样，但临时存放的部分（寄存器），M1更大，所以更有利于消除瓶颈。
　　执行部分说完。在二级缓存（L2）上，M1又规划了巨大的资源，每个核心都布设了3MB的二级缓存。这是处理器设计历史上最大的。Intel是每核心1。25MB，AMD是每核心0。5MB。
　　二级缓存大，在预测哪些指令将会被使用的时候，就可以提前预备好，于是接下来要使用的指令被提前放进来的机会就大。一旦用得上，从缓存里拿来用的速度，就远比从内存里拿来用更快。这就像紧急救援部队是从楼下赶来，还是从3条街以外赶来那样大的区别。
　　当然，从3条街以外赶来也很重要。因为毕竟所有需要用到的东西都是先存到内存、再挪到缓存、再送进CPU的。内存的带宽大，也能消除瓶颈。
　　但M1对内存的处理手法完全不同。在M1里，那些内存你是无法摸到的，因为它们布设在CPU的铁盖子下面，和CPU是一体的。而普通电脑的内存在哪儿呢？大约离CPU有510cm远，是一条一条可以拔插的、大家所说的内存条。内存条，就是这么来的。M1这么做的最大好处就是降低延迟，从传统电脑的70ns降低到了45ns。
　　而内存带宽上的差距就更大了。M1Ultra可以达到800GBs，哪怕是M1Pro和M1也有200GB，而Intel和AMD大约只能有50GBs60GBs。
　　于是，在高清视频剪辑这种每秒都有几十GB实时数据传递的任务里，苹果笔记本的处理效率就非常高。所以今天，绝大部分视频UP主只要经济状况允许，肯定是用苹果笔记本剪辑的。
　　CPU的性能是什么决定的？
　　其实，CPU的性能好不好，并不是靠在某个环节上猛堆料实现的。因为计算过程是一条流水线，线上任何一点的瓶颈都决定了CPU的最大性能。M1比传统CPU好就好在，它在任何环节都堆了猛料。
　　在一些典型的图像渲染任务（CinebenchR23）的处理上，全核心开足马力的M1是7800分，而Intel的i912900K是13500分。别看Intel这个台式机旗舰机CPU的性能是M1的170，但功耗却是M1的650。算在一起，同样性能下，M1构架的CPU只需要Intel的1413的功耗。
　　所以，使用M1构架的苹果笔记本可以不用带电源适配器，办公一整天也绝对保证续航。
　　而这一点目前在传统处理器上是越来越做不到了。因为Intel和AMD都在比拼最高性能，于是本来能耗比尚可的设计都不能悠着来了，必须要把最后一滴性能榨干，甚至有的时候不惜让功耗增加一倍换来性能10左右的提升。
　　这就导致了另外一件怪事的出现，如果你买的是传统处理器的笔记本，那插上交流电电源和不插电源的时候，性能会相差3040。
　　因为当你不插交流电源的时候，系统如果还按最大性能运行，会导致电池快速用完，用户体验就太差了。于是，只用电池续航的时候，系统会强制CPU和GPU以低频、低压运行。这时，性能就巨幅下降。
　　而苹果的CPU完全不存在这样的设定，用电池和用电源时的性能都完全一样。
　　为什么苹果的CPU这么贵？
　　说到这里，我们是一直围绕2020年发布的M1来说的。实际上，大家更关注的是3月8日晚上发布的M1Ultra。但是，理解M1对理解M1Ultra至关重要，因为：
　　M18CPU8GPU
　　M1Pro10CPU16GPU
　　M1Max10CPU32GPU
　　M1Ultra20CPU64GPU
　　M1的晶体管数量是160亿，M1Ultra的晶体管数量是1140亿，是M1的7倍多，也是世界上第一枚晶体管数量超过1000亿的芯片。M1Ultra就是使用M1的基础构架搭积木搭出来的。
　　说回苹果的CPU为什么这么好。
　　首先，因为一分钱一分货。这颗CPU的成本要比Intel和AMD的贵上几倍到十几倍。业内分析，M1Ultra的制造成本在350美元左右，而Intel和AMD顶级CPU的成本也就只有几十美元。
　　苹果当然有技术优势，但如果把单颗CPU的成本也限定在和Intel与AMD类似的范围，苹果也只能做到Intel和AMD的水准而已。
　　但为什么苹果敢做这么贵的CPU呢？
　　原因就是，苹果不是卖CPU的，它是卖整机的。
　　如果像Intel和AMD那样靠卖CPU赚钱，仅制造成本就要350美元。如果按研发成本是50美元颗计算，总成本就是400美元，那售价至少要奔着2000美元去了。而今天，CPU销量最大的型号的售价普遍在200400美元之间。
　　所以，Intel和AMD都不会规划那么豪华的构架。苹果敢这么做，是因为它只卖整机，而且价格很高，50008000美元一台。那么，在最关键部件分配350美元成本是没问题的。
　　第二个原因是，苹果还能进一步压缩研发费用。
　　开发出的M1构架可以不断堆叠，堆2倍、堆3倍、堆7倍，就从移动端变到了笔记本再到台式机再到一体机，各种平台通用。而这样大幅度的使用一款基础产品，通过扩大规模来平移到各个产品之中，也只有苹果可以做到。因为苹果的每类产品都拥有过亿的用户，这些平台甚至连操作系统都是统一的。
　　当然，苹果的CPU也不是完美的。
　　比如，M1Ultra实际上已经牺牲了一部分能耗上的优势，有意地加大规模去追赶当前英特尔最新款的12代酷睿处理器。
　　再比如，和M1比起来，M1Ultra的单核性能几乎没有任何提升。CPU全核性能是M1的3。2倍，但实际晶体管的数量却是M1的7。1倍。
　　另外就是，苹果的电脑哪怕GPU规格极高，也几乎没法用来玩儿游戏。这是游戏软件不支持导致的，算是个历史原因。
　　但我们也可以预测，Ultra是M1构架最后一个版本，苹果下次再次更新CPU时，代号肯定会升级到M2，它也许会在2022年9月的发布会上露面。