苹果M1芯片深度测试

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自「anandtech」，谢谢。

上周，苹果公司发布了基于他们新Apple Silicon M1 SoC芯片打造新Mac产品，这个新闻在行业内引起了轰动，因为这标志着苹果正式开启了从Intel的x86 CPU过渡到该公司自己基于Arm架构设计的内部产品的两年计划第一步。

在发布会期间，我们根据该公司已经发布的Apple A14芯片（在新一代iPhone 12手机中使用）撰写了一篇详尽的文章，当中包括对Apple的新Firestorm内核的微体系结构的深入研究，这些内核同时为A14和新的Apple Silicon M1提供动力，如果您还没有机会看的话，我建议您阅读《深度解读苹果M1芯片》。

几天以来，我们已经能够接触到首批Apple Silicon M1设备之一：全新的Mac mini 2020版本。在上周的分析文章中，我们基于A14得出了数字，而这次，我们根据实际的新高功率设计测量了实际性能。我们没有很多时间，但是我们将为您带来与新的Apple Silicon M1相关的关键数据点。

Apple Silicon M1：Firestorm内核的3.2GHz和约20-24W TDP？

在Apple的演示文稿中，缺少芯片时钟频率的实际细节以及可以保持最高性能的TDP是他们的一贯风格。

但我们可以确认，在单线程工作负载中，Apple的Firestorm内核现在的时钟频率为3.2GHz，比Apple A14的3GHz频率提高了6.66％。只要有散热空间，此时钟也适用于所有内核负载，除了4个3.2GHz性能内核以外，我们在2064MHz处还可以看到4个Thunde效率内核，这也比A14上的1823MHz高出很多。

除了四个高性能的Firestorm核心之外，M1还包括四个Icestorm核心，旨在降低闲置功率并提高电池供电情境下的电源效率。4个性能内核和4个效率内核都可以同时激活，这意味着这是8内核SoC，尽管所有内核的性能吞吐量并不相同。

发布会期间最大的问题是这些设计的功耗。苹果已经提供了包括性能和功率轴在内的几张图表，但是我们缺乏比较数据来得出正确的结论。

由于我们可以使用Mac mini而不是Macbook，因此这意味着设备上的功率测量非常简单，因为我们只需将仪表连接到设备的AC输入即可。值得一提的是，由于我们在这里测量的是交流电源，因此功率数字不能直接与电池供电的设备相提并论，因为Mac mini的电源会带来比其他设备更大的效率损失。

尤其重要的是要记住，我们通常谈到的处理器中的TDP数实际上只是此处提供的数字的一个子集，因为除了SoC，我们还在测量DRAM和电压调节开销，而这并不是包含在TDP数据中，也不包括笔记本电脑上的典型封装电源读数。

从空闲的Mac mini处于默认状态开始，我们把打开电源后的设备看作空闲状态，在通过HDMI连接到2560p144显示器，Wi-Fi 6和鼠标和键盘，我们看到的设备总功率为4.2W。鉴于我们正在测量设备的交流电源，这在低负载下可能效率很低，这在很大程度上是有意义的，并且代表了一个很好的数字。

该闲置数据还用作后续测量的基准，在这些测量中我们计算“有功功率”（active power），这意味着我们通常采用的方法是测量总功率并减去闲置功率。

在3.2GHz Firestorm内核上的平均单线程工作负载（例如GCC代码编译）期间，我们看到设备功率高达10.5W，有功功率约为6.3W。有功功率与我们对更高频率的Firestorm内核的期望非常一致，并且对于Apple和M1来说是极有希望的。

在工作量更大的DRAM上，从而在Mac mini上的LPDDR4X级128位16GB DRAM上造成更大的功率损失，我们看到有功功率高达10.5W。有了这些数据，新的M1可能会给人留下深刻的印象，并且其展示能力还不到高端英特尔移动CPU的三分之一。

在多线程方案中，电源高度依赖于工作负载。在CPU利用率不高的内存密集型工作负载中，我们看到有功功率为18W，平均工作负载约为22W，在计算繁重的工作负载中峰值约为27W。这些数字通常是您希望与其他平台的“ TDP”进行比较的数字，尽管要再次进行比较，您需要进一步减去一些在Mac mini上测算的开销。最好的猜测是20至24W的范围。

最后，在GPU方面，我们看到GFXBench Aztec High的功耗降低了17.3W。这将包含大量的DRAM功耗，因此Apple GPU的功耗绝对是极低的功耗，并且远远小于CPU可以消耗的峰值功率。

存储差异

除了CPU和GPU上的其他内核外，M1与A14的主要区别还在于它运行在128位内存总线上，而不是在移动64位总线上。在8个16位内存通道和LPDDR4X-4266级内存中，这意味着M1达到了68.25GB / s的内存带宽峰值。

在内存延迟方面，我们发现M1较之A14（预期的）减少了，在128MB完全随机测试深度（full random test depth）下测量为96ns，而在A14上为102ns。

还需要注意的是性能核心的12MB L2缓存，尽管在这里苹果似乎仍在对单个核心可使用的数量进行分区，因为我们仍然看到8MB之后的延迟有所增加。

M1还包含一个较大的SLC缓存，芯片上的所有IP块都应可以访问该缓存，但我们不确定。不给过测试结果的确与A14相似，因此我们假设这是SoC上类似的16MB缓存块，因为某些访问模式超出了A14的访问范围，这在一定程度上是合理的较大的L2。

我们从未真正有机会进行测试的一个方面就是，苹果的核心在内存带宽方面到底有多出色。在M1内部，结果是突破性的：一次Firestorm可以实现高达58GB / s的内存读取速度，而内存写入速度则为33-36GB / s。最重要的是，根据您使用的是标量指令还是矢量指令，内存副本（memory copies）的传输速度可以高达60至62GB / s。单个Firestorm内核几乎可以使内存控制器饱和的事实令人震惊，因为这是我们以前在设计中从未见过的。

因为一个内核几乎可以利用整个内存带宽，所以让多个内核同时访问事物实际上并不会增加系统带宽，但是实际上由于拥塞会降低有效实现的总带宽。当在内存副本（memory copies）中同时使用性能核心和效率核心时，我特别指出了这一点——4个大核心以59GB / s的内存副本（memory copies）达到峰值，但是一旦添加了效率核心，它就会降至49GB / s，当所有内核都处于活动状态时，速度可降至46GB / s，这表明系统中某处中存在瓶颈。

除了增加时钟速度，增加L2之外，这种内存提升还很有可能是M1区别于A14之外的另一个关键点，并让其有能力与现有的x86厂商的竞争。

基准测试

由于我们使用Mac mini的时间很少，而且这不仅是一个macOS系统，而且是一个新的基于Arm64的macOS系统，因此我们无法使用我们通常使用的基准测试。在发布时，我们已经进行了各种可用的测试，以使我们对性能有一个大致的了解：

Cinebench是在macOS和Apple Silicon上初露头角的一个特定基准。在基于Cinema4D的首次基准测试中，我们看到苹果M1与市场上大部分的x86 CPU相比，拥有相当大的优势，但输给了Zen3和Tiger Lake CPU，后者似乎仍然具有优势。

值得注意的是，在x86模式下，Rosetta2基准测试的性能不仅能够跟上过去的Mac，而且还能胜过它们。

在多线程R23运行中，M1版本Mac具有绝对的领先优势。值得一提的是，我们正在尝试访问其他系统以收集更多数据，并希望进一步更新图表。

在浏览器基准测试中，Apple的CPU占据了主导地位，但是人们怀疑这是由于iPhone的CPU本身，还是仅归因于浏览器和浏览器引擎。现在可以在macOS和桌面Safari上运行，并且能够将数据与其他Intel Mac系统进行比较，我们可以得出这样的结论：性能优势归功于Apple的CPU设计。

Web浏览性能似乎是Apple CPU的头等大事，这是有道理的，因为它是移动SoC的杀手级工作量，也是日常生活中使用最多的工作量。

在Geekbench 5中，M1再次表现出色，因为它实际上领先于我们的性能数据。即使在以x86兼容模式运行时，M1与上一代高端CPU的顶级单线程性能相比不相伯仲，并且大大超过了Mac mini和Macbook的先前版本。

多线程性能取决于设计的内核数和功耗效率。M1在这里输给了2017年的15英寸Macbook Pro，它使用的Intel i7-7820HQ具有4核和8线程，得分翻倍。在收集数据点时，我们将添加更多的数据点。

M1 GPU性能：集成王者，独立CPU的竞争对手

从Intel切换到Apple芯片上，重点主要应该放在CPU内核上，对此，我们有充分的理由，但M1在GPU方面的表示不容忽视。像他们的CPU内核一样，苹果已经开发了自己的GPU技术已有多年了，随着向Apple Silicon的转变，这些GPU设计也首次出现在Mac上。从性能的角度来看，这带来的盖板边比苹果的CPU还要大。

苹果公司长期以来一直以要求GPU性能优于一般PC OEM厂商而闻名。尽管许多英特尔合作伙伴都很乐意甚至在部分15英寸笔记本电脑中都配备了具有Intel UHD图形和其他基准解决方案的系统，但苹果公司选择在其15英寸MacBook Pro中交付独立的GPU。而且，当他们无法在13英寸型号中安装独立GPU时，他们将Intel的高级Iris GPU配置与更大的GPU和片上eDRAM缓存结合使用，从而成为这些功能更强大的芯片的唯一常规客户。

因此，一段时间以来，苹果一直希望获得比英特尔默认提供的更好的GPU性能。通过切换到自己的芯片，Apple最终可以通过建立具有他们想要的所有GPU性能的笔记本电脑SoC来赚钱。

同时，与向Apple Silicon过渡的CPU方面不同，图形编程的高级性质意味着Apple几乎不依赖于开发人员，就可以立即准备通用应用程序以利用Apple的GPU。可以肯定的是，原生的CPU代码仍将产生更好的结果，因为几乎没有人听说过纯粹受GPU限制的工作负载，但是现有的Metal（甚至OpenGL）代码现在可以在Apple的GPU上运行，这意味着它立即使所有游戏和其他受GPU约束的工作负载受益。

至于M1 SoC的GPU，毫不奇怪，它看起来很像A14的GPU。但苹果对设计进行了一些调整，以适应Mac的敏感性（例如，各种GPU纹理和表面格式），但总的来说，差异是在API级别上抽象出来的。

总体而言，随着M1达到A14但更大，Apple已将其4核GPU设计从该SoC扩展到了M1的8核。但与CPU时钟速度相比，我们对GPU时钟速度的了解甚至更少。

因此，目前尚不清楚苹果是否真的提高了这些速度；但是如果GPU时钟没有提高，我会感到有些惊讶。总体而言，按照智能手机标准，A14的4核GPU设计已经非常强大，因此8核设计就更是如此。M1的集成GPU不仅旨在超越AMD和Intel的集成GPU，他们甚至还瞄准了独立GPU。

最后，应该指出的是，Apple为M1提供了两种不同的GPU配置。Mac Mini和MacBook Pro的芯片均启用了所有8个GPU内核。同时，对于Macbook Air，它取决于SKU：入门级型号具有7核配置，而更高级别的型号具有8核。这意味着入门级Air可获得最弱的GPU（比完整的M1落后约12％）。

让我们开始了解GPU性能，让我们从GFXBench 5.0开始。这也是我们笔记本电脑评测的常规基准之一，因此它为我们提供了一个很好的机会，将基于M1的Mac Mini与Mac生态系统内外的各种其他CPU / GPU组合进行比较。

总体而言，这并不是一个完全公平的测试，因为Mac Mini是小型台式机，而不是笔记本电脑，但是由于M1是笔记本电脑专用芯片，因此至少可以使我们了解M1在达到最佳状态时的性能。

总体而言，M1的GPU在这里非常强大。在正常和高设置下，它都远远领先于其他集成GPU，甚至是独立的Radeon RX 560X。只有到了NVIDIA的GTX 1650更强的GPU时，M1才渐落下风。

顺便说一句，我还通过Rosetta自由运行了基准测试的x86版本，以了解性能损失。至少在GFXBenchAztec Ruins中没有。GPU的性能与本机二进制文件和二进制转换几乎完全相同。

最后，我们以完全愚蠢的合成基准快速浏览了更广阔的领域，我们有了3DMark Ice Storm Unlimited。由于Apple Silicon Macs能够运行iPhone / iPad应用程序，因此我们能够通过运行iOS版本首次在Mac上运行此基准测试。这是为OpenGL ES 2.0时代建立的非常古老的基准，但有趣的是它的性能甚至比GFXBench好。Mac Mini的性能恰好足以滑过配备GTX 1650的笔记本电脑，尽管这不会经常发生，但它显示了M1的强大功能。

为苹果新Mac的发布而更新的另一个GPU基准是BaseMark GPU。这不是我们的常规基准测试，因此我们手头上没有其他非Mac笔记本电脑的分数，但是它使我们可以更进一步地了解M1与其他Mac GPU产品的比较。

2020年的Mac Mini仍然领先宇2018年基于Intel的Mac Mini，就此而言，它也比配备Radeon Pro 560的2017年MacBook Pro至少快50％。当然，较新的MacBook Pro会做得更好，但是请记住，这是一个集成的GPU，整个芯片比MacBook Pro的CPU消耗的功率更少，因此不必担心独立的GPU。

最后，将理论付诸实践，我们有了《Rise of the Tomb Raider》。该游戏于2016年发布，具有适当的Mac端口和内置基准，使我们能够在游戏场景中查看M1并将其与其他Windows笔记本电脑进行比较。诚然，这款游戏的年龄稍大一些，但其性能要求与M1旨在提供的性能非常匹配。最后，应该指出的是，这是x86游戏，尚未移植到Arm上，因此游戏的CPU端通过Rosetta运行。

在我们的768p Value设置下，Mac Mini在这里提供了超过60fps的速度。它再次大大领先于2018年基于Intel的Mac Mini以及该堆栈中的所有其他集成GPU。即使是15英寸的MBP及其Radeon Pro 560仍然落后于Mac Mini 25％以上，Ryzen笔记本电脑和Radeon 560X最终要与Mac Mini保持一致。

同时，通过“发烧友”设置将事情提高到1080p时，发现基于M1的Mac Mini仍提供不到40fps的速度，并且比上述Ryzen + 560X系统高出20％以上。这确实使Mini远远落后于GTX 1650-Rosetta和常规API效率低下可能起了一定作用-但它表明了击败Apple集成GPU所需要的能力。Mac Mini以39.6fps的速度可以在1080p上以良好的图像质量设置进行播放，并且相当容易地降低分辨率或图像质量以使其恢复到60fps以上。全部在集成GPU上。

最终，这些基准测试非常有力地证明了M1的集成GPU将不辜负苹果公司在高性能GPU方面的声誉。苹果公司为Mac推出的首个Apple内置GPU的速度明显快于我们能够使用的任何集成GPU，并且无疑将为笔记本电脑的GPU性能树立新的高标准。

根据苹果自己的die照片，很明显，他们将M1模具的相当一部分用于GPU和相关的硬件上，其收益是可以与低端独立GPU媲美的GPU。鉴于M1只是未来的基线，苹果将需要更强大的GPU用于高端笔记本电脑和其余台式机，看到基线的GPU时苹果及其开发者生态系统可以做什么将非常有趣即使是最便宜的Mac，其性能也很高。