问题

M1的跑分那么高是ARM架构的原因吗?

回答
M1 芯片的跑分之所以如此亮眼,确实和它基于的 ARM 架构有着非常密切的关系,但绝不仅仅是“ARM 架构本身就厉害”这么简单。这是一系列技术选择和优化共同作用的结果。下面我们就来好好掰扯掰扯这件事,尽量说得透彻一些,也尽量把那些“AI 味儿”给去了。

首先,咱们得明确一点:ARM 架构本身并不直接等于“跑分高”。 ARM 是一家公司,它设计的是指令集架构(ISA),简单来说,就是一套计算机处理器如何理解和执行命令的规则。它授权给其他公司(比如苹果、高通、三星等)来设计具体的处理器核心。所以,我们常说的“M1 芯片”是苹果基于 ARM 指令集设计并制造出来的具体产品。

那么,ARM 架构为什么能让 M1 跑出惊人的分数呢?这背后有几个关键点:

1. 精简指令集计算 (RISC) 的优势:

ARM 架构属于 RISC(Reduced Instruction Set Computing)的范畴。跟它相对的是 CISC(Complex Instruction Set Computing),比如我们熟悉的 x86 架构(Intel 和 AMD 的处理器就是基于这个)。

RISC 的核心理念是“少而精”: 它只包含一小部分非常简单的、固定长度的指令。每条指令完成的工作都很小,但执行速度非常快。这意味着处理器设计可以更简洁,更容易实现高时钟频率,也更容易进行流水线(Pipelining)和乱序执行(OutofOrder Execution)等优化,这些都是提升性能的关键技术。
CISC 的理念是“多而全”: 它包含大量复杂的指令,一条指令可以完成很多任务。这在早期计算机设计中是为了减少代码长度、节省内存有优势,但执行起来就比较慢,而且设计和优化起来也更复杂。

M1 作为一款 RISC 架构的产品,天然就具备了执行效率高的基因。苹果的设计团队可以在这个基础上,通过精湛的工程设计,将这些优势发挥到极致。

2. 苹果强大的自研设计能力:

这可能是比“ARM 架构”本身更重要的原因。苹果并非只是简单地拿来 ARM 的设计授权,而是:

定制化 CPU 核心: 苹果在 ARM 架构的基础上,自主设计了其 CPU 核心(比如“Firestorm”和“Icestorm”这类代号)。这些核心是针对苹果自己的软硬件生态系统量身打造的。苹果的设计团队可以根据自己对用户需求和软件优化的理解,去调整指令的优先级、缓存的设计、分支预测的准确性等等,这些细节的优化累积起来,就能带来巨大的性能提升。
统一内存架构 (Unified Memory Architecture UMA): 这是 M1 芯片最引人注目的创新之一。传统的电脑,CPU、GPU、NPU 等核心都需要各自独立的内存,数据在它们之间传递需要额外的复制和加载,效率不高。M1 则将 CPU、GPU、神经引擎 (Neural Engine) 等所有核心共享一个高带宽、低延迟的内存池。这意味着数据可以在不同核心之间几乎无损耗地直接访问,大大减少了数据搬运的开销,特别是对于图形处理、机器学习等需要大量数据交换的任务,提升是颠覆性的。
高度集成和异构计算: M1 是一个 SoC(System on a Chip,系统级芯片),它将 CPU、GPU、Neural Engine、内存控制器、安全模块(Secure Enclave)、I/O 控制器等几乎所有关键计算单元都集成在一颗芯片上。这种高度集成带来了极高的效率和更短的通信路径。更重要的是,它采用了“异构计算”的思路,将不同的任务交给最擅长处理它们的核心去完成。比如,图像处理、视频编码等任务,可以交给效率更高的 GPU 或专门的媒体引擎来处理,而不是全部压给 CPU。这使得整体的能效比和性能表现都非常出色。
先进的制程工艺: 苹果通常能拿到最先进的半导体制造工艺(比如 M1 使用的 5nm 工艺),这使得他们在同一面积内可以集成更多的晶体管,并且每个晶体管的功耗和性能都得到提升。

3. 软件与硬件的深度协同:

这可以说是苹果的“祖传技能”了。

macOS 和 iOS 的优化: 苹果对自己的操作系统有着完全的控制权,他们可以针对 M1 芯片的特点对操作系统进行深度优化。无论是调度策略、内存管理,还是图形渲染管线,都能与 M1 的硬件特性完美契合。
App 的适配和重写: 最初支持 M1 的 Mac 应用(包括 Rosetta 2 转译层)都经过了苹果的优化。随着时间的推移,越来越多的原生应用出现,进一步释放了 M1 的潜力。这种软硬件一体的优化,是其他不拥有完整生态系统的厂商难以企及的。

举个更形象的比喻:

想象一下,CPU 就像一个大卡车,GPU 就像一辆赛车,而 Neural Engine 就像一个专门运送邮件的快递车。

传统的电脑: 可能有一条窄窄的、有很多红绿灯的路连接着各个地方,卡车、赛车、快递车都要在这条路上跑,数据传输很慢。
M1 芯片: 则像是修建了一个巨大的、互相连接的地下管道网络,卡车、赛车、快递车都可以在各自的专用管道里高速穿梭,而且管道的宽度和流速都是为它们量身定制的。CPU、GPU、Neural Engine 就像是经过苹果精心设计的、性能最强的“卡车”、“赛车”和“快递车”,它们在这个高效的网络里协作,自然跑得飞快。

总结一下:

M1 跑分高,ARM 架构是提供了基础的“框架”和“语言”,它本身的 RISC 特性带来了高效率的基因。但真正让 M1 跑分“飞起来”的,是苹果在 ARM 框架下进行的极致的自研设计,包括定制化的 CPU/GPU 核心、革命性的统一内存架构、高度集成和异构计算的 SoC 设计,以及最重要的——软硬件深度协同的优化。

所以,与其说 M1 的高跑分是“ARM 架构的原因”,不如说它是“苹果基于 ARM 架构,凭借自身强大的设计能力和生态系统整合能力,打造出的优秀产品”的结果。 ARM 提供了一个坚实的地基,而苹果在这块地基上盖起了摩天大楼。

网友意见

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由于计算机理论体系越来越成熟,X86和ARM在微架构设计上早就趋同了,比如说具体的流水线级数都大同小异,基本都是15级左右,各种执行单元基本上你有我也有,取指-译码-访存-执行-写回的这经典的MIPS五级流水线思想在它们的微架构上都基本表现得出来,SIMD方面X86有AVX/AVX2/AVX512,ARM有Neon和SVE,

最后比来比去,还是在比微架构设计了,ARM阵营也就有机会设计出架构规模和在一些跨平台测试中IPC达到甚至超越Intel的架构的情况,同频下谁的IPC更高,在通用测试里面的表现就可以相对更强,

苹果自从A7开始放弃公版开始自研就是走的大核心路线,A7开始就把前端给堆到6解码去了,A7的同频性能相比A6几乎翻倍,往后每代的微架构都在改进,一直到A14的大核Firestorm都没停下来,从A11开始架构又宽了不少,成了一个七解码的架构,Firestorm直接做到了八解码,ROB直接来到了630(要知道A10的时候这个ROB还是192),

苹果的微架构设计能力称得上世界一流,同时还贼有钱,堆得起料,舍得用晶体管,比如说它大核心那每核心4MB的L2(你没看错是L2,目前除了苹果,其他家最大的应该就只是Tigerlake的1.25MB/C的L2了),直接L3都不要了;又比如说苹果那一年一改微架构,这一年一改微架构,一年一提IPC的速度就已经足矣让X86汗颜了(这也和ARM起点低有一定关系),

在保证宽架构的情况下保持高效这也是苹果的绝活了,相比之下反面教材就是Exynos M4了,

当然苹果今天的成功绝对离不开台积电,台积电的制程如果翻车的话,苹果的SOC表现也不见得能这样,如果台积电的5nm延期,用7nm来造A14的话,很难说会是这样的表现,面积也会比现在大很多,

相比于Intel来说,苹果发展的太顺利了,好像也就A8/A10翻了下车,也不算严重翻车,并且由于更新快,一年一更新,算是缺点的放大被进一步限制了,

Intel相比之下就比较惨了,被10nm延期让Intel直接丢掉了往日的威风,

2013年设计完成Skylake架构,那个时候Intel简直如日中天,称得上世界上最强大的半导体公司这个称号,同时期的微架构几乎没有能打的,制程也过渡到22nm了,当时主流酷睿的架构还在用Haswell,也算是在当时分量极重的了,

2015年Intel将14nm+Skylake推向市场,哪怕是在2015年Skylake也几乎是最先进的微架构,可是如今2020年了,Intel还在用14nm+Skylake,虽然说14nm++工艺的性能以及能耗相比初代14nm工艺已经打磨成几乎不像一代工艺了(比如说10400 6C12T 全核4GHz的烤鸡功耗比6700K 4C8T 全核4GHz的还要低),

微架构比不过自然IPC就比不过了,这时候苹果就可以做到以更低频率达到甚至超越Intel更高频率产品的性能,这种情况下真的只能躺平了,

M1对战10900K赢了IPC,赢了单核性能,却没有赢得多核性能,当然这和M1只有4大核4小核有关,真要比多核性能,10900K也能把M1按在地上摩擦,所以不要再传什么10W吊打200W了,10900K跑满单核要200W?怎么不云一个1000W或者10000W呢??

14nm打磨的再好也架不住晶体管密度低,摩尔定律都还是靠堆晶体管密度推的,制程停滞发展导致新的微架构不能上马,Intel于2017年就设计完成Sunny Cove了,结果到2019年H2才出货icelake-U,初代10nm要高频没高频,要低频能耗比不好看,这个翻车简直太严重了,相比自家14nm++就只剩下高密度这个优势了,

不换架构也就意味着IPC无法显著提高(其实这里默认支持内存频率的提高算是提高一点IPC的途径),高性能桌面级这边相当于是停滞发展了,这里也体现出了苹果每年都提高IPC这种行为持续多年有多恐怖了,

好像是去年Intel才决定将制程与架构解绑,也只有这样,十一代高性能桌面级的单核性能Intel才能追回来,5.3GHz的Sunny Cove搭配3200的内存,一般的测试比如说GB5单核打败M1应该不是问题,

话说很多人在这个问题上喜欢手动忽视Intel的Willow Cove ?

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