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苹果M1芯片深度测试

2020-11-18 19:11| 发布者: 手机贴吧| 查看: 51| 评论: 0

摘要: 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x ...

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

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