国外机构给M1芯片拍CT,揭开苹果首款自研Mac芯架构“秘密”

2020年12月26日 16:14 次阅读 稿源:智东西 条评论

苹果自研的首款Arm架构Mac芯片M1已经亮相一个月有余。这一个月的时间里,多项基准测试结果显示,M1芯片的性能不仅超越苹果以往自研的全部芯片,并且超越了一众x86架构或Arm架构的竞品。

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然而,在领先的性能背后,苹果M1芯片的设计细节成“谜”。即使是在双十一凌晨举办的发布会上,苹果也并未对M1的具体架构讲述过多。

不过,苹果在发布会PPT上展示了M1芯片的封装和架构概念图,而这张概念图成为极客们发掘M1芯片设计细节的“藏宝图”。此外,分析机构System Plus Consulting发布了一张模糊的M1芯片模块图。

▲System Plus Consulting发布的模块图

借助这两张图及其他信息,美国科技媒体EE Times发布对于苹果M1芯片的最新技术细节解读,芯东西将其全文编译如下:

一、解读苹果M1芯片三大创新点

据EE Times报道,苹果M1芯片在内存、GPU、通用逻辑单元等方面做出创新。

首先,在对M1芯片内存和GPU的设计过程中,苹果芯片设计师借鉴了移动处理器的设计方式。

内存方面,M1芯片几乎没有为系统缓存专门留出空间。为了最大限度地提升芯片性能和散热能力,M1芯片借鉴了移动处理器让DRAM物理上接近AP(应用处理器)的设计方法。

在移动处理器的“package-on-package ”架构中,内存会被堆叠在AP上。与此类似,M1芯片采用了“统一内存架构(UMA)”,即通过将LPDDR4X DRAM整合到封装中,释放芯片面积。

借助“统一内存架构”,M1芯片的CPU内核和GPU内核可以同时访问DRAM。

在GPU方面,M1芯片上为GPU核心划分出一大块面积。EE Times写到,这种设计方式也在某种程度上借鉴了移动应用处理器的设计。

其次,苹果芯片设计师在M1芯片通用逻辑单元的固件上构建了一些功能,使CPU核心能够处理要求更高的任务

苹果联合创始人史蒂夫·乔布斯曾援引过计算机科学家艾伦·凯的名言“真正重视软件的人,应该自己开发硬件”。EE Times认为,M1芯片对通用逻辑单元的独特设计即是对这一理念的体现。

二、根据热成像图片确定M1芯片上的内核位置

EETimes文章指出,M1芯片采用“覆晶技术(flip-chip)”进行封装,这种技术通常用于封装当今最先进的芯片。封装过程中,技术人员使芯片连接点长出“凸块(bump)”,然后将芯片翻转过来,使凸块与基板(substrate)直接连结。

采用这种方法封装的芯片,在红外线照射下能够显示出较为清晰的平面图。基于此,EE Times分析了分析机构MuAnalysis制作的M1芯片热成像图片。

在运行计算任务时,M1芯片的热成像图片显示出一个明黄色的区域,这表明M1芯片上有一个高性能的核心正在进行运算。

结合此前M1芯片的Geekbench 5基准测试结果,EE Times确定了高性能内核Firestorm内核和高能效IceStorm内核的位置。

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▲MuAnalysis制作的M1单CPU核心运行时的热成像图片

此外,EE Times发现M1芯片的BGA基板上,有两个并排安装的全封装LPDDR4X DRAM。这种设计与苹果此前用于iPad的A12X芯片和A12Z芯片十分相似。

除了热成像图片外,EE Times还分析了M1芯片的CT扫描图片。

根据分析机构System Plus Consulting制作的CT扫描图片,M1芯片在其表面和衬底均集成了去耦电容。

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▲System Plus Consulting制作的M1芯片的CT扫描图片

近几年来,苹果的iPad产品正显示出向PC产品演变的趋势。比如,苹果今年发布的iPad Pro就打出了“你的下一台电脑,何必是电脑”这样的slogan。

上述产品趋势,引发了外界对苹果移动处理器将向PC处理器拓展的猜测,而M1的发布恰好证实了这一点。

EE Times写道,与采用其他品牌的芯片相比,苹果采用自研芯片产品或能带来更大的成本优势。如果能对M1芯片进行更加细致的拆解,我们或能得到更多有关成本的细节分析。

结语:有关M1更多技术细节仍待解答

过去十年间,苹果自研芯片版图逐步从移动处理器扩展到Mac处理器,并从采用英特尔架构逐步转向Arm架构。

自今年11月,苹果首款自研Mac芯片M1亮相以来,各种基准测试结果均显示出M1芯片拥有超强功能。而M1芯片的技术细节亦成为半导体圈的“未解之谜”之一。

通过对苹果发布的概念图及M1芯片热成像图、CT扫描图进行分析,EE Times解读出苹果M1芯片的部分独特设计。但是,M1芯片仍有技术细节留待解答,期待未来能有更加全面、权威的分析。

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