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苹果自研芯片的优势与劣势

2020-7-13 09:49| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 56545| 评论: 0|来自: Cool3C

摘要: 不知不觉,注定多不胜数的重大事件将塞满历史课本的2020年,也走过一半了,距离预定年内发表的首款搭载「Apple Silicon」的Mac,也为时不远。我们有充分的理由相信,毕竟Apple这间树大招风的公司永远不缺热门话题, ...
不知不觉,注定多不胜数的重大事件将塞满历史课本的2020年,也走过一半了,距离预定年内发表的首款搭载「Apple Silicon」的Mac,也为时不远。

我们有充分的理由相信,毕竟Apple这间树大招风的公司永远不缺热门话题,传闻多年的自制研发个人计算机芯片总算成为现实,更有「加温」的效果。听说连某位Intel前任首席工程师声称「Apple抛弃Intel的原因在于Intel处理器从Skylake世代就出现质量不佳的问题」的好笑理由都跑出来了。

但Apple要自行打造台式机(Mac)、笔电(Macbook)甚至工作站(Mac Pro)等级的自家处理器,也并不是直接将iPhone、iPad用的东西塞进去、跑分看起来不错就大功告成(偏偏不少人还真的会信这套),有更多的「鸿沟」有待填补,像需要更多的核心去迎合多工需求、更高的时脉去激增单执行绪效率、更有效率的快取存储器与更高容量的系统主存储器、以及讲的更远一点:要如何长期维持这些产品的研发工作等,都是摆在Apple眼前的挑战。

总之,我们先来看看Apple手上握有的优势有哪些。

天字第一号大概不外乎「老子是软硬件都自己垂直整合的封闭系统,无须考量他人,想做什么就做什么」。以存储器和外部I/O系统来讲好了,Apple就不必像Intel、AMD和一堆处理器厂商动辄得顾及客户的兼容性需求而绑手绑脚,而不能胡乱更动。像IBM Power9可以出现3种存储器配置和不同的I/O组态,原因不外乎「关起门来自己玩」。昔日规模封闭的高阶服务器,可以享受到的种种好处,Apple当然也都雨露均沾,这将是Apple能快速展现与众不同之处的地方。

再来就是Apple在过去Ax系列处理器自行定义独特功能,像Neural Engine之类等等,也是Apple拥有的王牌,上头累积的雄厚「软件资产」更是使用Intel AMD处理器的系统厂商无福消受的恩泽。更罔论这2家厂商至今在消费型产品,对此的布局仍付之阙如,近期看来顶多就是多个AVX-512指令集的「人工智能延伸」,剩下的只能看天吃饭,痴痴的等待「生态系统成熟」的那一天。

别的不提,就算x86处理器的硬件规格也比照办理好了,像VIA的子公司Centaur那颗「首度内建人工智能推论辅助处理器(NCore)的服务器系统单芯片」的CHA,究竟能够吸引多少软件厂商和软件开发者共襄盛举?怎么看都是一个大大的问号,大到没有任何人可以扛的起来。
 
至于现有Mac用户最关心的「现有应用程序透过Rosetta 2转译在换心手术后的Mac上执行」的效能问题,既然处理器的设计都操之在己,Apple Silicon是否会具备「辅助转换」的硬件加速技术,就很值得观察了。

像当年Transmeta的代码转换(Code Morphing),并非表面上的「纯软件手段」,背后也有不少硬件功能加持。Apple会不会英雄所见略同,在Apple Silicon上比照办理,相当令人玩味。或许Apple已申请的专利权早就透露不少蛛丝马迹,只是笔者不知、诸位不晓。

每次回顾起「RISC指令集更容易打造更高效能又更省电的处理器微架构」这些被尘封的跳票论述,再看着动不动就经常出现在近代媒体报导的「借由Arm架构设计特性更可让装置耗电更低」,不学无术的笔者就会大脑当机,傻傻看不懂这些大恩大德讲的「架构」到底是在讲什么东西,你们能够指出这些「特性」是属于哪个环节吗?

这也是为何笔者宁愿多浪费点字数,要特别多写「XX指令集兼容处理器」的理由,名词的选择可以显示出对于某个议题的了解究竟有多深。
 
理论归理论,做不到或着不去做,就是不会「梦想成真」。为何2005年Apple会放弃IBM PowerPC,投向Intel的怀抱?难道不就是Steve Jobs对IBM迟迟无法推出笔电可用的PowerPC指令集兼容处理器吗?不是说RISC的PowerPC相较于CISC的x86享有多少说不完的好处?笔者还记得在1990年代,还不缺替PowerPC歌功颂德的专书呢。

IBM就是没有像Intel从1990年代末期,尝试研发像Pentium M此类为笔电而量身订做的「微架构」,和作为计算机最基本语言的「指令集架构」,一点关系也没有(好吧,uOp Fusion勉强算是跟x86指令集的特性有点关联的地方)。少了这些源自于笔电需求的资产,也让后来的IBM Power处理器,在服务器市场对上Intel Xeon和AMD Opteron/EPYC,在「效能功耗比(能耗比)」上也占不到任何便宜。
 
总之,物理限制就是摆在那边,只要处理器微架构的复杂度冲到某个程度,管你指令集架构怎样怎样,功耗和温度自然就「天下乌鸦一般黑」,不提IBM的Power家族,各位科科可以猜猜看,代号「Rock」的Sun UltraSPARC RK,是一个塞满16个4同时执行绪(SMT)超纯量核心的怪物,时脉2.3GHz,请问耗电量多少?

不多也不少:250W,然后就被并购Sun的Oracle腰斩整个计划了。想拿Fujitsu A64FX替Apple护航的死忠果粉也别急,后面会有更精彩的命案现场。
 
虽然Apple自研的ARM指令集兼容处理器的确很厉害,但天底下没有新鲜事,任何从同时代技术产生出来的产品也都面临类似的技术限制。说穿了,Apple的自研处理器之所以能压倒同期的其他ARM指令集兼容处理器,在于高度软硬件垂直整合的Apple,可断然放弃ARMv8之前的32位元指令集兼容性,将晶体管全部砸在可提升64位元运算效能的刀口上。

如果让Intel和AMD也可以选择,他们一定超想干掉386以前的「遗迹」,甚至巴不得所有现存指令都比照「AVX-128」办理,用VEX指令编码格式重新创造一次。

尽管如此,即使Apple的A13号称「单核心效能总算可以看到当代x86指令集兼容处理器的车尾灯」,耗电量也是随之激增,逃不掉的。
 
假如Apple Silicon要足以取代第三代Mac Pro内那颗28核、2.5GHz、快取存储器总容量66.5MB的Intel Xeon W-3275M,加上吸收Rosetta 2转译损耗的余裕,那这颗Ax处理器的规模将变得多大?高可用性的相关机能要多复杂?这里还不提假若Apple想不开,宁愿「长痛不如短痛」,连AMD的绘图芯片都要踢到一边,那画面真的太美,光用想的都会让想象力开始哀号。

这里也会有人跳出来喊:耗电量高又如何,「效能功耗比」才是重点啊,但手机平板和桌机工作站是同样的环境吗?那么,笔者就列出2颗针对高效能运算开发的处理器,猜猜那一颗「借由Arm架构设计特性更可让装置耗电更低」。
 
第一颗是Intel Xeon Phi 7290 (包含16GB MCDRAM,类似HBM,不计入外部DDR4),第二颗是Fujitsu A64FX(而且还要水冷),先不管AVX-512和SVE两种SIMD指令集之间的差异性,各位觉得这两边的「效能功耗比」有差很多吗?「我体内的怪物已经长这么大了」大概就是这样一回事。

糟糕,再讲下去笔者就要被贴上「果黑」标签了,就此猛踩煞车。

其实笔者非常期待Apple能靠着iPhone和iPad的基本盘,与同时掌握软硬件的双重优势,完成过去那票「RISC诸神」无从实现的悲愿,也相信Apple一定有的把握,才胆敢发动「第四次冲击」。也许笔者的乌鸦嘴和外界的质疑,最后都将被证明是多余,这转型期将远比前一次还顺利,但搞不好Apple为此付出的额外成本,将足以「填补」降低芯片生产单价而省下的金额还有余也说不定。

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