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苹果的M1芯片在执行任务时有哪些优势？
苹果是从 2004 年起把自家笔记本的 CPU 从 IBM 的 Power 系列换到了 Intel 的酷睿系列，原因是 Intel 的 CPU 的性能功耗比远超过 IBM。
而 2020 年，苹果又完全舍弃了 Intel，用上了自己的 CPU。其实理由也和当初一样，因为自家研发的 CPU 在性能功耗上比 Intel 好一大截。
但实际上，苹果 M1 系列 CPU 和一直以来的 Intel 酷睿系列、AMD 的 Zen3 系列，构架都是高度类似的。那么，为什么 M1 会强那么多呢？
接下来，我就用这三款当前典型的 CPU 做个对比。为了降低你收听的负担，Intel 的酷睿和 AMD 的 Zen3 我就不再重复全称了，直接就说 Intel 和 AMD。
这些 CPU 在执行任务的时候，都是按照“取指令 - 指令译码 - 指令执行 - 对内存的读取 - 结果写回”这 5 个步骤进行的。下面，我们说说在这些细节上的差异。
在执行指令之前，影响性能的环节就是把指令拿过来。这就对应了刚才说的“取指令”这个步骤。取来的指令会放在一级缓存里，所以如果一级缓存够大，就有利于 CPU 提高性能。
在这一步，M1 就大幅超越了 Intel 和 AMD。M1 的一级缓存是 192 KB，比 Intel 和 AMD 的 32 KB 大了 5 倍。
指令拿来之后，还需要对指令做一下解码。这是因为，所有的外部指令都要被翻译成 CPU 可以看懂的语言才行。在这里，M1 设置了 8 个解码器，Intel 是 5 个，AMD 是 4 个。仅从数量上，我们就可以看出差距。
但其实，差距还不止是数量上的。因为实际上，这 3 款 CPU 内部可以读懂的指令都是一类叫作 RISC 的指令（精简指令集）。这种指令，每一条的长度、执行时间固定，只不过不能太复杂，如果要完成复杂动作，需要堆叠好多条 RISC 才可以。
为了和进入解码器之前的指令有所区分，经过解码器之后的每一条指令就叫它“微指令”了。
而输入进 CPU 的指令又是什么呢？
苹果的 M1，输入进来的就是 RISC 指令。而对于 Intel 和 AMD 来说，都是 X86 指令。这是一种和 RISC 指令完全不同的指令，它们叫作 CISC（复杂指令集）。这种指令长度不固定、执行时间也不固定，只不过可以用一条指令执行一些比较复杂的任务，而不用堆叠好多条。
RISC 和 CISC 是两个截然不同的阵营。在 Intel 和 AMD 的 CPU 里，需要多一道手续把 CISC 翻译成 RICS，于是翻译的过程自然就需要耗能、耗时间。而苹果的 M1，输入进来的指令就是 RISC，翻译器输出的也是 RISC。
你可能想问，既然苹果输入输出都是 RISC，还翻译干嘛呢？因为还需要标准化一下。但这样的标准化，有点类似于把繁体中文翻译成简体中文，比较简单。而 Intel 和 AMD 在这一步做的翻译，类似于古汉语翻译成简体中文，就费劲多了。于是在这一步上，M1 就节省了大量能耗。
在执行之前，还有一个步骤是把翻译标准化的指令发射出去。在发射这一步上，M1 一次能发出 8 个微指令，而 AMD 一次发出 6 个，Intel 一次发出 4 个。也就是说，执行同样任务，同样频率下，M1 发出去的微指令数正好大了 Intel 一倍。
在微指令被执行之前，还有一步是给它们排序。因为有些指令要执行，需要等待前序计算结果。
比如，除法中的借位就是一个典型。于是就存在一个现象，有些微指令的前后顺序不能变。而还有很多微指令的执行无所谓先后，只要尽快算出结果就好。
于是，那些需要等待前序计算结果的指令就容易淤积在队列里。这个排队等待区叫做“缓冲区”。由于这个缓冲区是给微指令排队用的，所以这里又叫做“重排序缓冲区”（ROB）。
这个区域当然是越大越好。而 M1 这里能排 630 条，Intel 能排 224 条，AMD 能排 256 条。M1 比其他两款大了 2 倍多。
接下来，就到了执行的部分。执行指令的工人越多，速度越快，自然就更不容易成为整体性能的瓶颈。以浮点运算这个当今对性能影响最直接的指标来看，M1、Intel 和 AMD 规划了一样多的资源，都是类似 2 个 256 bit 的执行单元。
当然，除了浮点运算之外，这个单元也一样负责运行整数部分的运算。整数运算加浮点运算就是 CPU 的全部运算了。而临时存放整数和浮点部分的单元， M1 也更强，是一个 354 + 384 的结构，而 Intel 是 180 + 168，AMD 是 192 + 168。
所以，虽然执行单元的执行力一样，但临时存放的部分（寄存器），M1 更大，所以更有利于消除瓶颈。
执行部分说完。在二级缓存（L2）上，M1 又规划了巨大的资源，每个核心都布设了 3 MB 的二级缓存。这是处理器设计历史上最大的。Intel 是每核心 1.25 MB，AMD 是每核心 0.5 MB。
二级缓存大，在预测哪些指令将会被使用的时候，就可以提前预备好，于是接下来要使用的指令被提前放进来的机会就大。一旦用得上，从缓存里拿来用的速度，就远比从内存里拿来用更快。这就像紧急救援部队是从楼下赶来，还是从 3 条街以外赶来那样大的区别。
当然，从 3 条街以外赶来也很重要。因为毕竟所有需要用到的东西都是先存到内存、再挪到缓存、再送进 CPU 的。内存的带宽大，也能消除瓶颈。
但 M1 对内存的处理手法完全不同。在 M1 里，那些内存你是无法摸到的，因为它们布设在 CPU 的铁盖子下面，和 CPU 是一体的。而普通电脑的内存在哪儿呢？大约离 CPU 有 5 - 10 cm 远，是一条一条可以拔插的、大家所说的内存条。内存条，就是这么来的。M1 这么做的最大好处就是降低延迟，从传统电脑的 70 ns 降低到了 45 ns。
而内存带宽上的差距就更大了。M1 Ultra 可以达到 800 GB/s，哪怕是 M1 Pro 和M1也有 200 GB，而 Intel 和 AMD 大约只能有 50 GB/s - 60 GB/s。
于是，在高清视频剪辑这种每秒都有几十 GB 实时数据传递的任务里，苹果笔记本的处理效率就非常高。所以今天，绝大部分视频 UP 主只要经济状况允许，肯定是用苹果笔记本剪辑的。
CPU的性能是什么决定的？
其实，CPU 的性能好不好，并不是靠在某个环节上猛堆料实现的。因为计算过程是一条流水线，线上任何一点的瓶颈都决定了 CPU 的最大性能。M1 比传统 CPU 好就好在，它在任何环节都堆了猛料。
在一些典型的图像渲染任务（Cinebench R23）的处理上，全核心开足马力的 M1 是 7800 分，而 Intel 的 i9 12900K 是 13500 分。别看 Intel 这个台式机旗舰机 CPU 的性能是 M1 的 170%，但功耗却是 M1 的 650%。算在一起，同样性能下，M1 构架的 CPU 只需要 Intel 的 1/4 - 1/3 的功耗。
所以，使用 M1 构架的苹果笔记本可以不用带电源适配器，办公一整天也绝对保证续航。
而这一点目前在传统处理器上是越来越做不到了。因为 Intel 和 AMD 都在比拼最高性能，于是本来能耗比尚可的设计都不能悠着来了，必须要把最后一滴性能榨干，甚至有的时候不惜让功耗增加一倍换来性能 10% 左右的提升。
这就导致了另外一件怪事的出现，如果你买的是传统处理器的笔记本，那插上交流电电源和不插电源的时候，性能会相差 30% - 40%。
因为当你不插交流电源的时候，系统如果还按最大性能运行，会导致电池快速用完，用户体验就太差了。于是，只用电池续航的时候，系统会强制 CPU 和 GPU 以低频、低压运行。这时，性能就巨幅下降。
而苹果的 CPU 完全不存在这样的设定，用电池和用电源时的性能都完全一样。
为什么苹果的CPU这么贵？
说到这里，我们是一直围绕 2020 年发布的 M1 来说的。实际上，大家更关注的是 3 月 8 日晚上发布的 M1 Ultra。但是，理解 M1 对理解 M1 Ultra 至关重要，因为：
M1=8 CPU + 8 GPU
M1 Pro=10 CPU + 16 GPU
M1 Max=10 CPU + 32 GPU
M1 Ultra=20 CPU + 64 GPU
M1 的晶体管数量是 160 亿，M1 Ultra 的晶体管数量是 1140 亿，是 M1 的 7 倍多，也是世界上第一枚晶体管数量超过 1000 亿的芯片。M1 Ultra 就是使用 M1 的基础构架搭积木搭出来的。
说回苹果的 CPU 为什么这么好。
首先，因为一分钱一分货。这颗 CPU 的成本要比 Intel 和 AMD 的贵上几倍到十几倍。业内分析，M1 Ultra 的制造成本在 350 美元左右，而 Intel 和 AMD 顶级 CPU 的成本也就只有几十美元。
苹果当然有技术优势，但如果把单颗 CPU 的成本也限定在和 Intel 与 AMD 类似的范围，苹果也只能做到 Intel 和 AMD 的水准而已。
但为什么苹果敢做这么贵的 CPU 呢？
原因就是，苹果不是卖 CPU 的，它是卖整机的。
如果像 Intel 和 AMD 那样靠卖 CPU 赚钱，仅制造成本就要 350 美元。如果按研发成本是 50 美元/颗计算，总成本就是 400 美元，那售价至少要奔着 2000 美元去了。而今天，CPU 销量最大的型号的售价普遍在 200 - 400 美元之间。
所以，Intel 和 AMD 都不会规划那么豪华的构架。苹果敢这么做，是因为它只卖整机，而且价格很高，5000 - 8000 美元一台。那么，在最关键部件分配 350 美元成本是没问题的。
第二个原因是，苹果还能进一步压缩研发费用。
开发出的 M1 构架可以不断堆叠，堆 2 倍、堆 3 倍、堆 7 倍，就从移动端变到了笔记本再到台式机再到一体机，各种平台通用。而这样大幅度的使用一款基础产品，通过扩大规模来平移到各个产品之中，也只有苹果可以做到。因为苹果的每类产品都拥有过亿的用户，这些平台甚至连操作系统都是统一的。
当然，苹果的 CPU 也不是完美的。
比如，M1 Ultra 实际上已经牺牲了一部分能耗上的优势，有意地加大规模去追赶当前英特尔最新款的 12 代酷睿处理器。
再比如，和 M1 比起来，M1 Ultra 的单核性能几乎没有任何提升。CPU 全核性能是 M1 的 3.2 倍，但实际晶体管的数量却是 M1 的 7.1 倍。
另外就是，苹果的电脑哪怕 GPU 规格极高，也几乎没法用来玩儿游戏。这是游戏软件不支持导致的，算是个历史原因。
但我们也可以预测，Ultra 是 M1 构架最后一个版本，苹果下次再次更新 CPU 时，代号肯定会升级到 M2，它也许会在 2022 年 9 月的发布会上露面。
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