هرآنچه درباره تراشه M1 و M1 Pro و M1 Max اپل بايد بدانيد

اپل در رويداد به‌يادماندني نوامبر ۲۰۲۰ از تراشه‌اي پرده برداشت كه نه فقط مك، بلكه تاريخچه‌ي دنياي كامپيوترهاي شخصي را به دو بخش قبل و بعد از خود تقسيم مي‌كند. M1، نقطه‌ي شروع نقشه‌ي راه اپل در مسير گذار از اينتل به دنياي آرم است؛ تراشه‌اي كه به مك ميني، مك‌بوك اير و مك‌بوك پرو ۱۳ اينچي، آيمك و آيپد پرو ۲۰۲۱ قدرت مي‌بخشد و تجربه‌ي كم‌نقصي را در عموم متخصصي‌ها فراهم مي‌آورد.

پيش‌تر در مطالعه مك بوك پرو M1 گفتيم كه M1 با ۵۰ درصد مصرف انرژي كمتر نسبت به بهترين تراشه‌هاي كم‌مصرف X86، مي‌تواند پابه‌پاي آن‌ها بيايد و حتي در پاره‌اي از موارد آن‌ها را پشت سر بگذارد؛ اما اين تراشه با تمام بهينگي‌اش نمي‌توانست نياز متخصصان حرفه‌اي را پاسخ دهد؛ بنابراين از مدت‌ها پيش منتظر رونمايي نسخه‌هاي جديدتر اين تراشه بوديم تا راهكار اپل براي ارتقاء قدرت پردازشي CPU و GPU را شاهد باشيم.

انتظارها با رويداد Unleashed تاريخ ۲۶ مهر (۱۸ اكتبر ۲۰۲۱) پايان يافت و اپل دو تراشه‌ي M1 Pro و M1 Max را با ابعادي بزرگ‌تر و قدرت پردازشي به‌مراتب بيشتر از M1 رونمايي كرد؛ تراشه‌هايي كه قلب تپنده‌ي لپ‌تاپ‌هاي بازطراحي‌شده‌ي مك‌بوك پرو ۱۴ و مك‌بوك پرو ۱۶ اينچي هستند. در ادامه با اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران همراه باشيد تا نگاه عميقي به تراشه‌هاي M1 Pro و M1 Max داشته باشيم و تفاوت‌‌هاي دو تراشه را درمقايسه‌با M1 متوجه شويم.

اپل تراشه‌‌هاي خانواده‌ي M1 را سيستم-روي-يك-چيپ (SoC) معرفي مي‌كند؛ زيرا افزون‌بر پردازنده‌هاي آشناي CPU و GPU، ماژول‌هايي همچون موتور پردازش عصبي، پردازنده‌ي سيگنال تصوير (ISP) و كنترلر تاندربولت/USB 4 را نيز در بطن خود دارد. از سوي ديگر ماژول DRAM نيز به‌همراه تراشه‌ داخل يك پكيج قرار گرفته است و در دسترس تمام پردازنده‌هاي داخل تراشه از جمله گرافيك قرار دارد. متأسفانه نه M1 و نه برادران قدرتمندترش، در بطن خود از مودم 5G براي برقراري اتصال ديتا بهره نمي‌برند.

M1 نخستين تراشه‌ي ۵ نانومتري در دنياي كامپيوترهاي شخصي به‌حساب مي‌آيد و روي سطح ۱۲۰٫۴ ميلي‌متر مربعي‌اش از ۱۶ ميليارد ترانزيستور ميزباني مي‌كند؛ اما اپل در تراشه‌هاي M1 پرو و M1 مكس پا را بسيار فراتر گذاشته است؛ اين تراشه‌ها به‌ترتيب ۲۴۵٫۹۲ و ۴۳۲٫۳۵ ميلي‌متر مربع هستند و روي چنين سطح وسيعي، ميزبان ۳۳٫۷ و ۵۷ ميليارد ترانزيستور هستند، بدين‌ترتيب تراشه‌هاي M1 Pro و M1 Max به‌ترتيب افزايشي ۱۱۰ و ۲۵۶ درصدي نسبت در تعداد ترانزيستورها نسبت به M1 تجربه مي‌كنند. در تصوير زير از وب‌سايت آنانندتك، تصوير واقعي تراشه‌هاي اپل را مي‌بينيد.

هر سه تراشه‌ي M1 و M1 Pro و M1 Max براساس ليتوگرافي ۵ نانومتري TSMC توليد مي‌شوند. همان‌طور كه در ادامه نيز مشاهده خواهيد كرد، تراشه‌‌هاي M1 Pro و M1 Max به‌ترتيب با حدود ۳۰ و ۶۰ وات توان مصرفي GPU و ۳۰ وات CPU احتمالا با فعال‌بودن كل تراشه، در سنگين‌ترين شرايط، به‌ترتيب بين ۶۰ تا ۷۰ وات (M1 Pro) و ۹۰ تا ۱۰۰ وات (M1 Max) مصرف خواهند كرد؛ درحالي‌كه اين عدد براي M1 در محدوده‌ي ۲۰ تا ۲۵ وات قرار مي‌گيرد.

تراشه‌ي M1 تركيب ۴ هسته‌ي قدرتمند Firestorm با فركانس ۳٫۲ گيگاهرتز و ۴ هسته‌ي كم‌مصرف Icestorm با فركانس ۲٫۰۶ گيگاهرتز را به‌عنوان CPU به‌كار مي‌گيرد. هسته‌هاي Firestorm و Icestorm به‌ترتيب به ۱۲ و ۴ مگابايت كش اشتراكي L2 دسترسي دارند. در تراشه‌ي M1 از كش L3 خبري نيست؛ اما مجموعه‌ي ماژول‌ها به حدود ۱۲ مگابايت كش سطح سيستم نيز دسترسي دارند.

درحالي‌كه تراشه‌هاي x86 از ۳۲ كيلوبايت كش L1 دستورالعمل براي هريك از هسته‌ها استفاده مي‌كنند، در تراشه‌ي M1 هريك از هسته‌هاي Firestorm به ۱۹۲ كيلوبايت كش L1 دستورالعمل و ۱۲۸ كيلوبايت كش L1 ديتا دسترسي دارند. هسته‌هاي كم‌مصرف Icestorm نيز از ۱۲۸ كيلوبايت كش دستورالعمل و ۶۴ كيلوبايت كش ديتا بهره مي‌برند. بدين‌ترتيب مجموع كش L1 تراشه‌ي M1 به ۲ مگابايت مي‌رسد؛ البته بايد توجه داشت ماهيت معماري آرم در اجراي تعداد زيادي دستورالعمل ساده‌تر، به‌خودي خود، حافظه‌ي بيشتري مي‌طلبد.

اپل تراشه‌ي M1 Pro را در دو مدل با ۶ يا ۸ هسته‌ي پرقدرت با «واحدهاي محاسباتي فوق‌عريض» و ۲ هسته‌ي كم‌مصرف با «واحدهاي محاسباتي عريض» در لپ‌تاپ مك‌بوك پرو ۱۴ اينچي به‌كار مي‌گيرد. هنوز مشخص نيست كه اين هسته‌ها به‌لحاظ معماري و فركانس كاري با هسته‌هاي Firestorm و Icestorm به‌كاررفته در M1 يكسان باشند يا خير.

اپل مي‌‌گويد درست‌مانند تراشه‌ي M1، هركدام از هسته‌هاي پرقدرت M1 Pro به ۱۹۲ كيلوبايت كش L1 دستورالعمل و ۱۲۸ كيلوبايت كش L1 ديتا دسترسي دارند؛ درحالي‌كه اين كش‌ها براي هركدام از هسته‌هاي كم‌مصرف به‌ترتيب ۱۲۸ و ۶۴ كيلوبايت اعلام شده است. براساس اعلام اپل، مجموعه‌ي هسته‌هاي پرقدرت به ۲۴ مگابايت كش L2 اشتراكي و مجموعه‌ي هسته‌هاي كم‌مصرف به ۴ مگابايت كش L2 اشتراكي دسترسي دارند؛ بدين‌ترتيب مقدار كش L2 هسته‌هاي پرقدرت M1 پرو، افزايشي ۱۰۰ درصدي نسبت به M1 تجربه مي‌كنند.

متأسفانه در حال حاضر اطلاعاتي درباره‌ي وضعيت كش اشتراكي سطح سيستم در تراشه‌هاي جديد در دسترس نيست؛ اما با مقايسه‌ي تصوير رسمي اپل از ساختار تراشه‌‌هاي M1 و M1 Pro و M1 Max، مي‌توان حدس زد كه احتمالا كش اشتراكي سطح سيستم در تراشه‌هاي قدرتمند اين شركت با افزايشي ۱۰۰ درصدي از ۱۲ به ۲۴ مگابايت رسيده باشد.

توجه داشته باشيد كه پردازنده‌ي مركزي (CPU) به‌كاررفته در M1 Max هيچ تفاوتي با نمونه‌ي به‌كاررفته در قدرتمندترين نسخه‌ي M1 Pro ندارد و مانند آن در مجموع از ۱۰ هسته، شامل ۸ هسته‌ي پرقدرت و ۲ هسته‌ي كم‌مصرف استفاده مي‌كند.

اپل در رويداد Unleashed عملكرد پردازنده‌ي مركزي M1 Pro و M1 Max را با تراشه‌هاي Core i7 - 11800H و Core i7 - 1185G7 اينتل مقايسه كرد و نشان داد كه تراشه‌هاي جديدش با توان مصرفي ۳۰ وات، ۷۰ درصد عملكرد بهتري نسبت به تراشه‌ي 11800H با مصرف يكسان ارائه مي‌دهند و براي برابري با بهترين عملكرد اين تراشه، ۷۰ درصد كمتر از آن انرژي مصرف مي‌كند.

كوپرتينونشين‌ها عملكرد پردازنده‌ي مركزي M1 پرو و M1 مكس را تا ۷۰ درصد سريع‌تر از پردازنده‌ي مركزي M1 اعلام كردند؛ بنابراين براساس آنچه از مطالعه عملكرد M1 در لپ‌تاپ مك‌بوك پرو به‌دست آورده‌ايم، مي‌توان حدس زد كه تراشه‌هاي جديد اپل با مصرف ۳۰ واتي، به‌طور تقريبي در حد و اندازه‌هاي پردازنده‌ي فوق‌العاده قدرتمند و ۸۰ واتي Ryzen 9 5900HX ظاهر خواهند شد.

از ويژگي‌هاي مثبت/منفي تراشه‌هاي جديد اپل مي‌توان به قرارگيري ماژول‌هاي پردازشي و DRAM در يك بلوك اشاره كرد. قرارگيري DRAM در مجاورت پردازنده‌ها از اتلاف انرژي مي‌كاهد و بر ارتقاي عملكرد تأثير به‌سزايي دارد؛ اما از سوي ديگر، امكان ارتقاي رم در آينده يا شانس تعمير را از متخصص مي‌گيرد.

تراشه‌ي M1 در دو نسخه با رم ۸ يا ۱۶ گيگابايتي در دستگاه‌هاي اپل به‌كار مي‌رود، اين رم‌ها در قالب دو ماژول ۴ يا ۸ گيگابايتي LPDDR4X-4266، هركدام با باس ۶۴ بيتي روي بلوك M1 سوار شده‌اند؛ بنابراين كل تراشه در مجموع با باس ۱۲۸ بيتي، به حافظه‌اي با پهناي باند ۶۸٫۲۵ گيگابايت‌برثانيه دسترسي دارد.

اپل تراشه‌ي M1 Pro را با رم‌هاي ۱۶ يا ۳۲ گيگابايتي در دستگاه‌هاي خود به‌كار مي‌گيرد كه در قالب دو ماژول ۸ يا ۱۶ گيگابايتي LPDDR5، هركدام با باس حافظه‌ي ۱۲۸ بيتي روي بلوك M1 سوار شده‌اند؛ بنابراين كل تراشه در مجموع به حافظه‌اي با باس فوق‌العاده‌ي ۲۵۶ بيتي دسترسي دارد. اپل پهناي باند حافظه‌ي M1 Pro را ۲۰۰ گيگابايت‌برثانيه معرفي مي‌كند. مشخص نيست كه اپل ماژول رم را با چه نسخه‌اي استفاده مي‌كند؛ اما LPDDR5-6400 با باس ۲۵۶ بيتي به پهناي باند ۲۰۴٫۸ گيگابايت‌برثانيه دست مي‌يابد.

در سوي ديگر ميدان، تراشه‌ي M1 Max از رم ۶۴ گيگابايتي استفاده مي‌كند كه در قالب چهار ماژول ۱۶ گيگابايتي و ۱۲۸ بيتي LPDDR5 روي بلوك M1 Max قرار دارند؛ بدين‌ترتيب كل تراشه در مجموع به حافظه‌اي با باس ۵۱۲ بيت و پهناي باند تحسين‌برانگيز ۴۰۰ گيگابايت‌برثانيه به‌گفته‌ي اپل، دسترسي دارد. توجه داشته باشيد كه چنانچه ماژول‌هاي رم M1 Max از نوع LPDDR5-6400 باشند، پهناي باند حافظه كمي بيشتر از ادعاي اپل و برابر با ۴۰۹٫۶ گيگابايت‌برثانيه خواهد بود.

پهناي باند ۲۰۰ و ۴۰۰ گيگابايت‌برثانيه‌اي تراشه‌هاي M1 Pro و M1 Max نسبت به پهناي باند ۶۸ گيگابايت‌برثانيه‌اي M1 پرشي ۲۰۰ و ۵۰۰ درصدي تجربه مي‌كنند و يكي از تأثيرگذارترين عوامل بر عملكرد تحسين‌برانگيز CPU و GPU-محور تراشه‌هاي جديد اپل به‌حساب مي‌آيند. در مقام مقايسه بايد توجه داشته باشيد كه تراشه‌ي دسكتاپ Core i9-11900K از پهناي ۵۰ گيگابايت‌برثانيه همراهي مي‌كند و پهناي باند حافظه‌ي پلي‌استيشن ۵ به ۴۴۸ گيگابايت‌برثانيه مي‌رسد.

اپل مي‌گويد M1 از سريع‌ترين گرافيك يكپارچه‌ي دنيا بهره مي‌برد؛ ماژولي كه بخش زيادي از سطح تراشه‌ را در اختيار خود دارد. پردازنده‌ي گرافيكي M1 از ۷ يا ۸ هسته‌ي گرافيكي با توان محاسباتي ۲٫۶ ترافلاپس (۲٫۶ تريليون عمليات‌برثانيه روي اعدادي با مميز شناور FP32) بهره مي‌برد و به‌گفته‌ي اپل از پس پردازش هم‌زمان ۲۴۵۷۶ ترد، رندر ۴۱ ميليارد پيكسل‌برثانيه و ۸۲ ميليارد بافت‌برثانيه برمي‌آيد، اين اعداد پردازنده‌ي گرافيكي M1 را فراتر از GTX 1650 Max-Q با توان طراحي حرارتي ۳۰ وات قرار مي‌دهند.

مطالعه‌ها نشان مي‌دهد كه پردازنده‌ي گرافيكي يكپارچه‌ي M1 در مجموع از ۱۰۲۴ واحد محاسبات منطقي (ALU)، بالغ‌بر ۶۴ واحد مديريت بافت‌هاي گرافيكي (TMU) و ۳۲ پايپ‌لاين رندر خروجي گرافيكي (ROP) بهره مي‌برد و فركانس بيشينه‌ي آن به ۱۲۷۵ مگاهرتز مي‌رسد. اين پردازنده‌ي گرافيكي از ماژول رم DDR4-4266 يكپارچه با تراشه‌ي M1 به‌عنوان حافظه‌ي گرافيكي استفاده مي‌كند.

اپل در مورد توان مصرفي پردازنده‌ي گرافيكي تراشه‌‌ي M1 صحبت چنداني نمي‌كند؛ اما مي‌گويد GPU به‌كاررفته در اين تراشه مي‌تواند به عملكرد «جديدترين GPU يكپارچه‌ي دنياي PC» با مصرف يك‌سوم توان موردنياز آن‌ها دست يابد.

تراشه‌ي جديد M1 Pro از نسخه‌ي ارتقا‌يافته‌ و ۱۶ هسته‌اي گرافيك M1 بهره مي‌گيرد. ماژول جديد در مجموع ۲۰۴۸ واحد محاسباتي با قدرت پردازشي ۵٫۲ ترافلاپس در بطن خود دارد و از پس پردازش هم‌زمان ۴۹۵۱۲ ترد، رندر ۸۲ ميليارد پيكسل‌بر‌ثانيه يا ۱۶۴ ميليارد بافت‌برثانيه برمي‌آيد. GPU جديد به ۳۲ مگابايت كش سيستمي و حافظه‌هاي DRAM با پهناي باند بسيار سريع ۲۰۰ گيگابايت‌برثانيه‌اي به‌عنوان حافظه‌ي ويدئويي دسترسي خواهد داشت.

اپل مي‌گويد قدرت پردازشي گرافيك يكپارچه‌ي M1 Pro دو برابرِ نمونه‌ي به‌كاررفته در تراشه‌ي M1 است و ادعا مي‌كند كه گرافيك ۱۶ هسته‌ي M1 پرو مي‌تواند با ۷۰ درصد مصرف انرژي كم‌تر به سطح عملكرد مشابه گرافيك ۱۰۵ واتي RTX 3050 Ti موبايل دست يابد.

مهندسان كوپرتينو در تراشه‌ي M1 Max پا را فراتر گذاشته‌اند؛ اين تراشه از ۳۲ هسته بهره مي‌برد و با بهره‌گيري از ۴۰۹۶ واحد محاسباتي، قدرت محاسباتي ۱۰٫۴ ترافلاپس را روي اعدادي با مميز شناور FP32 ارائه مي‌دهد. به‌گفته‌ي اپل، گرافيك به‌كاررفته در M1 مكس از پس پردازش ۹۸۳۰۴ ترد، رندر ۱۶۴ ميليارد پيكسل‌برثانيه يا ۳۲۷ ميليارد بافت‌برثانيه برمي‌آيد. اين GPU به ۳۲ مگابايت كش سيستمي و حافظه‌ي DRAM بسيار پرسرعت‌ترِ ۴۰۰ گيگابايت‌برثانيه‌اي تراشه‌ي M1 Max دسترسي دارد.

اپل در اسلايدهاي خود سطح عملكرد گرافيك ۳۲ هسته‌اي M1 Max را بين نسخه‌هاي ۱۰۰ و ۱۷۰ واتي RTX 3080 انويديا نشان داد. براساس اين اسلايدها، اين ماژول گرافيكي مي‌تواند با حدود ۴۰ درصد مصرف انرژي كم‌تر، بيش‌از ۱۰ درصد بهتر از گرافيك ۱۰۰ واتي انويديا مي‌كند، به‌انديشه متخصصين مي‌رسد كه تراشه‌ي اپل با مصرف حدود ۶۰ وات، به چنين سطح عملكردي دست مي‌يابد. كوپرتينونشين‌ها عملكرد گرافيك ۳۲ هسته‌اي M1 Max را چهار برابرِ نمونه‌ي به‌كاررفته در تراشه‌ي M1 اعلام مي‌كنند.

در مباحثه مقايسه‌ي عملكرد GPU بين تراشه‌هاي اپل و گرافيك‌هاي انويديا بايد توجه داشته باشيد كه اين شركت تراشه‌هاي RTX 3000 را در نوع ۲۸ نسخه‌ي متفاوت براي دستگاه‌هاي قابل‌حمل معرفي كرده است؛ به‌عنوان مثال ضعيف‌ترين RTX 3080 براي دستگاه‌هاي لپ‌تاپ با توان مصرفي حدود ۸۰ وات، حتي از برخي نسخه‌هاي RTX 3060 نيز عملكرد ضعيف‌تري ارائه مي‌دهد؛ بنابراين شايد در نهايت عملكرد گرافيك ۳۲ هسته‌اي M1 Max با برخي از نسخه‌هاي RTX 3060 نيز برابري كند.

يكي از اصلي‌ترين اشكالات لپ‌تاپ‌هاي ويندوزي، به افت فاحش عملكردشان به‌ويژه در زمينه‌ي گرافيك، در حالت Unplugged (با باتري)، درمقايسه‌با وضعيت Plugged (متصل به برق) بازمي‌گردد. اپل مي‌گويد مك‌بوك‌هاي مجهز به تراشه‌هاي پرقدرت M1 پرو و M1 مكس با يا بدون اتصال به برق، عملكرد يكساني را در اختيار متخصص مي‌گذارد. اپل در اسلايدهاي رويداد Unleashed نشان داد كه رقباي مك‌بوك پرو M1 Max با پردازنده‌ي گرافيكي RTX 3080 در حالت Unplugged بين ۲٫۵ تا ۳٫۳ برابر ضعيف‌تر از لپ‌تاپ اين شركت عمل مي‌كنند.

هر سه تراشه‌ي M1 و M1 Pro و M1 Max از موتور پردازش عصبي (NPU) يكسان با ۱۶ هسته قدرت مي‌گيرند و قابليت اجراي ۱۱ تريليون عمليات مبتني‌بر يادگيري ماشين را در ثانيه دارند. از سوي ديگر ماژول Secure Enclave براي نگه‌داري اطلاعات حساس نظير اثر انگشت، پردازنده‌ي سيگنال تصوير (ISP) براي ارتقاء ويدئوها و عكس‌هاي ثبت‌شده با وب‌كم و كنترلر Thunderbolt/USB 4 براي همراهي از پهناي باند ۴۰ گيگابيت‌برثانيه نيز در دل هر سه تراشه‌ي اپل وجود دارد.

درحالي‌كه تراشه‌ي M1 قابليت اتصال يك مانيتور اكسترنال 6K با نرخ نوسازي ۶۰ هرتز را دارد، تراشه‌ي M1 Pro امكان اتصال ۲ مانيتور 6K و تراشه‌ي M1 Max امكان اتصال ۴ مانيتور 6K را دراختيار متخصص مي‌گذارد.

مهندسان اپل در كنار پردازنده و گرافيك، موتور پردازش ويدئو را نيز در تراشه‌هاي M1 پرو و M1 مكس ارتقا داده‌اند. تراشه‌هاي جديد اكنون در كنار شتاب‌دهنده‌ي كدك‌هاي H.264 و HEVC، موتور دي‌كد و انكد اختصاصي ProRes و ProRes RAW را نيز براي استريم هم‌زمان چندين ويدئوي ProRes با وضوح 4K و 8K در بطن خود دارند؛ كدك‌هايي كه بسيار موردتوجه توليدكنندگان حرفه‌اي محتوا هستند. اپل مي‌گويد M1 Max از دو موتور پردازش ويدئو و دو شتاب‌دهنده‌ي ProRes بهره مي‌برد.

انديشه متخصصين شما درباره‌ي تراشه‌هاي دسكتاپ اپل چيست؟ آيا اين تراشه‌ها را به‌اندازه‌اي كارآمد مي‌دانيد كه در نهايت باعث ايجاد تحول در سهم بازار سيستم‌‌هاي عامل دسكتاپ داشته باشد؟ آيا اينتل و AMD يا حتي كوالكام از عملكرد اپل در اين حوزه متضرر خواهند شد؟