معماري يكپارچه حافظه در ترا‌شه‌ M1 اپل چگونه عملكرد مك ‌بوك‌ هاي جديد را ارتقا مي‌دهد

حدود يك ماه از معرفي اولين تراشه‌ي اپل سيليكون موسوم به ام وان (Apple M1) مي‌گذرد. اپل با مهاجرت از تراشه‌هاي مبتني ‌بر معماري اينتل به آرم تحولاتي در صنعت كامپيوترهاي شخصي به‌ وجود مي‌آورد. اين شركت ادعا مي‌كند پردازند‌ه‌ي مركزي تراشه‌ي M1 مي‌تواند به قدرت پردازشي CPU-هاي معمولي لپ‌تاپ با يك‌چهارم مصرف انرژي آن‌ها دست پيدا كند. تراشه‌هاي M1 با معماري يكپارچه حافظه مي‌تواند عملكرد حافظه سيستم را سرعت مي‌بخشد. در ادامه درباره‌ي نقش ساختار تراشه‌ي M1 در عملكرد سيستم و محدوديت آن توضيح مي‌دهيم.

قبلا كوپرتينويي‌ها از طراحي تراشهي اختصاصي بر پايه‌ي معماري آرم براي مك‌بوك‌ خبر داده بودند و ۲ نوامبر امسال (۲۰ آبان ۱۳۹۹)، انتظارات به پايان رسيد و اپل در رويداد One More Thing، مك ‌بوك اير، مك بوك ميني و مك بوك پرو ۱۳ را با تراشه‌ي M1 معرفي كرد. تراشه‌ي M1 اولين تراشه‌ي اختصاصي اپل مبتني بر معماري آرم محسوب مي‌شود و مانند پردازنده‌هاي آيفون‌ و آيپد، از طراحي اختصاصي اپل براي قدرت بخشيدن به مك‌بوك استفاده مي‌كند.

تراشه‌ي M1 اپل، يك سيستم روي چيپ (SoC) است؛ اين بدان معنا است كه علاوه ‌بر CPU هشت هسته‌اي، ساير اجزاي اصلي از جمله GPU، كنترلر I/O و موتور عصبي را به‌صورت واحد كلي در خود جاي داده و رم نيز دركنار اين مجموعه قرار گرفته است.

افزودن رم به سيستم روي چيپ كار جديدي نيست و در تراشه‌‌هاي موبايل هوشمند مشاهده مي‌شود. اپل از سال ۲۰۱۸ ماژول‌هاي رم را روي تراشه قرار مي‌دهد و در كالبدشكافي آيپدپرو ۱۱ توسط iFixit مي‌توان مشاهده كرد كه رم در قسمت كناري تراشه‌ي A12X قرار دارد. حال اپل طراحي‌ آيفون و آيپد را به تراشه‌هاي كامپيوترهاي مك آورده است. پيش از اينكه سراغ عملكرد تراشه‌ي M1 در سري‌ جديد مك‌ بوك برويم، مختصري درباره‌ي ماهيت رم در سيستم توضيح مي‌‌دهيم.

رم (RAM) مخفف عبارت Random Access Memory (حافظه دسترسي تصادفي) است. رم حافظه اصلي سيستم محسوب مي‌شود و براي داده‌هاي در حال پردازش كامپيوتر، فضاي ذخيره‌سازي موقتي ايجاد مي‌كند. به عبارت بهتر، رم براي دسترسي سريع‌تر به داده‌هاي در حال پردازش، آن‌ها را ذخيره مي‌كند؛ داده‌هايي مانند فايل‌هاي الزامي براي راه‌اندازي سيستم‌عامل يا اسپردشيتي كه متخصص در حال ويرايش آن است.

همانند تصوير زير، معمولا رم به‌ شكل نواري باريك و بلند روي شيار مخصوص مادربرد لپ‌تاپ يا كامپيوتر قرار دارد. همچنين رم مي‌تواند به شكل مربع يا مستطيل روي مادربرد لحيم شود. به‌طور سنتي و در هر دو صورت يادشده، رم در محلي مجزا روي مادربرد كامپيوتر سوار مي‌شود.

ماژول فيزيكي رم همچنان بخشي مجزا است؛ اما در تراشه‌‌ي M1 اپل در بلوك سبزرنگ و نزديك به پردازنده قرار مي‌گيرند. بدين ترتيب، سرعت دسترسي به حافظه‌ي رم افزايش مي‌يابد و بدون شك، عملكرد سيستم را بهبود مي‌بخشد.

اپل تغيير محل رم به روي پردازنده را معماري يكپارچه حافظه (UMA) مي‌نامد و ايده اصلي اين است كه تمامي اجزاي پردازنده‌ تراشه‌ي M1 به يك حافظه‌ي رم دسترسي داشته باشند. بدين معنا كه اگر پردازنده‌ي گرافيكي به حافظه‌ي سيستمي بيشتري نياز داشته باشد، مي‌تواند مقدار استفاده از حافظه را بيشتر كند؛ درحالي‌كه ساير اجزا‌ي تراشه، مقدار استفاده را كاهش مي‌دهند. با قرار دادن رم روي پردازنده، ديگر نيازي به مجزا كردن حافظه‌ي رم براي هر بخش سيستم روي چيپ نيست و داده بين دو فضا براي بخش‌هاي مختلف پردازنده مبادله نمي‌شود؛ در طراحي جديد، GPU ،CPU و بخش‌هاي ديگر پردازنده مي‌توانند اطلاعات لازم را از يك حافظه دريافت كنند.

براي درك اهميت معماري آرم، نحوه‌ي اجراي بازي ويدئويي را در انديشه متخصصين بگيريد. ابتدا، CPU تمامي دستور‌العمل‌هاي بازي را دريافت و سپس داده‌هاي مورد نياز پردازنده‌‌ي گرافيكي را در كارت گرافيك بارگذاري مي‌كند. كارت گرافيك تمامي آن اطلاعات را دريافت و ازطريق پردازنده‌ي گرافيكي خود (GPU) و رم داخلي آن را پردازش مي‌كند.

حتي در صورت وجود پردازنده‌ي گرافيك مجتمع (integrated graphics)، معمولا GPU مانند پردازنده‌ مركزي حافظه‌ي اختصاصي دارد. پردازنده‌‌ي مركزي و گرافيكي به‌طور مستقل روي يك داده كار مي‌كنند و نتيجه را بين رم‌هاي اختصاصي‌شان مبادله مي‌كنند. با كاهش فاصله رم و پردازنده‌ها، رفت‌وبرگشت اين‌چنيني اطلاعات متوقف شود و شاهد بهبود عملكرد سيستم خواهيم بود.  

اپل در وب‌سايت تراشه‌ي M1 درباره‌ي معماري يكپارچه‌ حافظه توضيح مي‌دهد:

تراشه‌ي M1 از معماري يكپارچه حافظه (UMA) برخوردار است. اين معماري، حافظه‌ي كم‌تأخير و پهناي ‌باند را در مجموعه‌اي واحد قرار مي‌دهد. درنتيجه تمامي فناوري‌هاي سيستم روي چيپ مي‌توانند بدون كپي ‌كردن اطلاعات ميان بخش‌هاي مختلف، به آن‌ها دسترسي پيدا ‌كنند. اين طراحي منجر به ارتقاي عملكرد و بازده انرژي مي‌شود. در تراشه‌ي M1 اپليكيشن‌هاي ويدئويي جذاب‌تر، بازي‌ها قوي‌تر و پردازش تصوير سريع‌تر انجام مي‌شوند و به‌طور كلي، عملكرد كل سيستم بهبود مي‌يابد.

هدف اپل از ساخت تراشه‌ي مبتني ‌بر معماري آرم، فقط دسترسي تمامي اجزاي پردازنده به يك حافظه‌ي رم نيست. گفته مي‌شود اپل در اين تراشه از حافظه‌‌ي رم با پهناي باند بالا استفاده مي‌كند. رم به واحد پردازش مركزي و ساير اجزا نزديك است و در مقايسه با چيپ رم سنتي روي مادربرد، دسترسي به اطلاعات سريع‌تر مي‌‌شود.

اپل اولين شركتي نيست كه براي ارتقاي سرعت و عملكرد سيستم، در تراشه‌هاي اختصاصي‌اش رم را روي پردازنده قرار مي‌دهد. حدود ۶ سال پيش، انويديا راهكار نرم‌افزاري و سخت‌افزاري Unified Memory را دراختيار توسعه‌دهندگان قرار داده بود.

راهكار Unified Memory انويديا، حافظه‌ي مشترك قابل دسترس از هر پردازنده‌ي سيستم را فراهم مي‌كند. همچنين انويديا CPU  و GPU را در يك محل براي دسترسي به يك داده كنار هم قرار مي‌دهد و سيستم، اطلاعات مورد نياز حافظه‌ي مستقل CPU و GPU را صفحه‌بندي مي‌كند.

البته در تراشه‌هاي اپل سيستم اطلاعات را صفحه‌بندي نمي‌كند. درعوض، هر كدام از اجزاي سيستم روي چيپ مي‌تواند براي داده‌ي حافظه‌ي رم به يك منبع مشترك دسترسي پيدا كند. به عبارت بهتر، به‌ جاي تفكيك و تكثير داده‌ها در مجموعه‌هاي مختلف، امكان دسترسي به داده‌هاي يكسان از يك منبع بزرگ فراهم مي‌شود.

هدف از طراحي حافظه يكپارچه در تراشه‌ي اپل، ارتقاي عملكرد براي دسترسي سريع به رم و حافظه مشترك است كه اشكالات عملكرد تبادل و انتقال اطلاعات ميان آدرس‌هاي مختلف را برطرف مي‌كند.

راهكار اپل شايد بتواند عملكرد سيستم را ارتقا دهد؛ اما محدوديتي نيز دارد. درواقع ازآنجا كه در تراشه‌ي M1، حافظه‌ي رم روي دستگاه ادغام ‌شده است، نمي‌توان پس از خريد دستگاه‌ مجهز به اين پردازنده، رم آن‌ را حذف و رم بالاتري جايگزين كرد. به‌ عبارت بهتر، اگر مك بوك اير ۸ گيگابايتي خريداري كنيد، ديگر نمي‌توانيد رم آن را ارتقا بدهيد و از حافظه‌ي بيشتر بهره‌ ببريد؛ حداقل فعلا نمي‌توانيد اين كار را انجام بدهيد.

بالاترين مدل مك‌ بوك داراي تراشه‌ي M1، رم ۱۶ گيگابايتي دارد؛ درحالي‌كه مك‌ بوك‌هاي داراي پردازنده‌ي اينتل، حافظه‌ي رم بيشتري داشتند. به‌طور كلي، حافظه‌ي رم مك بوك‌هاي جديد ۸ و ۱۶ گيگابايت است. حال سؤال پيش مي‌آيد كه حافظه‌ي رم مك‌ بوك‌هاي جديد كافي است؟

به‌طور كلي براي انجام كارهاي عادي در كامپيوترهاي ويندوزي به ۸ گيگابايت رم نياز داريم و گيمرها بهتر است از رم ۱۶ گيگابايتي استفاده كنند. پس به‌طور مشابه، نسخه‌ي پايه‌ي مك بوك‌هاي مجهز به تراشه‌ي M1 كه رم ۸ گيگابايتي دارند، براي انجام كارهاي روزمره‌ي بسياري از افراد كفايت مي‌كند.

استفن هال، سردبير 9to5 Mac، عملكرد مك‌ بوك اير مجهز به تراشه‌‌ي M1 نسخه‌ي ۸ گيگابايتي را مطالعه كرد و به نتايج جالبي دست يافت. او در يك پنجره‌ي مرورگر سافاري ۲۴ تب باز كرد و در هر كدام از شش پنجره‌ي ديگر سافاري  ويدئوهاي 2160p اجرا كرد. هال با هدف كُند كردن مك بوك، اسپاتيفاي را نيز باز كرد و به‌طور هم‌زمان اسكرين‌شات گرفت و به گفته‌ي او، پس از انجام اين كار مك بوك كُند شد.

متيو پارازينو، متخصص كارشناس تك‌كرانچ، مك بوك پرو ۱۶ گيگابايتي مجهز به تراشه‌ي M1 را مطالعه كرد. او علاوه‌ بر چند اپليكيشن باز‌شده‌ي ديگر، چهارصد تب در مرورگر سافاري باز كرد و با اشكال مواجه نشد. پارازينو همين كار را با مرورگر كروم انجام داد و مرورگر با اشكال مواجه شد. به گفته‌ي او، سيستم مك به‌‎خوبي كار مي‌كرد و فقط مرورگر گوگل با اشكال مواجه شده بود. متخصص كارشناس تك‌كرانچ در حين مطالعه عملكرد مك بوك متوجه شد سيستم از فضاي swap استفاده كرد و هيچ اشكالي در عملكرد سيستم پيش نيامد.

زماني‌كه رم كامپيوتر پر مي‌شود، سيستم موقتا از SSD دردسترس يا هارددرايو به‌عنوان حافظه‌ي موقت استفاده مي‌كند. اين كار، سرعت عملكرد كامپيوتر را كاهش مي‌دهد؛ درحالي‌كه ظاهرا در مك‌هاي با تراشه‌ي M1 چنين اشكالي پيش نمي‌آيد.

موارد گفته‌شده، تجربه‌ي استفاده‌ي روزمره از مك است و مطالعه‌ تخصصي محسوب نمي‌شود. بنابراين براي افرادي كه صدها تب مرورگر را در استفاده‌ي روزمره‌ باز نمي‌كنند، نسخه‌ي ۸ گيگابايتي مك‌ بوك‌هاي جديد انتخاب مناسبي است.

البته، درصورتي‌كه به‌طور هم‌زمان در عين بازبودن چند تب در مرورگر، عكس‌ها و فايل‌هاي ويدئويي با حجم بالا ويرايش و فيلم استريم كنيد، شايد انتخاب نسخه‌ي ۱۶ گيگابايتي گزينه‌ي بهتري در خريد مك بوك‌هاي جديد اپل باشد.