比Intel快2倍的传说，Mac用苹果处理器的一点想法

苹果 PowerPC 时代，我在上高中。那时有件事我印象很深刻。当时我们班有个很懂计算机的人，拿着一本计算机杂志，跟我安利 iMac G4，说你看这个电脑多好看啊，多牛逼啊，比 Windows 电脑不知道好看了多少倍。而且他还跟我强调说，你知道吗？这台电脑的 PowerPC 处理器比你们奔腾处理器快 2 倍。

我当时还是个高中生，根本不知道什么是 PowerPC，我当时就只知道 Intel 的奔腾处理器（还听说过 AMD），听他说完就觉得苹果好牛逼；而且他那么懂电脑，他说快 2 倍，那就应该是 2 倍吧。iMac G4 用的处理器是 IBM 的 PowerPC G4（具体应该是 PowerPC 7445 之类）…

iMac G4

苹果芯片的精准制导

其实“快 2 倍”这个说法，好像也是当年乔布斯在发布会上吹出来的（也可能是当年某本苹果杂志的编辑写出来的）。最早苹果在宣传广告中提到，PowerPC G3 比当时的奔腾 II 要快 2 倍；后续说 G4 比奔腾 III 快很多；G5 比奔腾 4 快很多。差不多就是这样。（我高中时期，时代一脚刚刚跨入到奔腾 4 等灯等灯）

当年乔布斯曾经公开对比过 Mac 和 Windows PC，对比的方式是双方自动执行一组 Photoshop 任务。当时 Mac 以快得多的速度完成工作，碾压奔腾处理器的 Windows PC……当年奔腾正在搞超长流水线，处理器主频不知道飞跃到哪里去了。PowerPC 那会儿走的线路更偏宽核心，频率是低很多的。苹果那一时期还做过一个叫“The Megahertz Myth”的宣传，主要就是教育公众，别迷信时钟频率。

Intel 奔腾 III 处理器

这事儿吧，其实有一定的道理。不过乔布斯的这次对比，PowerPC 的胜出，主要是因为 PowerPC G4 处理器配了个 AltiVec 加速单元，这是个 128bit 的矢量处理单元，可以单周期内执行 4 路单精度浮点数学运算（或者 16way 8bit/8way 16bit 之类），而且还是超标量设计，同时可以执行 2 个矢量操作。Photoshop 就能充分利用这个单元。AltiVec 效率比那会儿的 MMX 扩展指令要高。

就这个角度，也能一定程度解释，为什么现在的 iPad Pro 剪视频那么流畅，但桌面 PC 同等操作下却没那么快。这其实跟处理器设计的思路有很大关系。我觉得这么对比，并不存在什么公平不公平的问题。而且奔腾 4 当年在路子上的确出了比较大的问题。

只不过你不能就此得出一个结论说，PowerPC G4 就比奔腾 III/4 快多少。那现在，我们是不是也可以只对比一下充分利用 AVX512 的特定任务，来让 Intel 和 AMD 比比，后者会不会被 pia 出银河系吗？这是不合理的。

拿某些固定工作单元去比性能的意义，其实没那么大，尤其是对通用性很重要的 CPU 而言。这一例中，且不说究竟有多少程序代码能用上 AltiVec 单元（就像现在很多人质疑 AVX512，说用不到它）；应该要比的还是日常消费用户比较频繁的操作，在效率上怎么样。苹果日常就非常善于呈现一些他想让你看到的数字，虽然没在说谎，但也未展示事物全貌。

MacBook Pro

我觉得，在 CPU 通用计算发展思路，该用的技术基本上都用过一遍以后（比如乱序执行、分支预测、超线程等近代技术），CPU 单线程性能推进本来就遇上了瓶颈。这时候是需要引入专用处理单元的，这也是一个常规思路——典型的像是在 GPU 领域，NVIDIA 为光线追踪引入了专用处理单元，这是提升性能和效率明显收益更高的方案。

苹果面向消费用户，或者目标群体时，一向都十分清楚自己需要针对硬件（或软件）做什么样的强化。所以事实上，苹果自己掌控处理器的设计，对目标群体的确是一件好事——就像它也掌控操作系统和软件一样。比如历史经验告诉我们，大量 Mac 用户用苹果电脑来剪片子，而 Final Cut Pro 在软件优化上的苹果平台加成，就是 Premiere 和 Davinci 都望尘莫及的，不管是视频编辑时的实时渲染、编码预览，还是输出速度。硬件层面为此若进一步做加成，还能再度提升效率。

iPad Pro 实现一些简单视频后期，效率明显比 x86 的 MacBook 更高，即是这一思路的集中体现。不过我也始终觉得，这种思路是有明确目标用户定位的。大部分人，并没有这些需求，如果我压根儿不用 Photoshop，那么像 AltiVec 这样的专用单元只能成为一种资源浪费。至于很多人，把这类思路解读为苹果在芯片设计上的黑科技，那也大可不必；毕竟 Intel 在服务人群的思路上和苹果是大相径庭的；就像高通也不可能面向 Android 阵营极为草率地，推出一颗性能与苹果 Ax SoC 相当的产品一样。

Arm 效率真的高过 x86 吗？

自从苹果宣布 Mac 要开始用 Apple Silicon，就一大堆媒体说了，看那个 iPad Pro 牛逼坏了——A12Z，一个功耗那么一点点的处理器，性能那么彪悍了，要是苹果给它提个主频、核心数，那岂不是立马把 Intel/AMD 之流轰出地球了吗？

有关这一点，早前的文章《MacBook 要采用 Arm 处理器，难度有多大？》我也用一个段落提到过，即 A12/A13 这些芯片的能效比，似乎还挺美好的。但实际上，如果苹果给这些芯片暴力提频，提到桌面处理器的程度，则其功耗和能效也会立马崩边——因为频率提升，越往后，给功耗带来的压力就会显著更大，而不是平缓变化的。当然我觉得这种描述略有些片面了。

我们还可以来看看 Cortex-X1 的设计——就是前不久 Arm 发布的一个微架构 IP。这个微架构被 Arm 设计出来的初衷，很大程度上就是面向高性能的。而且需要注意的是，它是以一定程度牺牲功耗和能效，来提升性能的——这跟 Cortex A78 的设计就很不一样。Cortex A78 是纯面向移动平台的那种传统核心，就是必须在 PPA 上做权衡，面积、性能、功耗都必须考虑在内，做到针对手机这类设备尽可能的最优解。

Arm Cortex-X1 与 Cortex-A78/A77 微架构性能对比。其实我也挺想说，CPU 层面增加一些扩展指令集的能力，包括上面这张图列出了机器学习性能提升，也表明：现在很多人认定，x86 CPU 增加 AVX512 这样的支持没有必要，是在浪费芯片尺寸和功耗（Linus Torvalds 为代表），而应该完全让专用处理器（比如 NPU、GPU）去处理这些事——这类想法可能是十分片面的

但 Cortex-X1 的指导思路就不是这样。Arm 给的一些数据是这样的：相比 A77 在相同频率下，X1 的峰值性能提升 30%。具体应用中，X1 的提升理论上还会更大，因为频率肯定比 A77 要高。不过 Arm 基本没提功耗和面积的事情。AnandTech 预计，X1 的核心大约会比 A78 大出 50%，包括 L1 L2 cache 部分；功耗估计也要多出这么多。

AnandTech 认为，在实际实施方案里，这个数字可能会更大，X1 的功耗可能会达到 A77/A78 的两倍；能效（energy efficiency）会比 A78 差大概 23% 左右。不过讲真的，这根本没什么大不了。Arm 现在大部队都期望去攻占 PC 平板市场，X1 也符合这种设定。

AnandTech（Andrei Frumusanu 博士）假想的一张图，可以表示 Cortex-X1 3GHz 5nm AT Projection（蓝色点状条）的能耗与绝对性能情况。这张图的左边柱状条表示的是 SPEC2006 测试全程消耗的能量（单位：焦耳），柱状条右边有两个数字，一个是平均功耗（单位：瓦特），另一个就是柱状条长度表示的能量（单位：焦耳）。右边柱状条则表示绝对性能，即跑分数字。

但这至少表明了 Arm 并没有什么黑科技，像很多人想象的那样，跟 Intel x86 比起来效率高到天上去——上面这些数据还是在台积电的 5nm 工艺不要出什么大纰漏的情况下；Arm 要做高性能，牺牲效率和功耗也是必须的，这事情真不像很多人想的那么简单，苹果做个高性能处理器就等比放大下 A 系列处理器就可以的。

之前我写 Mac 要用 Arm 处理器有多难的时候就提到过了，性能提升和功耗提升，这不是线性的关系。把 A12Z 提到 3GHz 频率，你看它功耗会崩到哪里去…

所以针对以上段落的总结是：苹果给 Mac 上自家芯片自然是好事——这里的“好”，体现在苹果收拢自家生态，Mac 迭代节奏也能完全掌握在自己手里；更重要的是，面向目标群体（比如做设计的、vlogger、搞摄影的等等）实现硬件层面更高效的支持，因为苹果可以更具针对性地去做硬件和芯片，Mac 设备的体验也因此可以更好。这也是苹果一直以来，对生态掌控力的固有经验——iPhone 即是这个思路下的产物。之所以等到现在，Mac 才使用 Apple Silicon，也是因为苹果现有的技术储备已经足够。

但这并不意味着，其芯片技术领先到了哪里去，更不表示 Arm 现如今在桌面市场比 x86 平台已经表现出了多大的技术优势。

番外：苹果需要做几颗处理器？

苹果用自家处理器，另一个我觉得挺现实的问题是，Mac 产品线有那么多不同的产品，比如 MacBook Air/Pro、iMac、Mac Pro 之类。如果要全线用自家芯片，那是不是要做一堆不同型号的处理器出来？

好吧，就算苹果能通过芯片体质的 binning 来自己划分个 A14-a，A14-b，A14-c 几个档位的 SoC 出来（比如针对较弱体质的就屏蔽掉两个核心之类的，或者用更低的频率，用在低端产品线上，那这样还节约了设计成本，桌面 CPU 本来也是这么搞的嘛）。问题是，Mac 一年的销量才多少（而且还要划分不同设备类型的不同芯片）？

Apple Silicon

之前的文章《摩尔定律失效，FPGA迎来黄金时代？》曾经提到，用尖端工艺去设计和制造芯片，所需耗费的成本不菲——这个成本并不是哪个行业都耗得起的，就算是汽车产品，其出货量也走不起最尖端工艺的量（汽车销量爆款能达到百万就很不错了）。iPhone 之所以能用自己的芯片，而且性能炸裂，一个很大的原因是 iPhone 的年销量非常高。所以苹果能走得起最先进制程工艺，比如现在的 7nm 制程。iPad 本质上是沾了 iPhone 的光，设计成本和制造成本都可以有效控制。

Mac 年销量才多少？开一个 5nm 的产线要多少钱？如果走不起量，就不可能用得起最先进的制程。去年 Mac 全产品线的销量是 1800 万台左右；iPhone 预期是在 1.9 亿部上下。这个就有 10 倍出货量差距。

如果给 Mac 重新设计高性能处理器，这里面的设计成本负担其实也非常高，尤其是配合每年的最先进制程——每年还要迭代，苹果又不是专门做芯片的，没有客户摊薄成本（这一点和 Intel、高通这些厂商就显著不同）；生产成本已经说了，走不走得起这个量，我觉得有兴趣的同学可以算一下（苹果肯定也算过这笔账了，或者苹果有某种高端的解决方案，衰 O_o）。

当然苹果也可以不去刻意设计高性能处理器，比如跟 iPad 用一样的处理器，或者也就改个款，或者可能有什么黑科技，规模化放大设计（有了解芯片设计的朋友跟我说，有这样的可行性）…那我觉得这样的话，至少就现在来看，苹果的 A 系列芯片起码在通用性上，日常操作在 Intel 面前真没什么特别的效率、性能优势（虽然 Intel 现如今正在渡过自己非常难堪的一段时间）。

Mac Mini

另外，在 GPU 方面——看很多分析文章提到，未来苹果极有可能完全采用自家集成在 SoC 内部的 GPU，放弃 AMD 家的独立 GPU 设计——这一点从苹果现在的开发者文档能看出些端倪，AMD、NVIDIA 统统被苹果归到旧款 Mac 设备行列了，这也符合苹果一贯以来的尿性；毕竟苹果的 Metal API 也搞这么久了。如果是这样的话，Radeon GPU 还真是做了这么长时间的嫁衣——可见老黄不愿意支持苹果 Metal API 的决策是正确的…（逃

这篇文章谈的比较散了，真像 Intel 的软文——实际上，我的确不希望 Intel 在 PC 市场没落。