Снимки на кристала и анализ на архитектурата на чипа Apple M2

По време на събитието WWDC компанията Apple представи своята нова система върху чипа М2 с 20 милиарда транзистора. Само че в някои модули, като например централния процесор, ръстът е съвсем незначителен. Основното увеличение на производителността е при графичния процесор и възможността за редактиране на видео. Като цяло ръстът на производителността е малко разочароващ, като се съобразим с разходите по новия М2, както и че от излизането на М1 изминаха почти две години. Историята с повишаването на цената доста прилича на тази с А16, когато Apple се принуди да използва чипа А16 в моделите iPhone Pro и А15 в обикновените iPhone поради скъпите компоненти.

Нека се спрем малко по-подробно върху архитектурата на SoC М2 и на бъдещите проекти на Apple, включително M2 Pro/Max и M3, за които стана дума по време на WWDC. Искам да изкажа и специалните си благодарности на Twitter потребителя Locuza за анализа на кристалите, показани в снимките, официално публикувани от Apple.

Доста е странно да се види, че някои специалисти наричат новия продукт с имената M1.5 или M1+. Това е нелепица. Като цяло М1 наистина е съставен от същите IP блокове като Apple 14 (с леки промени). М2 с кодово име Staten всъщност се базира на IP блоковете от А15 с кодово име Ellis. Тези имена са взети от най-известните острови на Ню Йорк, а това намеква за някаква тясна взаимовръзка между тези архитектури. А разочарованието от незначителния ръст на производителността при новото поколение се дължи на това, че след излизането на М1 се наложи да се чака почти две години и много хора очакваха от М2 значително повече.

Основните причини за забавяне развитието на Apple в тази област се дължи предимно на това, че редица водещи специалисти на корпорацията от Купертино отидоха в компании като Nuvia и Rivos. Изтичането на мозъци така и не спря поради неособено добрата корпоративна култура на Apple, а и освен това технологичните гиганти като Google, Microsoft, Amazon и Meta плащат значително повече за същата работа. И още, компанията напуснаха голям брой добре мотивирани специалисти, които успешно осъществиха прехода на Apple от процесорите на Intel към своите фирмени процесори на компанията. Сега тези хора предпочитат да работят върху по-интересни проекти от подобен род, но вече в средата на други технологични компании и дори в многообещаващи стартъпи.

Тези процеси доведоха до това, че в А15 и М2, а може би и при следващия чип А16, ръстът на производителността ще бъде по-умерен. Появиха се слухове, че в А16 не се използва процесорно ядро от по-ново поколение, базирано на архитектурата Armv9. Ще е твърде печално, ако това се окаже истина, понеже Apple бе първата компания използвала Armv8. Според тези слухове Armv9 ядрото от ново поколение ще се появи чак в М3, който ще стане първият чип на Apple, произвеждан чрез технологичния процес N3 на TSMC. Apple е готова с проектирането на тази SoC и вече е сключила съответните договори за производството на M2 Pro и M2 Max, но в които както преди се използват N5 и IP блоковете А15.

Нека да се вгледаме в представената по-горе снимка. Apple публикува фотографиите на М1 и М2, информацията в които е доста спестена. Вижда се, че площта на М2 е 141,7 мм², но аз и моят екип считаме, че Apple е ретуширала снимките на кристалите. Това не се случва за първи път. Apple направи съвсем същото с M1 Max, където скри връзките между кристалите. Леко, но достатъчно са променени и геометричните размери.

На нас ни струва, че на тази снимка е променен мащабът на М2. Можем да сравним размера на клетките SRAM и PHY, които трябва да са еднакви при всички чипове, като веднага ще видим, че при М2 те изглеждат по-малки, отколкото би трябвало да бъдат. Освен това, представения от Apple кристал на М2 изглежда има по-голяма от А15 плътност на транзисторите, което е още едно несъответствие. Този кристал би трябвало да има по-малка плътност поради заделената по-малка обща площ за SRAM клетките памет, които по-принцип са си по-плътни. От друга страна, повече е площта за входно/изходната и другата цифрова логика. Ето защо Locuza е променил мащаба на снимката на кристала М2. След това мащабиране SRAM клетките и идентичните PHY стават еквивалентни по размер със същите елементи при M1 и A15. Заради тази обработка на маркетинговото изображение на Apple и заради мащабирането на кристала погрешността е нараснала до около 3%. Материалът по-нататък е представен без да се отчита тази погрешност.

Нека вече да се спрем по какъв начин Apple е използвала увеличената площ на кристала.

Да започнем с P-Core на Apple. То е създадено на базата на ядрото Avalanche Apple, което се използва в А15, но има някои разлики. Това съответства на подхода, използван в M1 Pro и M1 Max – в тях се използваше модифицираното ядро Firestorm, което може да адресира повече памет чрез разширена адресация на страниците памет. Направени са и няколко модификации, които дават възможност за работата със страници с различен размер, които скоро ще започнат да се поддържат от MacOS.

Самото ядро има с 21% по-голяма площ в сравнение с М1 ядрото и със 7% по-голяма от А15. По-голямата част на увеличената площ на кристала се дължи на увеличения размер на L2 кеш паметта. който нарасна от 12 MB на 16 MB. AMX блокът изглежда еднакъв с A15 и M1. Слоят от съвместно използваната цифрова логика също е станал съществено по-голям, което означава, че пропускателната способност между ядрата, L2 кеша и SLC е увеличена. Като цяло Apple е заделила общо  5,2 мм² за големите P-Core, но ръстът на производителността се дължи предимно на увеличената тактова честота. Според различните тестове, увеличението на изпълняваните процесорни инструкции на такт (IPC) е незначително.

Друга особено интересна промяна е, че ROB (Re-order Buffer) в ядрото Avalanche, което се използва в А15 и М2 е намален в сравнение със същия буфер в Firestorm ядрото, което се използва в М1 и А14. Това е наистина интересно, понеже Apple използва най-големия ROB буфер в тази сфера, за да осигури на ядрото най-голям брой инструкции на такт.

При прехода от А14 към А15 най-голямата промяна от гледна точка на централния процесор е E-Core (Е-ядрото), при което ситуацията е същата. След мащабирането на публикуваната от Apple снимка на кристала се вижда, че E-Core ядрата при А15 и М2 изглеждат идентични, което означава, че мащабирането наистина е подбрано правилно. Apple почти не е въвеждала промени в E-Core.

За E-Core няма какво по-специално да се каже, понеже и така е очевидно, че то по нищо не се различава от E-Core A15, което вече е най-подробно изследвано. Като цяло E-Core клъстъра е само с 1 мм² по-голям в сравнение с предишното поколение.

След мащабирането на GPU се вижда, че и интегрираният графичен процесор има приблизително същия размер на ядрата в сравнение с М1 и и неговите 128 изчислителни модула. Това е много интересно, понеже това е един от аспектите, по които М1 се различава от А14. Това може да се счита за архитектурна промяна, въпреки, че и двата процесора са от едно и също поколение. Apple вече има прецедент със SoC Х, в която се появиха промени в сравнение със SoC А. Преди много години A6 и A6X имаха различни архитектури на интегрирания графичен ускорител. Това е логично, като се има предвид, че SoC от фамилията M е просто ребрандирана версия на X. Сегашният GPU изглежда съвсем същият, но съвместно използваната цифрова логика и другите елементи са станали по-големи и може да се предположи, че има промени във функционалността на интегрираната графика. Основната разлика е в броя на ядрата, като този път Apple ги е увеличила до 10 броя. Отделно имаме повишаване на тактовата честота на GPU от 1,27 GHz на 1,406 GHz.

В сравнение с предишното поколение площта на новия GPU е с почти 7 мм², което подсказва за немалък ръст на производителността при една и съща консумация.

Последният IP блок, който е добре да бъде сравнен е контролерът на паметта + PHY.

Тук Apple съществено е повишила площта на участъка за поддръжка на LPDDR5 6400 оперативната памет. На изображението по-горе се вижда един блок, като разбира се, контролерът на паметта поддържа много канали. Общата площ, заделена за 128-битовата шина LP5 възлиза на около 14 мм², докато при SoC М1 с 128-битова LP4X тя е 8,1 мм², а при A15 с 64-битовата LP4X имаме 4,3 мм². От гледна точка на разходите можем да кажем, че LPDDR5 6400 оперативната памет е съществено по-скъпа от LPDDR4X 4266.

Това е важен аспект за Apple, която възнамерява да раздели сериите А15 и А16 в айфоните, които трябва да излязат тази година. Според наличната към днешен ден информация топ-моделите iPhone ще използват чипа М2, а М1 ще се поставя в смартфоните от по-ниския ценови диапазон.

Последният IP блок, който ние не сме анализирали е силно увеличената площ на медийния енджин, който несъмнено показва сериозно увеличените и разширени възможности за работа с медийно съдържание. Серията Apple М без съмнение включва най-добрите SoC за творчески личности. Ако работите например, с програмните пакети на Adobe, то фамилията М явно е за вас.

Този материал, който изглежда малко като нахвърляни записки с първите впечатления от новата SoC на Apple М2, излезе преди да бъдат направени първите тестове на тази система върху чипа. Днес в Geekbench се появиха резултатите от независимите тестове на производителността на М2 както за процесорните ядра, така и за интегрираната графика.

1 от 2

Тестовете показаха, че новият чип М2 на Apple е с 19% по-бърз при процесорните ядра и с цели 50% по-производителен в графиката и обработването на видео в сравнение с предишната системата върху чипа М1, което приблизително съвпада с направения анализ от страна на Dylan Patel.

Според самите тестващи този ръст на производителността се дължи най-вече на използването на по-бързата LPDDR5 6400 памет и на технологичния процес – SoC М1 се произвежда чрез 5 нанометров технологичен процес от 1-во поколение, а М2 – чрез 5 nm процес от 2-ро поколение.