苹果发布1140亿晶体管M1 Ultra：12年自研34颗处理器_风闻

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）原创，作者：龚佳佳，谢谢。

有人曾说，三个苹果改变了世界，第一个苹果诱惑了夏娃，第二个苹果砸醒了牛顿，而史蒂夫·乔布斯则握住了第三个苹果，改变了人们的通讯、娱乐和生活方式。无论是具有跨时代意义的第一台一体机Apple II，还是开启智能手机新时代的第一代iPhone，苹果似乎总敢于做“第一个吃螃蟹的人”，在“造芯”方面也不例外。

当大多手机厂商还没有“觉醒”自研芯片这个意识的时候，苹果早在2007年就已经开始着手研发自家芯片，通过收购P.A半导体和Intrinsity，掌握芯片设计技术。乔布斯曾认为，一个真正要把软件做到最好的公司肯定要自己做硬件，做好“软硬一体”。而芯片显然是最核心的硬件组成部分，从2010年首款苹果自研芯片A4落地至今，到今天发布的M1 Ultra，苹果在“造芯”路上已经狂奔了十余年，仔细数数，推出的处理器竟也有三十余款。本篇文章，笔者就来盘点这些年苹果造过的那些芯片（处理器）。

因为今天苹果发布了M1 Ultra，我们首先从这个产品和该系列开始。

腾空出世的M系列

从时间上看，M系列应该是苹果最晚推出的芯片系列，这也不难理解，毕竟相比手机、手表、无线芯片，电脑芯片的设计要求显然是最为严格的。目前来看，苹果该系列以前推出的M1、 M1 Pro 和 M1 Max三款产品，加上M1 Ultra，苹果M系列已经有了四款芯片。

按照苹果所说， 最新的M1 Ultra是 Apple 芯片和Mac 的下一个巨大飞跃。在新芯片中，他们采用了UltraFusion封装——Apple 的创新封装架构，将两个 M1 Max 芯片的裸片互连，以创建出了具有前所未有性能和功能水平的片上系统 (SoC)。

据介绍，同样由5nm工艺制造的新SoC 有1140 亿个晶体管，是个人计算机芯片中有史以来最多的。M1 Ultra 可配置高达 128GB 的高带宽、低延迟统一内存，可通过 20 核 CPU、64 核 GPU 和 32 核神经引擎访问，为开发人员编译代码提供惊人的性能，在以前无法渲染的巨大 3D 环境中工作的艺术家，以及可以将视频转码为 ProRes 的视频专业人士的速度比使用带有 Afterburner 的 28 核Mac Pro 快 5.6 倍。

具体来看，在 CPU 方面，Apple 新芯片现在总共提供 20 个 CPU 内核。这包括 16 个注重性能的 Firestorm 核心和 4 个注重效率的 Icestorm 核心。鉴于 M1 Ultra 仅针对台式机这与 M1 Max 不同，其带来的性能提升也是明显的。

Anandtech表示，在实践中，如果 M1 Ultra CPU 内核的时钟频率远高于 M1 Max，我会感到惊讶。而他们对于苹果这颗的CPU性能是喜忧参半。他们表示，对于多线程工作负载，16 个 Firestorm 内核将提供足够的吞吐量以在某些性能图表中名列前茅。但对于单线程/轻线程工作负载，Firestorm 已经被英特尔的 Golden Cove CPU 架构等较新的架构超越。因此Anandtech 强调，我们不要指望苹果在这里恢复单线程性能的领先地位，我们应该更关注机器翻译，尤其是能源效率。

将芯片上的 M1 Max 芯片数量翻倍意味着 Apple 能够将芯片上的内存通道数量翻倍，从而使它们的整体内存带宽翻倍。据苹果介绍，M1 Max 有 16 个LPDDR5-6400 通道，总内存带宽为 408GB/秒，而M1 Ultra 将其翻倍，达到 32 个 LPDDR5 通道和 800GB/秒的内存带宽。与 M1 Max 一样，这是通过将 LPDDR5 芯片直接焊接到芯片封装上来实现的，在 M1 Ultra 上总共有 8 个芯片。

加倍的内存芯片还允许 Apple 将其硬件中可用的内存总量增加一倍。M1 Max 最高为 64GB，而 M1 Ultra 最高为128GB。但这仍然比真正的高端工作站（如 Mac Pro）上的内存要少。

Anandtech 也指出，正如在推出 M1 Max 时看到的那样，Apple已经为其 SoC 提供了比 CPU 内核单独消耗的带宽更多的带宽，因此双倍带宽不太可能产生太大影响，而不是确保 CPU 内核是和他们在 M1 Max 上一样好。相反，所有这些额外的内存带宽都是为了跟上不断增长的 GPU 内核数量。

而GPU也是anandtech 认为苹果新芯片最有趣的地方。因为凭借 32 个 GPU 内核，M1 Max 已经创造了单片集成 GPU 的记录。现在，Apple 又将单芯片上的 GPU 核心数量翻了一番，达到了 64 个 GPU 内核。

Anandtech作者表示，与几十年来在工作站中很常见的多裸片/多芯片 CPU 配置不同，多裸片GPU 配置是一种截然不同的野兽。GPU 消耗的内部带宽量（对于高端部件而言远远超过 1TB/秒），这一直使得将它们连接起来在技术上令人望而却步。因此，在传统的多 GPU 系统（例如 Mac Pro）中，每个 GPU 都作为系统的单独设备呈现，软件供应商需要寻找创新的方式将它们一起使用。在实践中，这意味着让多个 GPU 处理不同的任务，因为带宽不足意味着它们不能有效地协同处理单个图形任务。

但是，如果你能以某种方式将多个 GPU 连接到一个巨大的die to die带宽——则足以复制它们的内部带宽——那么你也许可以在一个任务中一起使用它们。这使得以透明方式组合多个 GPU 成为多 GPU 设计的圣杯。十多年来，多家公司一直在努力解决这个问题，而苹果似乎正在开辟新天地，成为第一家实现这一目标的公司。

正如苹果所说，M1 Ultra 的基础是极其强大和节能的 M1 Max。为了构建 M1 Ultra，两个 M1 Max 的芯片使用 Apple 定制的封装架构 UltraFusion 连接。扩展性能最常见的方法是通过主板连接两个芯片，这通常会带来重大的权衡，包括增加延迟、减少带宽和增加功耗。然而，Apple 的创新 UltraFusion 使用硅中介层连接超过 10,000 个信号的芯片，提供 2.5TB/s 的低延迟、处理器间带宽——是领先的多芯片互连技术带宽的 4 倍以上。这使 M1 Ultra 能够作为一个芯片运行并被软件识别，因此开发人员无需重写代码即可利用其性能。

关于这个封装，按照anandtech的说法，这是一个2.5D的封装。具体做法是苹果在M1 Max 边缘设计了一个具有非常高速的接口，然后在硅中介层的帮助下，允许连接两个 M1 Max 裸片，关于这个技术，苹果并没有披露任何细节，只是强调了上述披露的惊人速度。

Anandtech也指出，虽然从实施到实施的细节非常不同，但该技术的基础是相同的。在所有情况下，某种硅中介层被放置在两个芯片下方，然后两个芯片之间的信号通过中介层路由。硅的超精细制造能力意味着可以在两个芯片之间布线大量的迹线——在苹果的例子中，超过 10,000 条——这允许两个芯片之间的超宽、超高带宽连接。

如上所述，借助 UltraFusion，Apple 能够在两个 M1 Max 芯片之间提供令人难以置信的 2.5TB/秒带宽。即使我们假设这是一个汇总数字——同时将两个方向相加——这仍然意味着它们在每个方向上都有 1.25TB/秒的带宽。这意味着所有这些都接近某些芯片使用的内部带宽，并且超过了苹果公司800GB/秒的总 DRAM 带宽。

由此可见，Apple 已成为第一家将两个 GPU 绑定在一起并拥有如此大量带宽的供应商。这使他们能够尝试将两个 GPU 作为单个设备呈现给操作系统和应用程序，因为它允许他们根据需要在 GPU 之间快速移动数据。

正因为有了这个封装技术的加持，苹果表示，公司 M1 Ultra 的 GPU 性能超过了 NVIDIA 的 GeForce RTX 3090，后者是目前市场上最快的显卡。在做到这一点的同时，芯片仅仅消耗超过 100 瓦，这比RTX 3090足足少了200 瓦。

M1 Ultra 还有一个32 核的神经引擎，每秒可以运行高达 22 万亿次运算，可加速完成最具挑战性的机器学习任务。此外，M1 Ultra 的媒体引擎功能是 M1 Max 的两倍，提供前所未有的 ProRes 视频编码和解码吞吐量。

M1 Ultra 还集成了定制的 Apple 技术，例如能够驱动多个外部显示器的显示引擎、集成的 Thunderbolt4 控制器以及一流的安全性，包括 Apple 最新的Secure Enclave、硬件验证的安全启动和运行时防开发技术。

毫无疑问，这是一个颠覆了大家固有思路的实现方式。然后，我们再看该系列的其他产品。

M1

M1 处理器于2020年 11 月推出，是苹果首款针对Mac电脑的自研芯片，除了搭载在2021 年更新的iMac和iPadPro之外，它还在Apple 改进的 MacBook Air、13 英寸 MacBook Pro和入门级 Mac Mini中使用。

M1基于台积电的5nm工艺打造，拥有高达160亿个晶体管，在CPU部分，M1芯片集成了8个核心，包括4个高性能大核心和4个高效能小核心，混合运行以协助处理多线程任务。据Anandtech分析，苹果M1芯片的大核心使用Firestorm微架构，CPU内核的二级缓存升级到了16M。苹果表示，相比2012年时的Mac产品所搭载的处理器，M1芯片的CPU能效比已经提升了3倍。

在GPU方面，M1配备了8核心的GPU，图形性能相比前代产品性能提升5倍以上。在NPU方面，M1集成了16核的神经网络处理器（NPU），算力为11TOPS。此外，M1芯片还支持了高达16GB的具有高带宽、低延迟特性的统一内存体系架构。

M1PRO

M1Pro作为M1的升级版本，搭载设备为2021 款 MacBook Pro，依然采用5nm工艺，有337亿个晶体管，10核心CPU（ 8个高性能核心，2个高能效核心），速度最高提升70%，是M1的两倍。其中，大核心采用超宽流水线架构，每个核心是192KB一级指令缓存、128KB一级数据缓存，共享二级缓存随着核心数翻番至24MB。小核心为宽流水线架构，每个核心继续128KB一级指令缓存、64KB一级数据缓存，二级缓存4MB，平均每个核心翻了一番。

GPU部分，M1 Pro拥有16个核心，2048个执行单元，支持最多49512个并发线程，浮点性能5.2TFlops，纹理填充率1640亿每秒，像素填充率820亿每秒。

NPU方面，M1 Pro还是16核心，支持硬件加速H.264、HEVCProRes/ProRes RAW视频编解码，支持多个4K、8KProRes视频流。

此外，M1 Pro还采用统一内存架构，总容量达32GB LPDDR5，256-bit位宽，200GB/s高带宽和低延迟，并采用了苹果设计的定制封装。

M1MAX

M1Max是M1系列最高端的版本，搭载设备为2021 款 MacBook Pro，工艺方面依然采用5nm工艺，虽然和M1 Pro具有相同的10 核 CPU 配置（8个高性能核心，2个高能效核心），相比Pro，Max的图形处理性能、内存带宽都统统翻倍。

据介绍，M1 Max内存带宽高达 400GB/s、RAM高达 64GB 内存，GPU方面具有 32 个内核以及4096 个执行单元，并发线程最多可以达到98304个，浮点算里力10.4TFlops，纹理上的填充率为每秒3270个，和原始 M1 的 GPU 性能提高了四倍。此外，M1 Max在432mm²的面积内拥有 570 亿个晶体管，是Apple 迄今为止制造的最大芯片。

初战告捷的A系列

A系列是苹果在造芯路上的小试牛刀，从2010年的A4到2021年的A15,A系列已经推出了超19款芯片。同时，随着苹果设计工艺的日渐成熟，A系列芯片性能也是如同火箭般成倍增长。

A4

A4处理器作为苹果自研芯片的“处女作”，据iPad官方演示的图片，这款A4处理器的制造日期是2009年9月，于2010年1月正式发布，3月投产，第一代iPad则是其首发的产品，此后开始出现在iPhone4，iPod Touch和Apple TV等产品上。不过大家对这款芯片的自研程度似乎都不太认可，原因在于其与三星S5PC110有着相似的核心布局。

具体来看，A4处理器采用了一颗定制的三星45nm制程800MHz ARM Cortex-A8的单核心处理器，在同样的频率下，CPU核心比ARM标准的Cortex-A8核心可以多处理大约10%的指令，二级缓存增加至640KB。GPU则是PowerVR SGX 535，并通过采用GPU核心与RAM直连的方式极大得提升了GPU的性能。

A5

A5处理器作为iOS平台首款双核处理器，于2011年3月苹果新品发布会上首次亮相，最先搭载在iPad 2上，计算性能相比A4提升2倍，图形显示性能提升9倍。

A5处理器制程仍为三星45nm工艺，核心面积高达122mm2，采用了支持多核心的Cortex-A9架构处理器，并且采用9层铜互连层+1多晶硅层的结构和堆叠封装，支持低功耗DDR2内存(LPDDR2)技术。GPU核心架构为Imagination Technologies的PowerVR SGX543MP2。

A5X

A5X于2012年3月发布，是一款两U融合的全新处理器，运行设备为iPad3，由于集成了四颗图形处理器，因此图形处理能力为A5的两倍。

A5X制程依旧是三星45nm工艺，核心面积达到了162.94mm2，搭载了双核Cortex-A9，GPU是SGX543MP4 250MHz，同时内存位宽128bit，使用了四通道LPDDR2 32bit 800MHz，带宽达到12.8GB/s，并且拥有2倍RAM来支撑它强大的2048*1056分辨率屏幕。

A6处理器

A6于2012年9月随着iPhone5的上市推出，用上了苹果第一代自研CPU核心,性能是上代的两倍。

A6基于ARMv7指令集，采用三星32nmHKMG工艺，双核1.3ghz的频率，拥有更高的性能和更低的功耗。在GPU方面，A6集成了一颗三核芯的PowerVRSGX 543MP3图形处理单元，内存位宽为64-bit，拥有四个USSE2管道，每个管道都有四路矢量ALU单元和32Flops的浮点性能。

A6X

A6X于2012年10月发布，运行设备为iPad4（2012），整合了两个CPU核心和四个GPU核心，CPU和图形性能比A5X处理器高出两倍。

A6X使用三星32nm HKMG工艺制造，内核面积高达123mm2，比A6高出30%。CPU部分基本没变，与A6布局几乎一模一样，两个苹果自己设计的Swift核心，只是主频从1.3GHz提高到1.4GHz。其中 A6X 的GPU核心从3个增加到4个，每个GPU核心都被分成9个子核心，其中4个为一组，两组相同的子核心，外加一个中央核心。这种处理方式将能提高最大时钟频率，从而给 iPad 4 带来更好的图形处理能力。

A7处理器

A7是全球首款64位移动SoC，于2013年发布，首先应用在iPhone5s上，此外还应用于iPad Mini 2（2013）、iPadMini 3（2014）上。据苹果公司介绍，A7性能是A6的2倍，初代的40倍，而图形能力是初代的56倍。

A7处理器是一款基于28nm工艺制程的双核处理器（ARM v8架构，主频为1.3GHz），内置的GPU为四核心（Power VR G6430），内核面积为102mm2，晶体管数约10亿，提供了用于保护Touch ID生物数据的安全Enclave。此外，A7中的安全区域中还拥有至少3MB的SRAM（静态随机存储器，不需要刷新电路就能保存存储数据）。

A8处理器

A8处理器于2014年9月推出，运行设备包括iPhone 6、iPhone6 Plus、iPad Touch ( 6代 )、iPad Mini 4、Apple TV ( 4代 )、HomePod。根据官方宣布，A8处理器最大能够获得25%的CPU性能提升，50%的图形性能提升。

A8处理器采用了20nm的工艺，包含20亿个晶体管，尽管A8的晶体管数量是A7的两倍，但物理尺寸却减少了13％，降至89 mm 2。CPU采用第二代Cyclone核心，主频1.4GHz，GPU为4颗PowerVR G6450核心，基于六个USC(统一着色器集群)和PowerVR自家Rogue构架。

A8X

A8X 于2014年10月发布，是苹果首款三核的移动处理器，苹果宣称A8X性能比苹果A7高出40％。

A8X处理器芯片面积大约为125mm2，总晶体管的数量大约为30亿个，与A8相比，晶体管数量增加了约50％，但面积只增大了40％。此外，A8X采用20nm制程工艺，使用的ARMv8.0-A为三核CPU，更内置了八颗GPU核心，图形处理器为PowerVR GXA6850，经过估算，GXA6850 GPU部分的面积约是38mm2，约占整个处理器的30％。

A9处理器

A9处理器于2015年9月发布，是苹果公司的第三代64位双核移动处理器，用于iPhone 6s、iPhone 6s plus、iPhone SE与iPad 5th。苹果宣称A9整体性能相比前代产品提升70%之多，图形性能提升高达90%。

需要注意的是，A9处理器分为由三星或台积电代工的两个版本，其中，用于iPhone6s上的A9处理器型号为APL0898，封装的是三星2GB LPDDR4 RAM，采用了三星14nm FinFET工艺制造；而用于iPhone6s Plus的A9处理器型号为 APL1022，封装的是海力士2GB LPDDR4 RAM，采用台积电16nm FinFET工艺制造。

虽然两款芯片核心面积差了约9%，但是内部结构却相差无几，都有相同的CPU、GPU、内存控制器、协处理器等，只不过在具体的布局、细节方面会略有一些差异。

以三星版本为例，这款A9芯片包含了双核心CPU、六核心GPU和两个SRAM，以及协处理器M9。其中，CPU部分基于ARMv8-A架构，主频提升到了1.8GHz。此外，A9的一级缓存非常大，每个核心拥有64KB的一级数据缓存和64KB的一级指令缓存，二级缓存为3MB，三级缓存更是高达8MB。

在GPU方面，A9使用了PowerVR最新的第七代PowerVR GT7600 GPU。GT7600拥有6个USC，每个USC有32个ALU，因此总计有192个ALU核心。

A9X

A9X处理器于2015年9月推出，是iPad Pro所用的处理器，相比之前的A8X处理器，A9X拥有两倍于前者的带宽和存储性能。芯片的速度比A8X要快1.8倍，GPU表现比第一代iPad提升了360倍。

A9X核心面积为147mm2，采用台积电16nm FinFET工艺，双核，内核架构为ARMv8.0-A，GPU为PowerVR Series 7XT系列，内核中共有6个GPU单元，每个单元内有两个GPU核心，即共有12个GPU核心，共计384个流处理器。

A10 Fusion

A10Fusion是苹果首款四核处理器，于2016年9月正式发布，在处理器性能方面相对于A9提升了40%，是第一代iPhone的120倍，而在图形处理方面，较A9处理器提升50%。搭载产品有iPhone 7，iPhone7 Plus，iPad（第六代），iPad（第七代）以及iPod touch（第七代）。

A10Fusion拥有33亿个晶体管，基于ARM架构下，使用big.LITTLE配置的四核心SoC，包括两枚高性能核心及两枚高效节能核心。其中，高性能CPU核心代号为“飓风”（Hurricane），而低功耗CPU核心代号为“微风”（Zephyr），均为苹果公司自行设计的ARMv8兼容微架构。GPU则为PowerVR GT7600，内核面积为125mm2，采用台积电16nm工艺。

A10X Fusion

A10XFusion于2017年6月发布，运行设备包括iPad Pro 2 ( 10.5寸 2017 )、iPad Pro 2 ( 12.9寸 2017 )、Apple TV 4K。根据官网介绍，A10X较A9X在CPU和GPU性能上各提升30%及40%。

A10X采用台积电10nm工艺，核心面积96.4mm2，比A9X面积大约小了三分之一。A10X采用全新的“3+3+12”架构，其中3个为高性能处理核心、3个为高能效处理核心，剩下12个为GPU处理器。CPU部分为6核心设计，3大3小，频率为2.36GHz，内存为128bit LPDDR4。

A11 Bionic

A11Bionic于2017年9月推出，搭载于iPhone 8、iPhone8 Plus以及iPhone X，是全球首款具有神经网络引擎（NPU）的处理器。苹果表示 A11比 A10 节能 70%，性能还有 25% 提升。

A11处理器集成 43 亿个晶体管，内核面积为87.66mm2，采用了台积电 10 nm 工艺制程。在CPU方面，A11搭载了64位ARMv8-A架构的6核CPU，其中包括2个名为“Monsoon”的性能核和4个名为“Mistral”的能效核，性能核比上一代A10里的快了25%，能效核则快了70%。在GPU方面，A11搭载苹果首款独立设计的三核GPU，苹果表示它要比iPhone 7上使用的Imagination GPU速度快了30%。

A11的亮点在于搭载了一个专用于机器学习的硬件——“神经网络引擎（neural engine）”。A11的神经网络引擎采用双核设计，每秒运算次数最高可达6000亿次，相当于0.6TFlops，专门针对Face ID，Animoji和AR应用程序的ASIC。

A12 Bionic

A12Bionic于2018年推出，是业界首款7nm工艺制程芯片，搭载在iPhone XS、iPhone XS Max、iPhone XR、iPad mini（第五代）、iPad（第八代）、iPad Air（第三代）以及Apple TV 4K（第二代）上。