Chip Apple Silicon M1: perchè è così veloce?

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Chip M1: di cosa si tratta?

M1 è il primo chip di Apple pensato per la nuova generazione di Mac, a partire dal MacBook Air, il MacBook Pro e il Mac mini usciti a Novembre 2020. Il nuovo chip ha fatto parlare di sè fin da subito per la sua velocità, oltre che per i bassi consumi. Sia i test al benchmark infatti che nell’utilizzo quotidiano, soprattutto con programmi di video editing, hanno evidenziato la superiorità delle performance dei nuovi MacBook anche rispetto alla line-up iMac di punta dello scorso anno.

La domanda a cui vogliamo rispondere oggi è: cosa rende il chip M1 così veloce? Possibile che un Mac Mini 2020 da 819 euro di listino possa essere più veloce e performante di un iMac da 3.000 basato su processore Intel? E soprattutto, quali sono i motivi alla base di questa superiorità tecnica?

Chip M1: componenti

Anzitutto vogliamo sottolineare: il chip M1 non è un processore ma un Soc (System-on-a-chip) che integra più componenti. La strada percorsa da Apple infatti non è quella di incrementare il numero di core della CPU general-purpose, come le controparti Intel e AMD, ma di integrare in uno stesso package più chip con funzionalità specifiche, ovvero:

  • una CPU a 8-core (detta Firestorm): è la CPU generica a cui è demandata l’esecuzione di gran parte del codice del sistema operativo e delle app;
  • una GPU a 8-core (7-core nel nuovo MacBook Air, in cui un core è disattivato), per la gestione delle istruzioni relative alla grafica;
  • il processore di immagini (ISP, Image Signal Processor), utilizzato per accelerare l’elaborazione delle immagini in alcune applicazioni;
  • un DSP (Digital Signal Processor) dedicato alle funzioni che richiedono l’elaborazione di istruzioni matematiche ricorrenti, come ad esempio nella decompressione di file musicali;
  • l’NPU (Neural Processing Unit) che accelera le applicazioni basate su algoritmi di machine learning (AI),come ad esempio il riconoscimento vocale e l’elaborazione delle foto in tempo reale;
  • un Video encoder/decoder per conversione di formati e file video;
  • l’ultima version di Secure Enclave per tutte le protezioni di sicurezza, come l’avvio protetto con verifica hardware e la crittografia automatica;
  • Memoria unificata (UMA), che consente a CPU e GPU e alle altre risorse del SoC di accedere agli stessi dati, senza bisogno di copiarli da un pool di memoria all’altro;

Questa integrazione consente una gestione più specifica ed ottimale delle varie istruzioni.

Chip M1: perchè è così veloce?

Alla base delle performance strabilianti del chip M1 ci sono 3 fattori:

  • L’architettura a memoria unificata. Nel chip M1 non esiste come nell’architettura tradizionale un’area di memoria dedicata alla CPU e una alla GPU, ma la memoria è allocata ad entrambi i componenti. Sia la CPU che la GPU accedono alla stessa memoria, senza la necessità di copiare dati da una memoria all’altra come avviene invece nelle odiatissime schede video integrate, spesso sinonimo di basse performance grafiche.
  • La modalità di accesso ai dati. La CPU gestisce con maggiore frequenza una bassa mole di dati, la GPU gestisce invece una grande mole di dati con minore frequenza. La memoria unificata è invece studiata per avere una bassa latenza ed elevato throughput (numero di istruzioni eseguite nell’unità di tempo) eliminando la necessità di avere memorie di tipo diverso
  • I bassi consumi della GPU. Il problema delle moderne GPU è la dissipazione di calore, fattore che non consente alla GPU di essere integrata insieme alla CPU senza rinunciare alle performance. Nel chip M1 l’integrazione nello stesso SoC è stata possibile grazie alla riduzione della dissipazione di calore, diretta conseguenza di un’architettura ARM.
  • Vicinanza dei componenti. L’integrazione nello stesso chip ha un altro vantaggio: la prossimità fisica tra i componenti che si traduce in una minore distanza che i dati devono percorrere;
  • La memoria virtuale, ovvero la possibilità per la CPU di utilizzare la memoria fisica in caso di sovraccarico della RAM. Questo è possibile grazie alla velocità che al giorno d’oggi raggiungono le memorie NVMe.
  • Più istruzioni in parallelo. Un altro motivo alla base delle performance del chip M1 è nella capacità di eseguire un maggior numero di istruzioni in parallelo attraverso il cosiddetto “Out-of-Order execution’” e altre piccoli accorgimenti che rendono la CPU general-purpose davvero veloce; questo grazie anche all’architettura RISC della CPU Firestorm, che consente di processare un numero doppio di istruzioni rispetto alle CPU Intel e AMD, a parità di frequenza di clock;

Performance: il bello deve ancora venire

Lo svantaggio attuale dei chip M1 è che le app x86 non sono supportate per l’architettura e il set di istruzioni del chip, diversi da quelli Intel e AMD. Microsoft ha annunciato che è in corso lo sviluppo di una versione di Office nativa per le macchine con M1, così come Adobe sta sviluppando la nuova Creative Suite che sfrutti nitidamente tutti i vantaggi del chip M1.

Per questo motivo le app x86 vengono attualmente emulate sui nuovi Mac. La cosa sorprendente qui è che anche emulandole il chip M1 è in grado di offrire performance superiori alle controparti Intel e AMD. Gli ottimi risultati al benchmark, sia in single-core su Geekbench che in 3D su GFXBench si traducono in ottime performance anche nell’elaborazione e nell’esportazione di video a 4K. E’ lecito quindi aspettarsi performance ancora superiori con le app sviluppate o riadattate per sfruttare al meglio il nuovo chip.

C’ò anche da aggiungere che il chip M1 è solo il primo passo verso la nuova generazione di Macbook che potranno offrire, nel corso delle varie iterazioni, nuovi Soc con un numero di core sempre maggiore sia per la CPU che per la GPU, affiancate da una memoria unificata (UMA) sempre più capiente e performante e al tempo stesso efficiente dal punto di vista dei consumi.

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