Jak „ujednolicona pamięć” przyspiesza komputery Mac M1 ARM firmy Apple

Apple zastanawia się, jak powinny istnieć i działać komponenty wewnątrz laptopa. Dzięki chipom M1 w nowych komputerach Mac firma Apple ma nową „Ujednoliconą architekturę pamięci” (UMA), która znacznie przyspiesza działanie pamięci. Oto, jak działa pamięć w Apple Silicon.

Jak Apple Silicon obsługuje pamięć RAM

Jeśli jeszcze nie słyszałeś o nowościach, Apple ogłosił nową listę komputerów Mac w listopadzie 2020 r. Nowe modele MacBook Air, MacBook Pro i Mac Mini korzystają z procesora opartego na ARM zaprojektowanego na zamówienie przez Apple, zwanego M1. Ta zmiana była długo oczekiwana i jest kulminacją dekady spędzonej przez Apple na projektowaniu procesorów opartych na ARM dla iPhone’a i iPada.

M1 to system na chipie (SoC), co oznacza, że ​​wewnątrz procesora znajduje się nie tylko procesor, ale także inne kluczowe komponenty, w tym GPU, kontrolery I / O, Neural Engine firmy Apple do zadań AI i, co najważniejsze dla naszych celów fizyczna pamięć RAM jest częścią tego samego pakietu. Żeby było jasne, pamięć RAM nie jest na tym samym krzemie, co podstawowe części SoC. Zamiast tego znajduje się z boku, jak pokazano powyżej.

Dodanie pamięci RAM do SoC nie jest niczym nowym. SoC smartfonów może zawierać pamięć RAM, a decyzja Apple o odłożeniu modułów pamięci RAM na bok to coś, co widzieliśmy w firmie od co najmniej 2018 r. Jeśli spojrzysz na to porzucenie iFixit dla iPada Pro 11, możesz zobaczyć pamięć RAM siedzącą z boku z procesorem A12X.

Teraz różni się to, że to podejście pojawia się również na Macu, pełnoprawnym komputerze zaprojektowanym do większych obciążeń.

Podstawy: co to jest pamięć RAM i pamięć?

Dwie pałeczki pamięci DDR4 z czarnym rozpraszaczem ciepła.

RAM to skrót od Random Access Memory. Jest to podstawowy składnik pamięci systemowej, który jest tymczasowym miejscem przechowywania danych, z których obecnie korzysta komputer. Może to być wszystko, od plików niezbędnych do uruchomienia systemu operacyjnego, przez arkusz kalkulacyjny, który obecnie edytujesz, po zawartość otwartych kart przeglądarki.

Kiedy zdecydujesz się otworzyć plik tekstowy, twój procesor otrzyma te instrukcje, a także program, którego chcesz użyć. Następnie procesor pobiera wszystkie dane potrzebne do tych operacji i ładuje niezbędne informacje do pamięci. Następnie procesor zarządza zmianami wprowadzonymi w pliku, uzyskując dostęp do zawartości pamięci i manipulując nią.

Zwykle pamięć RAM istnieje w postaci tych długich, cienkich pendrive’ów, które mieszczą się w specjalnych gniazdach na płycie głównej laptopa lub komputera stacjonarnego, jak pokazano powyżej. Pamięć RAM może być również prostym kwadratem lub prostokątny moduł, który jest przylutowany do płyty głównej. Tak czy inaczej, pamięć RAM dla komputerów PC i Mac była tradycyjnie oddzielnym komponentem z własnym miejscem na płycie głównej.

M1 RAM: Dyskretny współlokator

Grafika przedstawiająca różne części procesora M1.

Zatem fizyczne moduły RAM są nadal oddzielnymi jednostkami, ale znajdują się na tym samym zielonym podłożu co procesor. Słyszę, jak mówisz. „O co tyle szumu?” Przede wszystkim oznacza to szybszy dostęp do pamięci, co nieuchronnie poprawia wydajność. Ponadto Apple dostosowuje sposób wykorzystania pamięci w systemie.

Apple nazywa to podejście „Unified Memory Architecture” (UMA). Podstawową ideą jest to, że pamięć RAM M1 to pojedyncza pula pamięci, do której mają dostęp wszystkie części procesora. Po pierwsze, oznacza to, że jeśli GPU potrzebuje więcej pamięci systemowej, może zwiększyć użycie, podczas gdy inne części SoC zwalniają. Co więcej, nie ma potrzeby wydzielania fragmentów pamięci dla każdej części SoC, a następnie przesyłania danych między dwoma przestrzeniami dla różnych części procesora. Zamiast tego GPU, CPU i inne części procesora mogą uzyskać dostęp do tych samych danych pod tym samym adresem pamięci.

Aby zobaczyć, dlaczego jest to ważne, wyobraź sobie, jak działa gra wideo. Procesor najpierw otrzymuje wszystkie instrukcje dotyczące gry, a następnie przesyła dane potrzebne GPU do karty graficznej. Karta graficzna pobiera następnie wszystkie te dane i pracuje na nich we własnym procesorze (GPU) i wbudowanej pamięci RAM.

Nawet jeśli masz procesor ze zintegrowaną grafiką, GPU zazwyczaj utrzymuje własną porcję pamięci, podobnie jak procesor. Obaj niezależnie pracują na tych samych danych, a następnie przesyłają wyniki tam iz powrotem między swoimi lennami pamięci. Jeśli zrezygnujesz z przenoszenia danych tam iz powrotem, łatwo zobaczysz, jak trzymanie wszystkiego w tej samej wirtualnej szafce na dokumenty może poprawić wydajność.

Na przykład, oto jak Apple opisuje swoją zunifikowaną architekturę pamięci na oficjalna strona M1:

„M1 zawiera również naszą zunifikowaną architekturę pamięci, czyli UMA. M1 jednoczy swoją pamięć o wysokiej przepustowości i małych opóźnieniach w jedną pulę w ramach niestandardowego pakietu. W rezultacie wszystkie technologie w SoC mogą uzyskać dostęp do tych samych danych bez kopiowania ich między wieloma pulami pamięci. To radykalnie poprawia wydajność i energooszczędność. Aplikacje wideo są szybsze. Gry są bogatsze i bardziej szczegółowe. Przetwarzanie obrazu jest błyskawiczne. Cały system reaguje szybciej ”.

I nie chodzi tylko o to, że każdy komponent ma dostęp do tej samej pamięci w tym samym miejscu. Jak wskazuje Chris Mellor Rejestr, Apple używa tutaj pamięci o dużej przepustowości. Pamięć jest bliżej procesora (i innych komponentów), a dostęp do niej jest po prostu szybszy niż dostęp do tradycyjnego układu RAM podłączonego do płyty głównej za pośrednictwem interfejsu gniazda.

Apple nie jest pierwszą firmą, która wypróbowała zunifikowaną pamięć

Diagram pokazujący, w jaki sposób rdzenie procesora i karty graficznej mogą korzystać z funkcji zunifikowanej pamięci Nvidii.Diagram NVIDIA z początków funkcji Unified Memory firmy.

Apple nie jest pierwszą firmą, która podeszła do tego problemu. Na przykład NVIDIA zaczęła oferować programistom rozwiązanie sprzętowe i programowe o nazwie Zunifikowana pamięć około sześć lat temu.

W przypadku firmy NVIDIA ujednolicona pamięć zapewnia pojedyncze miejsce w pamięci, które jest „dostępne z dowolnego procesora w systemie”. W świecie firmy NVIDIA, jeśli chodzi o procesor i kartę graficzną, udają się do tej samej lokalizacji dla tych samych danych. Jednak w tle system przesyła wymagane dane między oddzielną pamięcią procesora i karty graficznej.

O ile nam wiadomo, Apple nie stosuje technik zakulisowych. Zamiast tego każda część SoC może uzyskać dostęp do dokładnie tej samej lokalizacji dla danych w pamięci.

Najważniejsze w przypadku UMA firmy Apple jest lepsza wydajność dzięki szybszemu dostępowi do pamięci RAM i puli pamięci współdzielonej, która eliminuje kary za wydajność przy przenoszeniu danych pod różne adresy.

Ile pamięci RAM potrzebujesz?

MacBook Pro z M1 oparty na M1

Rozwiązanie Apple to nie tylko słońce i szczęście. Ponieważ M1 ma tak głęboko zintegrowane moduły RAM, nie można go uaktualnić po zakupie. Jeśli wybierzesz MacBooka Air o pojemności 8 GB, nie będziesz mieć możliwości zwiększenia pamięci RAM tego urządzenia w późniejszym terminie. Aby być uczciwym, aktualizacja pamięci RAM nie była czymś, co można zrobić na MacBooku od jakiegoś czasu. To było coś, co mógł zrobić poprzedni Mac Minis, ale nie nowe wersje M1.

Pierwsze komputery M1 Mac mają pojemność 16 GB – możesz dostać M1 Mac z 8 GB lub 16 GB pamięci, ale nie możesz dostać nic więcej. Nie jest to już tylko kwestia włożenia modułu pamięci RAM do gniazda.

Więc ile pamięci RAM potrzebujesz? Kiedy mówimy o komputerach z systemem Windows, ogólna rada jest taka, że ​​8 GB jest więcej niż wystarczające na podstawowe zadania obliczeniowe. Gracze powinni zwiększyć pojemność do 16 GB, a aktywność „prosumentów” prawdopodobnie będzie musiała się podwoić w przypadku zadań takich jak edycja dużych plików wideo o wysokiej rozdzielczości.

Podobnie w przypadku komputerów M1 Mac model podstawowy z 8 GB powinien wystarczyć dla większości ludzi. W rzeczywistości może obejmować nawet najbardziej hardkorowe codzienne zastosowania. Trudno jednak powiedzieć, ponieważ większość testów porównawczych, które widzieliśmy, zmusza M1 do zadań w syntetycznych testach porównawczych, które wpływają na procesor lub GPU.

Najważniejsze jest to, jak dobrze M1 Mac radzi sobie z utrzymywaniem wielu programów i mnóstwa kart przeglądarki otwartych jednocześnie. Pamiętaj, że to nie tylko testowanie sprzętu, ponieważ optymalizacje oprogramowania mogą znacznie poprawić ten rodzaj wydajności, dlatego tak skupiono się na testach porównawczych, które mogą naprawdę popchnąć sprzęt. Jednak ostatecznie domyślilibyśmy się, że większość ludzi chce po prostu zobaczyć, jak nowe komputery Mac radzą sobie z użytkowaniem w „prawdziwym świecie”.

Stephen Hall pod adresem 9to5 Mac osiągnął imponujące wyniki z M1 MacBook Air z 8 GB pamięci RAM. Aby laptop zaczął się chwiać, musiał mieć otwarte jedno okno Safari z 24 zakładkami, kolejne sześć okien Safari odtwarzające wideo 2160p i Spotify działające w tle. Zrobił również zrzut ekranu. „Dopiero wtedy komputer w końcu się zatrzymał” – powiedział Hall.

W TechCrunch Matthew Panazarino poszedł jeszcze dalej z M1 MacBook Pro kołyszącym 16 GB pamięci RAM. Otworzył 400 zakładek w Safari (plus kilka innych programów) i działał dobrze, bez żadnych problemów. Co ciekawe, próbował tego samego eksperymentu z Chrome, ale Chrome wypalił się. Ale, powiedział, reszta systemu działała dobrze, pomimo problemów z przeglądarką Google. W rzeczywistości podczas swoich testów zauważył nawet, że laptop wykorzystywał przestrzeń wymiany w pewnym momencie, bez zauważalnego spadku wydajności.

Gdy komputerowi zabraknie pamięci RAM, wydziela dostępny dysk SSD lub dysk twardy jako tymczasową pulę pamięci. Może to zdradzić zauważalne spowolnienie wydajności, choć wydaje się, że nie w przypadku M1 Mac.

Są to zwykłe codzienne doświadczenia, a nie formalne testy. Mimo to są prawdopodobnie reprezentatywne dla tego, czego można się spodziewać przy intensywnym codziennym użytkowaniu, a biorąc pod uwagę zmodyfikowane podejście do pamięci, 8 GB pamięci RAM powinno być w porządku dla większości osób, które nie otwierają setek kart przeglądarki.

Jeśli jednak edytujesz duże, wielogigabajtowe obrazy lub pliki wideo, jednocześnie przeglądając kilkadziesiąt kart i przesyłając strumieniowo film w tle na zewnętrznym monitorze, być może wybór modelu 16 GB jest lepszym wyborem.

To nie pierwszy raz, kiedy Apple przemyślało swoje systemy Mac i przeniosło się na nową architekturę.