之前看到 M1 晶片出來之後，就想說些什麼，結果光寫 x86 和 ARM 就寫了 4000 多字，考慮到文章篇幅，只得分為上下兩篇，上一篇文章發出後有很多人表示非常喜歡，讓我趕緊更新，在這裡向支持我的讀者們表示感謝 🙏。
那麼話不多說，這篇我們來聊一聊，這次的晶片到底有何不同，以至於讓那麼多人說蘋果不講武德。
在這之前我先說明，我只是一個計算機專業的學生，從來就沒有自詡自己是什麼專家學者，我寫博客也只是為了做一些簡單的科普，把自己知道的一些知識分享給大家。如果文章中有什麼錯誤的地方，還請各位讀者指正。
2. M1 晶片 ≠ CPU首先，我們要先擺脫一個認知誤區，M1 晶片不是一塊 CPU，而是一塊專為 Mac 設計的 SoC 晶片。CPU 只是 M1 晶片的一個組成部分。
所謂 SoC 晶片，指的是系統級晶片（System on Chip），也稱片上晶片，是一個將電腦或其他電子系統集成到單一晶片的集成電路。SoC 集成的主要包括處理器(CPU，GPU 等)、基帶、各種接口控制模塊、各種互聯總線等，其典型代表為手機晶片。舉個例子，CPU 公司將自己的所生產的 CPU 設計賣給其他公司，而其他公司就根據該 CPU 自己添加上所需要的各種外設控制器，這就是 SoC。
所以簡單來說：SoC 就是一塊集成了 CPU、GPU 等多種結構的晶片。因此，千萬不要簡單的認為 M1 晶片就是 CPU。
官網有一張圖，就很好地說明了 M1 晶片的組成成分。如下圖所示，蘋果稱其為統一內存架構（Unified memory architechture），即通過 Fabric 高速總線將中央處理器、圖形處理器、神經網絡引擎、緩存、DRAM 內存全部連接在一起。因此，M1 晶片的強大，絕不是靠一個強悍的 CPU 支撐的，而是眾多性能強大的部件結合蘋果優秀的設計共同努力的成果。
3. 統一內存架構（UMA）通過上一段內容，我們知道了 M1 晶片的強大光靠一顆強大的 CPU 是不夠的，畢竟蘋果也沒辦法突破物理定律，單純通過設計讓 CPU 的性能提升數倍。很明顯蘋果採用了其他的技巧來彎道超車，而「統一內存架構」就是其中之一。
我們知道，處理器在處理任務時，他要做的事情很簡單就是取東西和算東西，也就是上一篇文章中提到的「接收指令+運算數據」。
和上篇文章一樣，我們還是以打工人為例，取東西就是打工人搬磚，算東西就是打工人砌磚，你砌磚砌得再快再好，磚搬的慢，砌磚的速度也不會快。反過來也是，如果砌磚的慢，搬磚的塊，就會有磚堆積。
因此理想狀態下，搬磚的速度和砌磚的速度應該是一致的，這樣就不用等對方。對於 CPU 來說也是同樣的道理，如果雙方的速度不一致，就會造成性能浪費。
因此，為了解決上述問題，蘋果提供了一個解決方案，就是統一內存架構。
3.1 UMA 做了什麼？那麼 UMA 到底做了什麼？
我們電腦裡面有很多 PU（Processing Unit），即處理單元（處理器），我們常見的有 CPU（Central Processing Unit，即中央處理器）、GPU（Graphics Processing Unit，即圖形處理器）和 NPU（Neural network Processing Unit，神經網絡處理器）。他們都需要取東西、算東西，但是在 UMA 出現之前，他們只能通過 CPU 來分配東西，而 CPU 還要事先從內存中取數據。顯然，這種工作方式的效率很低，況且，不同的處理器對於數據的運算速度也是不同的，為了做到時序同步，一定程度上不利於硬體性能的發揮。
而且，每個處理單元作為一個獨立的個體，各自處理的數據包格式也不一樣。不同 PU 之間通信的語言都是不一樣的，統一數據格式時也需要消耗時間，如果這樣通信效率還高那才有問題。就像來自不同國家的打工人一起打工時，都說各自的語言，通過翻譯才能進行溝通，這聽起來效率就很低。
當然了，以上只是簡單的舉一些例子，真實情況肯定是比這更加複雜的，但即使是這樣，我們也能感受到有很多本來不應該存在的步驟耽誤了很多時間。所以，為了解決上述這些問題，蘋果給出了幾個解決方案。
3.1.1 PU 直接訪問內存沒有 UMA 之前，需要先將數據從內存中取出，然後由 CPU 優先處理、分配，如下圖所示 👇
有了 UMA 之後，這些處理單元可以直接訪問內存，再也不需要通過 CPU 去獲取一些數據了，如下圖所示 👇
通過這樣的設計方式，這個 PU 們不需要再和 CPU 同步語速，也不用什麼亂七八糟的事情都先去找 CPU 過問一遍，這樣就省下來一大筆時間了。
3.1.2 Apple-designed package雖然解決了取數據時的時序問題，但是各處理單元的通信問題仍然沒有得到解決，這裡就要提到蘋果所做的另一個解決方案了——Apple-designed package。
通過 Apple-designed package，各單元處理數據時的數據包格式統一了，他們之間的溝通不再需要翻譯了，哪怕都說的是「阿巴阿巴阿巴」也都能明白各自說的是什麼了，這就又省下了一部分時間。
3.1.3 高度集成無論是拆解圖還是實例圖，都說明蘋果這次的高度集成，是直接將內存放到了處理器的旁邊，這極大的縮小了內存和處理器之間的物理距離，取數據的速度自然就會更快了。
千萬別小看了這點物理距離的減少，目前的計算機都屬於馮諾依曼結構，而該結構最大的一個隱患就是：在內存容量指數級提升以後，CPU 和內存之間的數據傳輸帶寬成為了瓶頸，原因之一就在於內存和 CPU 的物理距離過大。雖然現在 CPU 和內存的速度越做越快，但是他們之間的距離卻無法改變，而傳輸數據的速率-光速也無法改變。
我們可以來做一個簡單的數學題，i9-7980XE 是一顆 18 核 36 線程的民用 CPU，這顆 CPU 最大睿頻 4.4GHz，假設該 CPU 在一個時鐘周期內執行一條運算指令，那麼該 CPU 執行一個指令需要的時間是 0.000000000227273 秒，即 0.22ns（納秒），那麼在這段時間內，光所跑的距離是 0.0681819 米，四捨五入就約等於 7 釐米。所以說如果 CPU 和內存之間的距離超過 7 釐米，CPU 豈不是要多等一會才能繼續收到指令了。這還是一次只取一條指令的情況，如果數量多了呢？
所以物理距離的縮小，自然可以讓 CPU 取數據的速度更快一些，這也是 M1 晶片性能提升的關鍵一點。
3.2 超大緩存上面說的這些也都只是讓 CPU 取數據時可以更快一些，但是 CPU 和內存之間的數據傳輸帶寬成為瓶頸不單單是因為物理距離的原因，最根本的原因還是因為 CPU 太快了，很難做到和內存同步。所以我們得把計算機經常用到的數據導入 cache，也就是緩存，避免計算機去內存要東西，更不應該讓計算機去硬碟要東西。
3.2.1 什麼是緩存緩存就是數據交換的緩衝區（稱作 Cache），是存貯數據（使用頻繁的數據）的臨時地方。其實在很多地方都用到了緩存，比如當用戶查詢數據，首先在緩存中尋找，如果找到了則直接執行。如果找不到，則去資料庫中查找。
CPU 也同樣設計了一個這樣的存在，是一個用於減少處理器訪問內存所需平均時間的部件。他的工作原理是：當處理器發出內存訪問請求時，會先查看緩存內是否有請求數據。如果存在（命中），則不經訪問內存直接返回該數據；如果不存在（失效），則要先把內存中的相應數據載入緩存，再將其返回處理器。
還是拿搬磚這個例子來加深理解，如果我正在砌磚，就算搬磚的人把磚搬過來了，我也來不及砌，光讓他在那站著等也不好，所以就讓他把磚放到腳邊（緩存），這個砌磚的每次就不用跑去搬磚的那裡拿磚了，只需要從腳邊（緩存）拿磚就好了。
所以，我們知道緩存主要是為了彌補 CPU 和內存之間的讀寫速度差異而出現的，因此理論上，在一定範圍內，緩存自然是越大越好。
3.2.2 M1 晶片的緩存設計M1 晶片同樣也是這麼設計的，只是蘋果為 M1 晶片帶了超大的緩存，這個緩存有多大呢，我們來做個簡單的比較。（以下數據摘自維基百科和 CPU - Z）
L1 表示一級緩存，L2 表示二級緩存，即一級緩存的緩存。一級緩存還分為一級數據緩存（Data Cache，D-Cache，L1d）和一級指令緩存(Instruction Cache，I-Cache，L1i)，分別用於存放數據及執行數據的指令解碼，兩者可同時被 CPU 訪問，減少了 CPU 多核心、多線程爭用緩存造成的衝突，提高了處理器的效能。一般 CPU 的 L1i 和 L1d 具備相同的容量。
這個對比結果非常明顯，尤其是在二級緩存，雖然在 M1 晶片中，二級緩存是共享的，但這 16MB 的緩存還是比 i9-10900K 的二級緩存大了不少。雖然 i9-10900K 的三級緩存有 20MB，但是也只是比 M1 的二級緩存大了 4MB，並且三級緩存的速度是比二級緩存慢得多的。
而且，可別忘了，基於蘋果這次的高度集成，DRAM 內存和處理器直接通過 Fabric 高速總線連接在一起，這樣使得集成的內存可以近似看做是一個超大容量的 L3 緩存，蘋果用犧牲擴展性換取吞吐量的策略，給 M1 晶片帶來了更高的帶寬與更低的延遲。當然了，緩存也並不是越大越好，一方面是製作的難度，另一方面緩存命中率也是評價緩存性能的一個重要指標。如果緩存過大，命中率就會下降，如果這樣就會有些得不償失了。
其實 M1 晶片之所以可以塞入這麼大的緩存，和其製作工藝是有很大的關係的，相較於 10nm、14nm，M1 晶片採用臺積電最先進的 5nm 工藝製成，電晶體越小，單位面積內可塞入電晶體的數量就更多，這樣就讓蘋果可以為 M1 晶片設計更大的緩存。這一部分具體我們下一節來說。
現在再回過頭看我們一開始所說的：「所謂統一內存架構，就是通過 Fabric 高速總線將中央處理器、圖形處理器、神經網絡引擎、緩存、DRAM 內存全部連接在一起。」這不僅僅是簡單的將各單元連接在一起，而是蘋果這麼多年在移動端 SoC 優秀實踐經驗的結晶，是只屬於蘋果自己獨享的 moment。
所以說，這麼一套搞下來，哪怕 M1 晶片的 CPU 晶片的物理性能沒有得到提升，性能也不是最強大的，但 UMA 的設計架構也會給 M1 晶片帶來綜合性能的提升。
況且，誰說 M1 晶片的 CPU 就不行了呢？
4. 製程&電晶體數量Apple 官網對於 M1 晶片有如下的介紹：
M1 也是 Apple 首款採用先進 5 納米製程打造的個人電腦晶片，封裝了驚人的 160 億個電晶體，其數量為 Apple 所有晶片之最。
這裡我將兩個重要的數字加粗標註了出來，第一個數字是剛才提到的 5 納米製程，第二個數字是 160 億個電晶體。
4.1 5 納米製程指的是什麼？當我們閱讀一個和晶片有關的文章時，經常會看到諸如 5nm、7nm、14nm 這些詞，例如華為的「最後一款」麒麟晶片，麒麟 9000 就是 5nm 工藝製程，那麼這個 5nm 指的到底是什麼呢？
說實話，這一塊內容水太深了，我自己也不是從事半導體領域的，很難解釋清楚，這裡就只能簡單的說明一下。
引用知乎的一張圖，在上圖所示的電晶體結構中，電流從 Source（源極）流入 Drain（漏級），Gate（柵極）相當於閘門，主要負責控制兩端源極和漏級的通斷。電流會損耗，而柵極的寬度則決定了電流通過時的損耗，表現出來就是手機常見的發熱和功耗。寬度越窄，功耗越低。而柵極的最小寬度（柵長），就是 XX nm 工藝中的數值。
簡單來說就是，Leakage Path 越小，電流損耗越小，總體來看就是功耗越小。宏觀來看，隨著 Leakage Path 越小，電晶體之間的距離就越小，單位面積內可以塞入的電晶體數量就越多，整體的運算性能就越強。
最近，AMD 瘋狂 yes 的原因和其工藝製程的提升有很大關係，而此次 M1 晶片所採用的是目前市面上最先進的 5nm 工藝製程，性能強也是意料之中的事情了。
4.2 為什麼電晶體數量越多，運算性能越強？電晶體就可以看成一個小開關，有通斷兩種狀態。你可以理解為通是 1，斷是 0，那麼一個電晶體的一次開，或者一次關，就提供一個 2 位的數據：0 或者 1。用無數個 0 或者 1 就可以代表所有的數據。這也就是為什麼電子時代信息被稱為數位化。其實就是把所有的信息用數字來表示。而數字，可以用電腦來處理。電腦是沒法直接處理人類的信息的。這就是計算機採用二進位表示數據的的原因。
所以我們要理解，是因為電路的這個特性才讓先輩們選擇二進位作為機器的語言，而不是因為二進位簡單所以採用二進位的。這裡提兩個小問題：人為什麼要使用十進位？生活中有沒有使用其他進位計數的例子？歡迎在評論區留下你的想法。
一個電晶體一次只能表示一個 0，或者 1。那麼一大堆電晶體同時工作呢？
簡單的說就像是一個大的存放開關的工廠，每個電晶體就是一個開關，關的時候表示 0，開的時候表示 1，電晶體越多，開關也越多，在處理同一個問題的時候走的線路也就越多。這就像是你以前學初中物理時的並聯電路，支路越多流通的線路也越多。同樣，CPU 的電晶體越多，單位時間內可以流過的電流的支路也就越多，反映在宏觀上就是你在一顆 CPU 上能同時處理的數據也就越多，機器也就越快。
不過電晶體越多晶片性能越好這一點並不是絕對的，只是相對來說，電晶體多了之後，可設計的空間就更大了，剩下的就要看廠商能否利用好這部分設計空間了。
5. M1 真的完美嗎？那麼問題來了？說了這麼多 M1 晶片的優點，又是採用了 UMA 架構，又是最先進的工藝製程，他是一個完美的晶片嗎？我想未必。
5.1 擴展性相比上面的介紹讓你對 M1 晶片的統一內存架構有了一定了解，也知道這樣的架構對於性能的提升有很大的幫助。
只是將內存這樣焊死在一塊 SoC 晶片上，對於後期想要硬體擴展的用戶來說，無疑是不可能的。
而且雖然 M1 的 GPU 的性能很強，但也是相對手機上的 GPU 來說的，和桌面級的 GPU 相比還是有很大的差距的，畢竟體積擺在那了，這對外接顯示器或者玩遊戲的用戶來說也是很難熬的。同樣的，外接顯卡也是用不了的，不過應該也不會有人用 Mac 玩遊戲吧。
Mac 當然可以玩遊戲，這裡挖個坑，下次我們來窺探一下未來——雲遊戲。
5.2 兼容性從 x86 架構遷移到 ARM 架構，蘋果是下了很大決心的，也是布局已久了。為了不讓用戶擔心應用生態會出現較大的變化，蘋果給出了三種不同應用的解決方案，分別是「Universal 通用應用」、「Rosetta 2 轉譯應用」以及「原生 ARM 應用」。其中，Universal 是橫跨 ARM 和 X86 平臺的應用，目前以後部分開發者將自家軟體轉向 Universal，例如 Adobe 的 Lightroom，Photoshop 則會在明年更新。這裡不得不感慨一下蘋果的號召力，apple silicon 一出，各大廠商都在快速跟進，估計隔壁某廠要羨慕哭了。
如果新應用沒有適配 Universal，那你也可以通過 Rosetta 2 轉譯應用，那些原生的 X86 編譯應用可以通過蘋果提供的 Rosetta 工具，轉譯成可以在 ARM 平臺直接運行的應用，雖然會損失一些性能，但是可以極大提升兼容性。目前從各種兼容性測試視頻來看，Rosetta 2 的完成度非常高，並不像隔壁某廠，推出的是一個半成品。
如果說，上面兩種解決方案還是無法滿足你的需求，那麼你還可以依託蘋果建成依舊的 App Store 生態，直接運行原生 ARM 應用，它們能夠直接在 macOS、iOS 和 iPadOS 上運行，相當於蘋果打通了小屏到大屏的主要設備。
即便曾經 macOS 的軟體生態還不完善，但在 iOS 幾乎已經沒有了這個問題，也使得搭載 M1 晶片的 Mac 產品並不需要太過擔心沒有足夠的應用可以使用。
而且，從此次更新的 macOS Big Sur 也可以看出，蘋果也是有意讓這三端的風格更加統一。無論是系統界面還是圖標樣式，都在往 iPad 和 iPhone 上統一。
那麼為什麼同樣的軟體在遷移的時候會有兼容性的問題？這已經和本文要介紹的 M1 沒什麼關係了，考慮到篇幅問題，我們之後再說。
那麼到底 M1 版 MacBook 能兼容什麼軟體、不能兼容什麼軟體？
一個個軟體測試，工程量非常大，而且軟體們也處於不停的更新換代中。好在 GitHub 上出現了一個關於 M1 版 MacBook 的兼容性測試項目「DoseitARM」。在這個項目中，可以看到開發工具、影音工具、圖形圖像工具、剪輯工具等各種生產力軟體的兼容性測試。各類軟體的兼容性又被分為幾種不同的情況，分別如下：
他的地址是 👉：https://github.com/ThatGuySam/doesitarm
有興趣的讀者可以長期關注該項目。
6. 最後對於財大氣粗的蘋果來說，未來無疑將會長期進行大量的投入來對 M 系列晶片進行迭代，並且其自有生態也保證了能夠反哺 M 系列晶片的研發。希望國內的企業也可以像蘋果一樣有屬於自己的晶片，未來值得期待！
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