1M1芯片为何能有如此高性能？
[PConline 杂谈]苹果发布了使用了ARM架构M1处理器的MacBook，其惊人的能效表现，以及深度和移动平台融合的生态，给人留下了深刻的印象。M1处理器打破了很多人ARM性能羸弱的固有印象，而macOS和M1的契合度，更是令人惊叹连连——M1这颗ARM处理器，通过macOS 11中Rosetta 2转译层运行X86软件，很多时候竟然比Intel高端处理器原生运行X86软件更快！
macOS 11兼容ARM芯片，从另一维度挑战Windows
苹果M1的出彩，是出乎很多人的意料的。特别是对比微软在ARM领域的步履蹒跚，更凸显出苹果新产品的不可思议。要知道，微软早在2012年，就推出了使用ARM处理器的Surface平板，并为之配备了转制的Windows RT系统；最近，微软更是力推使用骁龙ARM处理器的Surface Pro X平板，其上搭载的是兼容X86软件的Windows 10 on ARM。
微软早已经涉足ARM领域，推出了基于ARM的Windows平板，但表现不尽如人意
然而，微软的ARM产品实际表现却令人失望。初代Surface上的Windows RT无法兼容X86软件，而Windows 10 on ARM则无法运行64位软件，且使用X86软件时性能极其低下。和M1以及macOS 11相比，表现有云泥之别。
微软借助Wintel联盟，统治了桌面市场三十年。苹果macOS凭借M1这颗表现惊人的ARM芯片，能否挑战Windows？今天一起来谈谈这个话题吧。M1芯片为何能有如此高性能？
Windows的成功，和X86处理器在性能上的强势是密不可分的。业界有一个很著名的说法，叫“安迪-比尔”定律，安迪指的是Intel前CEO安迪·格鲁夫，比尔则是大家都熟悉的微软创始人比尔·盖茨。这个定律的主要内容，就是安迪提供什么，比尔就会拿走什么，意思是Intel为代表的X86处理器提供的性能，都会被Windows为代表的软件吃掉。
虽然这个定律很有吐槽软件吃性能的意味，但也肯定了X86处理器的性能表现。而现在，M1这颗ARM处理器，在轻薄笔记本的使用环境下，性能大大压过了X86处理器一头，这到底是怎么做到的呢？这和M1处理器的诸多特性是密不可分的。
·工艺。得益于多年和台积电的密切合作，苹果M1处理器得以用上了最先进的5nm工艺，先进的工艺带来了能效方面的先天优势。而M1的设计也是和台积电的工艺特点相契合的，对比Intel，台积电的工艺并不追求高频率，而M1的架构则主攻高IPC，并不需要高频，双方共同铸造出了M1芯片的极高能效。
M1芯片使用了与之特性相契合的先进工艺
·规模。受益于5nm工艺，M1芯片得以在有限的面积中，集成不亚于X86处理器规模的晶体管。M1处理器包含8个CPU核心，芯片面积为119mm2，集成了160亿个晶体管；作为对比，当前桌面顶级处理器AMD Zen 3中的一个CCD同样包含8个CPU核心，面积为80.7mm2，集成41.5个晶体管。考虑到M1还封装了GPU、RAM等其他模块，事实上双方在CPU单元部分，规模已经是并驾齐驱。
·架构。M1的CPU架构设计是非常激进的。举个例子，根据外媒Anandtech推测出来的架构图，M1拥有8解码超宽架构的大核心，这是一个非常夸张的规模——顶级X86处理器只做到了4解码。而在ALU单元、FPU单元的数量配置上，M1对比当前的X86处理器也有优势。尽管受限于工艺以及架构特点（超宽架构、短流水线），M1的频率并不高，但IPC却超过了许多顶级的X86处理器。
M1的大核心架构设计非常激进，X86处理器没有这么多路前端解码
·专用电路。很多朋友都看过M1版MacBook的剪片演示，新MacBook在视频剪辑的速度上，居然远胜于售价高好几倍iMac Pro，小小的甚至不需要风扇散热的M1芯片，表现更胜于i9处理器。这其实在很大程度上，得益于M1芯片集成的专用电路。
很多需要算力的特定功能，在M1中都有专用电路实现
专用电路这个名词听起来，似乎有点陌生，但其实如果你关注挖矿，就知道这是什么意思了。在挖矿领域，CPU速度远不如GPU，而GPU又远不如ASIC矿机，这是因为ASIC芯片是专为挖矿算法定制的专用电路。在M1芯片中，也存在诸多这样的专用电路，它们能为视频编码解码、机器学习、图像处理、数据加密等计算提供硬件加速，结合macOS 11专为其打造的API，一些生产力任务能够前所未有地高效运行。
·片上互联。这又是M1芯片的一大杀手锏。在传统的PC硬件架构中，内存、GPU、CPU等部件，需要经由主板相关总线来传输数据，而M1芯片则将这些部件进行了SoC化，将其集成到了同一块芯片当中。相比传统做法，M1芯片能极大程度地提升数据传输的速度，性能得到了系统性的提升。
2macOS可以凭借M1芯片挑战Windows吗macOS可以凭借M1芯片挑战Windows吗
M1芯片结合macOS 11，表现令很多人眼前一亮。对比Windows在ARM领域的坎坷进军，苹果这套组合拳更显得出类拔萃。那么问题来了，在这个ARM愈发强势的时代，macOS能否凭借M1这颗顶级的ARM芯片，挑战Windows以及X86体系？恐怕依然是不行的。
首先来说说硬件方面。
上文提到了M1芯片性能强大的秘密，但这是否意味着它就可以挑战X86处理器？X86处理器之所以没有使用M1这样的激进架构设计，是有很多现实方面的原因的。
首先，和ARM相比，X86背负着更沉重的历史兼容问题。虽然当前的X86处理器本质上也是将复杂指令拆分为简单指令进行解码，但X86指令的长度并不固定（变长指令），不像ARM处理器那样，只解码长度固定的定长指令，这意味着X86处理器很难通过堆砌指令解码器，来大幅提升性能。如今的X86处理器仍兼容多年前的MMX等古老指令，这些又需要耗费额外的晶体管。这些现状，令X86无法像ARM那样轻装上阵。
需要耗费更多晶体管，去兼容MMX等古老指令，这就是所谓的“X86税”
而苹果从来对向后兼容不上心。为了追求性能，苹果的兼容可以烂到什么程度呢？例如你买了最新版的使用M1处理器的MacBook，想要打开几年前剪视频的项目文件，发现新版Final Cut已经不支持这个旧版文件，而现在的MacBook，又安装不了旧版的Final Cut（不再支持32位）……你几年前拍摄的素材，就这么废掉了。
几年前的文件，用新Mac打不开，苹果可不考虑旧软件的兼容
苹果主攻消费市场，它可以让M1芯片彻底抛弃ARMv7指令集、放弃32位支持，让晶体管用在刀刃上；但X86广泛用于企业、工控等领域，它敢这样做吗？想想Intel安腾IA-64的惨淡下场，答案不言而喻。
X86当前对比M1有能效劣势，那它能不能像M1那样，使用8解码的超宽架构？由于变长指令等限制，X86处理器要实现超宽架构，设计难度太大，因此当前X86处理器选择了多核心超线程、超宽SIMD（例如AVX512）作为性能路线。
这又带来一个问题。和ARM处理器相比，想要发挥出应有的性能，代码需要专门为这些特性进行优化。X86并不像M1芯片那样，运行苹果为其高度优化定制的macOS系统，这进一步削弱了X86处理器在性能上的优势——最近的一个典型例子，就是Windows并不能很好地调度Zen 2处理器的CCX模块，需要为其制作补丁。
Win10 1903对Zen架构的优化：优先调用同一CCX内的核心、缩短响应时间，但如果没有这补丁呢？
而不得不提的是，M1的激进设计，以及macOS的优化，令Mac表现出匪夷所思的性能，但这些性能优势，是否将一直持续？前面提到，M1的强劲性能很多是通过专用电路来实现的，苹果系统通过API活用这些电路，让Mac拥有了出色的能效比。然而专用电路的软肋也在于“专用”，M1今天能够实现高规格HEVC视频的硬件加速，当新的视频编码面世，它还能有如此大的性能优势吗？恐怕无法做到。
最关键的一点在于，M1芯片是苹果专属，它不会外卖给其他厂商。这意味着，除了Mac电脑对应的消费市场，它没法在更多领域上，向X86发起冲击。与之相比，X86以及Windows的分布更加广泛，或许搭载M1的macOS能够在某些领域刺到消费者的痛点，但苹果仍无力打破X86和Windows筑起的壁垒。
M1芯片是Apple Silicon，它不会外卖给他人，无法在更多领域对X86和Windows发起挑战
简而言之，和M1芯片相比，X86处理器的设计没有那么激进，也没有这么多专属优化，因此在不少情况下性能会落于下风。但X86处理器的向后兼容、多线程并发等优势，也是M1芯片无法企及的。X86芯片在商用、工控、消费市场都能独挑大梁，ARM阵营并不能凭借M1芯片，就挑翻盘根错节的X86体系。
再来说说软件。
macOS 11非常惊艳，通过SwiftUI以及Mac Catalyst，融合了苹果移动平台的生态。加之使用Rosetta 2转换层兼容已有的X86软件，这让它能够在保有大部分X86生态的同时，在ARM生态中活用M1的性能长处。很多朋友可以观察到，macOS 11并不缺软件，而很多跨平台同时支持Windows和macOS 11的软件，在macOS 11中性能表现会更好。例如微软家的Office、Visual Studio Code，就是其中例子。
M1为macOS提供了澎湃的性能，macOS能否藉此挑战Windows？在轻薄本领域，新的M1版MacBook已经鹤立鸡群，但macOS所面对的局限，和M1芯片是如出一辙的——它并不对外开放授权。
macOS将慢慢成为苹果ARM芯片的独占，PC机运行macOS的“黑苹果”将成为历史
如果说X86时代，macOS还可以通过黑苹果的方式，安装在其他机器上，那么进入到ARM时代后，macOS必然会渐渐成为Mac电脑的独占。当苹果未来进一步在Mac电脑中普及ARM处理器，Mac和PC没有了共通的硬件基础，macOS自然也就无法通过伪装硬件型号等手段，安装到其他PC中。
也就是说，ARM处理器的应用，反而减少了macOS的适用范围。macOS只能在苹果的既定硬件产品上，和对应的Windows PC竞争；而Windows开放的系统授权，必然能覆盖远多于苹果产品线的PC产品。从这个层面来看，macOS只能凭借少数的尖端产品、吸引少部分PC用户，不可能在整体上和Windows产生竞争。
反观Win10 ARM，可以安装在其他ARM设备上，这是否会重演X86时代PC围攻Mac的故事？
在可以预见的未来，这一情况不会改变。苹果从诞生起，一直秉持着制作小而精产品的理念，苹果从来就没打算让macOS像Windows那样，成为大众之选。对于苹果而言，无论是M1芯片还是macOS 11系统，都只不过是构造心目中某款理想产品的部件，它们不需要攻城略地占下大片市场份额，只需站上某个高耸的小山头即可。
M1芯片是macOS的一把尖刀，但它们显然是无法撬动Windows和X86处理器筑成的这堵庞大城墙的。后话
总的来说，macOS不太可能凭借M1芯片，来挑动Windows和X86的市场地位。
·M1芯片和macOS的高性能，当然是受益于先进的工艺、激进的架构以及专门的优化，但也很大程度上也是以牺牲向后兼容性为代价的，需要长期稳定运行的环境无法接受这样的产品；
·M1芯片和macOS都只服务于品类稀少的苹果产品，无法与Windows、X86在更多的细分领域竞争。
无论如何，M1芯片的横空出世，的确刷新了很多人的观念。ARM也可以用于高性能计算，在特定的环境下，它能比X86做得更好，这足以支撑Mac这样的小众产品成为爆品。Windows 10 on ARM以及Windows 10X也正在紧锣密鼓地开发中，微软在ARM时代能再创辉煌吗？除了macOS，Windows是否会遇到新的挑战者？我们拭目以待吧。
