WWDC 2020:蘋果將MacOS自x86轉移到Arm 為的是掌握硬體自主權

2020.06.22 12:17PM
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照片中提到了CPU、GPU、Neural,包含了蘋果A13、iPhone 11、蘋果A13、蘋果、蘋果A12

雖然數年前即傳出蘋果將全面在 iOS 與 MacOS 使用基於 Arm 的自主架構 CPU ,不過至今仍未實現,但根據近期傳聞與爆料,蘋果應該有望在 2020 年的 WWDC 正式宣布推出基於 Arm 架構的 MacOS 計畫,面對自 2006 年宣布從 PowerPC 轉向 Intel x86 架構也差不多 15 年,若此次真的成真,那也是一個時代的結束與新開始。

只要技術達標就不願受制於人的蘋果

▲ iPad Pro 不斷強調性能不遜於文書筆電,但畢竟 iOS 與 MacOS 本質不同,仍難以相互取代

對於蘋果而言,為什麼要自 Intel 轉向自主開發處理器,筆者認為最根本的原因就是掌握更高的硬體架構自主權,這也是蘋果近年不斷在做的行為:在技術成熟前先找來業界具相當技術的夥伴合作,進而培育一批相關工程師,技術成熟後再宣布硬體自主化以及與原本夥伴斷絕關係,從結果來說,蘋果最後與 Intel 解除合作似乎不太意外。

從推出 iPad Pro 之際,就不難看出蘋果已有脫離 Intel 的企圖,當初強調 iPad Pro 的性能已不遜於輕薄文書筆電,與透過鍵盤搭配營造類似 PC 的使用體驗,儼然就是二合一筆記型電腦的設計概念,然而縱使近年 iPadOS 的推出,使 iPad 有更接近 PC 的使用體驗,但行動至上的 iOS 究竟本質與工作用的 MacOS 不同, iPad Pro也無法完全取代 MacBook Air 。

即便 iPad Pro 處理器性能不遜於 x86 省電筆電,又為何遲至今日才有推出基於 Arm 架構 MacOS 設備的規劃?這又回歸到系統最佳化的根本;從蘋果 2006 年的架構大移轉,當時也造成包括新舊軟體相容、系統穩定不佳的情況,當時引發不少消費者抱怨,而面對今日蘋果 MacOS 設備的使用者比例比起當年更高,實在是無法冒風險在系統還未調整完前轉移。

旨在規劃心目中更性能平衡的異構處理器

照片中提到了問,包含了老虎湖、英特爾Xe、老虎湖、英特爾、冰湖

▲雖然 Intel 今年即將推出的 Tiger Lake 整體性能將大幅提升,不過蘋果恐對性能平衡與 Intel 有不同的看法

但對蘋果而言,從 x86 轉移到自主架構,最大的優點就是因應軟體與使用需求,更彈性的調度硬體設計,藉此達到更為平衡、更具能源效率的硬體規劃;例如蘋果當初強調 iPad Pro 的處理器特性時,把焦點聚集在搭配比起 x86 處理器更強的整合 GPU ,藉由異構運算的方式達到更出色的效能表現。

雖然 Intel 在今年即將發表的 Tiger Lake 平台,可能會為 Intel x86 處理器在 CPU 與 GPU 的發展更適合現代化工作負載,不過畢竟 Intel 的產品等級劃分仍依照 Intel 的產品規劃,縱使蘋果可針對如時脈設定以現行產品線進行客製要求,卻也不可能讓 Intel 為蘋果提供完全客製化的硬體設計,這樣的情況也會是使蘋果使用自主設計硬體的關鍵。

Arm 提供的技術資源漸能滿足蘋果需要

照片中提到了Efficient compute, Fast responsiveness、ARMDYNAMIQ、DynamlQ big.LITTLE,包含了介紹、ARM架構、多核處理器、片上系統、ARM Cortex-A

▲ DynamIQ 能夠打造更具效率的 CPU 叢集

回到技術本身,從 CPU 的特性來看硬體的演化, Arm 提供的技術與指令集也是至今才較適合蘋果的核心價購轉移規劃,筆者認為現在有兩個關鍵點,首先是最基本的 x86 指令相容模式,其次則是多核心架構設計,一者確保遇到特殊狀況的舊軟體的執行性,一者則是能夠維持節能與高效能的 CPU 表現。

先提到 x86 相容模式的部分,在數年前, ARMv8-A 指令集仍未加入 x86 相容模式的支援,約莫在 2017 年微軟宣布 Windows 10 on Arm 之際,外界才知曉 Arm 已在 ARMv8-A 的強化版本加入對 x86 指令集的相容,業界也傳聞其實這是由於蘋果的要求。雖然可預期蘋果會陸續要求開發者轉移到 Arm 架構,也會提供轉換工具,但也不是所有廠商都有辦法驗第一時間完成以及進行最佳化,故對於舊軟體的相容還是有其必要性的。

其次是 Arm 的多核心支援方式,目前 Arm 所推出的 DynamIQ 技術,可容許不同時脈的大小核配置在一個最多 4 大核搭配 4 小核的 Cluster ,例如高通自 Snapdragon 855 就開始採用的 Prime Core 即是以 1 個超大核搭配 3 個大核與 3 小核的設計;然而蘋果在其 A 系列處理器的做法相當不同,蘋果據稱是採用兩個對稱的獨立 Cluster 組合,再使兩組 Cluster 可因應效能需求啟閉,筆者推估,蘋果很可能會藉由更多組 Cluster 的方式擴充高效能運算所需的 CPU 算力。

高效能產品可能還是維持搭配獨立 GPU

照片中跟維基解密有關,包含了的MacBook Pro 2020、MacBook Pro 13英寸、魔術鍵盤、MacBook Air、蘋果

▲牽涉高效能運算的 MacBook Pro 系列可能短期還是維持 x86 ,或保有搭配獨立 GPU 設計 

而後回到 GPU 的部分,筆者認為蘋果在短時間內還是會使用自主規劃的 GPU ,但若規話更高效能的產品線,筆者預估初期很可能還是會與 AMD 甚至 NVIDIA 合作,畢竟目前專業繪圖領域,仍有大量針對獨立 GPU 的最佳化技術,在平台轉移初期,顧及到成本與風險,筆者認為蘋果不會貿然推出過於複雜的整合式 GPU 設計。

然而從軟硬整合的角度,筆者認為基於 Arm 架構的新 MacOS 設備應該會有相當好的能源效率表現,畢竟自硬體架構、多核心整合技術、異構運算的效率等等,皆由蘋果自軟到硬一手包辦,應該有望能夠以更小的電池容量達到與現行 MacBook Air 類似的續航力,或是以相同的電池獲得更長的續航力。

但筆者個人推測,初期蘋果僅會在較入門層級的輕度 MacOS 設備導入 Arm 架構處理器,例如 MacBook 、 MacBook Air 與 Mac mini 等產品,因為這些產品的使用族群為輕度到中度的文書上網,高階的 Pro 產品線仍會考慮軟體生態與延續性,暫時維持與 Intel 繼續合作,若以當初 PowerPC 轉移到 x86 ,筆者認為 Pro 產品 2 到 3 年內都還會維持現況。

雖然蘋果可能做好準備,不過 Arm 與 x86 架構可能還是會維持 2-3 年的並存期

照片中提到了6-core and quad-core、processors、8th-generation,包含了蘋果Mac mini、MacBook Air、蘋果Mac mini、蘋果、蘋果

▲蘋果初期可能會先從 MacBook 、 MacBook Air 與 Mac Mini 等輕度產品進行架構移轉

在系統轉移的初期,筆者認為相較 2006 年自 PowePC 轉移到 x86 應該會成熟很多,初期的風險與穩定性不敢說沒有,但至少不會像當年那麼多問題,畢竟蘋果測試 Arm 價格執行 MacOS 的傳聞已經有好幾年的時間,應該可推測這項大轉移計劃應該是在已有相當把握的情況之下才決定宣布。

同時相較微軟的 Windows 10 on Arm 計畫,筆者認為蘋果的系統最佳化會做得更好,因為蘋果是主導軟硬體設計,但微軟僅是從系統提供者的角度切入,在 Windows 10 的市場仍為 x86 佔據的情況之下,微軟在 Arm 開發資源的比重仍遠不及 x86 (例如遲遲未公布的 x86 64 位元相容模式),可是當蘋果已經計畫進行架構移轉,那 Arm 架構就是蘋果的唯一未來式,也會把多數的系統架構開發資源集中到對 Arm 架構的支援性。

不過也由於轉移到 Arm 架構,可能會有一群使用者因此消失,就是在 MacOS 設備安裝 Windows 系統的族群,畢竟雖然微軟有 Windows 10 on Arm 的系統平台,但卻是不提供消費者安裝版本,筆者也不認為初期的 Arm CPU 能夠在連系統本身都是以 x86 相容模式執行的情況提供良好的體驗,對這一類的使用者,此次的 Arm 架構轉移計劃恐怕是悲大於喜。

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