硬科技:以古鑑今 Apple自製晶片的優勢與劣勢(下)

2020.07.10 05:26PM
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照片中提到了Macs with、Apple Silicon、Desktops,包含了蘋果矽、蘋果全球開發者大會、蘋果移動應用處理器、蘋果、ARM架構

前情提要,天底下任何事物,只要規模一放大,一堆奇奇怪怪的疑難雜症就會通通一個個冒出來,從社會組織、企業架構、政府規模、公共建設,一路到資訊科技的領域,象徵半導體尖端技術的高效能處理器,都不可免俗,一變大一複雜起來就會出亂子。

硬科技:被Intel處理器漏洞嚇傻前 科科們要先知道的事(上)
硬科技:被Intel處理器漏洞嚇傻前 科科們要先知道的事(中)
硬科技:被Intel處理器漏洞嚇傻前 科科們要先知道的事(下)

嘲笑高效能x86指令集相容處理器會有資安問題?結果這票同樣為了追求高效能而引進非循序預測執行的新型ARM指令集相容處理器還不是跟著中槍了?因為本文主角是Apple,所以刻意轉貼Apple官網的說明,比較應景。

關於 ARM 與 Intel 架構 CPU 的推測執行安全漏洞

每次回顧起「RISC指令集更容易打造更高效能又更省電的處理器微架構」這些被塵封的跳票論述,再看著動不動就經常出現在近代媒體報導的「藉由Arm架構設計特性更可讓裝置耗電更低」,不學無術的筆者就會大腦當機,傻傻看不懂這些大恩大德講的「架構」到底是在講什麼東西,你們能夠指出這些「特性」是屬於哪個環節嗎?

這也是為何筆者寧願多浪費點字數,要特別多寫「XX指令集相容處理器」的理由,名詞的選擇可以顯示出對於某個議題的了解究竟有多深。

照片中提到了Layers of Abstraction、Application、Algorithms,跟英特爾有關,包含了抽象層、指令集架構、抽象層、抽象化、微架構

理論歸理論,做不到或著不去做,就是不會「夢想成真」。為何2005年Apple會放棄IBM PowerPC,投向Intel的懷抱?難道不就是Steve Jobs對IBM遲遲無法推出筆電可用的PowerPC指令集相容處理器嗎?不是說RISC的PowerPC相較於CISC的x86享有多少說不完的好處?筆者還記得在1990年代,還不缺替PowerPC歌功頌德的專書呢。

IBM就是沒有像Intel從1990年代末期,嘗試研發像Pentium M此類為筆電而量身訂做的「微架構」,和作為電腦最基本語言的「指令集架構」,一點關係也沒有(好吧,uOp Fusion勉強算是跟x86指令集的特性有點關聯的地方)。少了這些源自於筆電需求的資產,也讓後來的IBM Power處理器,在伺服器市場對上Intel Xeon和AMD Opteron/EPYC,在「效能功耗比(能耗比)」上也佔不到任何便宜。

照片中提到了Scalable Cores、Same core for、Common software,包含了Nehalem體系結構圖、英特爾核心、英特爾酷睿i7、Nehalem、中央處理器

總之,物理限制就是擺在那邊,只要處理器微架構的複雜度衝到某個程度,管你指令集架構怎樣怎樣,功耗和溫度自然就「天下烏鴉一般黑」,不提IBM的Power家族,各位科科可以猜猜看,代號「Rock」的Sun UltraSPARC RK,是一個塞滿16個4同時執行緒(SMT)超純量核心的怪物,時脈2.3GHz,請問耗電量多少?

不多也不少:250W,然後就被併購Sun的Oracle腰斬整個計畫了。想拿Fujitsu A64FX替Apple護航的死忠果粉也別急,後面會有更精彩的命案現場。

照片中提到了ROCK Block Diagram、8 Memory links、Total 48 GB/s effective BW,包含了鐵豐特里古、麵粉、牌、線、字形

照片中提到了Serdes IO、Dache、Deache,包含了核心看起來像、中央處理器、SPARC、英特爾、多核處理器

雖然Apple自研的ARM指令集相容處理器的確很厲害,但天底下沒有新鮮事,任何從同時代技術產生出來的產品也都面臨類似的技術限制。說穿了,Apple的自研處理器之所以能壓倒同期的其他ARM指令集相容處理器,在於高度軟硬體垂直整合的Apple,可斷然放棄ARMv8之前的32位元指令集相容性,將電晶體全部砸在可提昇64位元運算效能的刀口上。

如果讓Intel和AMD也可以選擇,他們一定超想幹掉386以前的「遺跡」,甚至巴不得所有現存指令都比照「AVX-128」辦理,用VEX指令編碼格式重新創造一次。

為何Apple自產自銷的ARM處理器這麼厲害(上)
為何Apple自產自銷的ARM處理器這麼厲害(中)
為何Apple自產自銷的ARM處理器這麼厲害(下)

儘管如此,即使Apple最新的A13號稱「單核心效能總算可以看到當代x86指令集相容處理器的車尾燈」,耗電量也是隨之激增,逃不掉的。

照片中提到了SPEC2006 Energy Efficiency Estimate、Average Power (W), Energy Usage (Joules) ---- Performance (SPECSpeed)、4.61, 11135 52.82,包含了角度、扶正軟件、蘋果、ARM架構、電腦

假如Apple Silicon要足以取代第三代Mac Pro內那顆28核、2.5GHz、快取記憶體總容量66.5MB的Intel Xeon W-3275M,加上吸收Rosetta 2轉譯損耗的餘裕,那這顆Ax處理器的規模將變得多大?高可用性的相關機能要多複雜?這裡還不提假若Apple想不開,寧願「長痛不如短痛」,連AMD的繪圖晶片都要踢到一邊,那畫面真的太美,光用想的都會讓想像力開始哀號。

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這裡也會有科科跳出來喊:耗電量高又如何,「效能功耗比」才是重點啊,但手機平板和桌機工作站是同樣的環境嗎?那麼,筆者就列出2顆針對高效能運算開發的處理器,猜猜那一顆「藉由Arm架構設計特性更可讓裝置耗電更低」。

照片中提到了核心數、製程、雙倍精確度浮點,包含了數、牌、產品設計、角度、設計

第一顆是Intel Xeon Phi 7290 (包含16GB MCDRAM,類似HBM,不計入外部DDR4),第二顆是Fujitsu A64FX(而且還要水冷),先不管AVX-512和SVE兩種SIMD指令集之間的差異性,各位科科有覺得這兩邊的「效能功耗比」有差很多嗎?「我體內的怪物已經長這麼大了」大概就是這樣一回事。

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糟糕,再講下去筆者就要被貼上「果黑」標籤了,就此猛踩煞車。

其實筆者非常期待Apple能靠著iPhone和iPad的基本盤,與同時掌握軟硬體的雙重優勢,完成過去那票「RISC諸神」無從實現的悲願,也相信Apple一定有絕對的把握,才膽敢發動「第四次衝擊」。也許筆者的烏鴉嘴和外界的質疑,最後都將被證明是多餘,這轉型期將遠比前一次還順利,但搞不好Apple為此付出的額外成本,將足以「填補」降低晶片生產單價而省下的金額還有餘也說不定。科科科科科。

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