前言:
M1芯片是苹果公司具有里程碑意义的芯片,可能会影响x86市场主导地位。M1芯片的重要意义在于苹果将PC由X86架构切换到了arm架构,这是一次对于英特尔“背叛”。类似的历史在2005年,苹果抛弃了PowerPC转而与英特尔合作。原因是相同的,PowerPC架构的性能要求无法满足苹果的需求。近年来,英特尔处理器的性能已经越来越不能满足苹果的需求,导致了苹果M系列芯片的推出。
苹果M1的基本信息
这颗芯片采用台积电5纳米制程工艺,CPU、GPU、缓存集成在一起,拥有8核CPU(其中4颗为高性能核心,另外四颗为高能效核心),8核GPU,其中包含160亿个晶体管。
苹果M1的核心参数详细如下,可以根据后面Floorplan进行交叉核对
项目 | 参数 |
CPU | 核心数:8核频率信息:4×3.2GHz Firestorm+4×2.064GHz Icestorm |
GPU | 核心数:8核(部分机型为7核) |
晶体管 | 约160亿个 |
架构 | Arm架构 |
制程 | 5纳米 |
接口 | 集成雷电/USB 4控制器、PCle 4.0控制器、NVMe存储 |
安全模块 | Secure Enclave |
机器学习加速器 | 集成 |
ISP | 集成 |
音频处理器 | 集成 |
性能控制器 | 集成 |
加密加速器 | 集成 |
神经网络引擎 | 16核 |
Apple M1芯片 floorplan分析
下面是Apple M1芯片的floorplan, 以及各模块的分析
Floorplan的基本分析:
1.内存一共128 bit, 一共8个通道,接口在上方和右边,最左边是1个16bit DDR channel, 上面是4个16bit DDR channel, 右边有3个16bit DDR channel。这样DDR phy的摆放,能确定肯定不是PoP封装的,颗粒肯定是放在上方或右边,如下图所示;
2.内存颗粒的下方是GPU core, 如下图,其中core 5有GPU core里面的详细组成单元
3.再往下是CPU CORE 4+4组成,如下图,4个大核firestone core,4个小核icestorm core
4.而16个神经网络引擎夹杂在大小核心中间,如上图所示。system cache, SLC相关的东西在就在NE网络的上面,如上图。
5.South方向,是高速串行接口,如usb 4.0, usb buffer, PCIe phy相关的IP, 以及视频引擎。
6.在East方向,除了LPDDR的模组,靠内侧就是ISP模块占据了大块die size, 其下方就是secure enclave, 同样占据了大片die size。这两块跟上一代芯片类似
各模块的面积密度分析
M1 | area(mm^2) | size(MiB) | SRAM density(MB/mm^2) |
Firestorm L2 | 3.500539165 | 12 | 3.428043348 |
Icestorm L2 | 1.228958081 | 4 | 3.254789614 |
SLC | 2.45910606 | 8 | 3.253214707 |
TSMC 5nm HP | 3.688064141 | 12 | 3.253739507 |
TSMC 5nm HD | 3.500539165 | 12 | 3.428043348 |
total | 7.188603306 | 24 | 3.338617945 |
最后,是各种同类型芯片的SRAM 密度和relative upshift的对比,能更直观看到差异。
| M1 (TSMC 5nm HD) | M1 (TSMC 5nm HP) | A14 (TSMC 5nm HD) |
SRAM density | 3.428043348 | 3.253739507 | 3.669986689 |
Relative upshift | 0.00% | 5.36% | -6.59% |
| A14 (TSMC 5nm HP) | Lakefield (Intel 10nmSF) | SD855 (TSMC 7nm DUV HD) |
SRAM density | 3.35286302 | 1.675987565 | 2.463892974 |
Relative upshift | 2.24% | 104.54% | 39.13% |
| K980 (TSMC 7nm DUV HD) | KX5000 (HLMC 28nm) |
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SRAM density | 2.386652552 | 0.407069712 |
|
Relative upshift | 43.63% | 742.13% |
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总结分析:
1.M1芯片的芯片尺寸约为120.5mm2
2.M1采用台积电的5纳米工艺,其在密度方面取得了巨大的提升(大约比7纳米提高了35-40%),在某些情况下甚至看起来更好。
3.而7纳米工艺在某些情况下仍然保持在每平方毫米约1.6MB的水平,这种情况下,5纳米工艺可以实现100%的密度提升。
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