Apple M1 — это серия систем на кристалле (SoC) на базе ARM , разработанных Apple Inc. в качестве центрального процессора (ЦП) и графического процессора (ГП) для настольных компьютеров и ноутбуков Mac , а также iPad Pro. и планшеты iPad Air . [7] Чип M1 инициировал третье изменение Apple в архитектуре набора команд , используемой компьютерами Macintosh, перейдя с Intel на Apple Silicon через 14 лет после перехода с PowerPC на Intel и через 26 лет после перехода от оригинальной серии Motorola 68000 к PowerPC . Во время презентации в 2020 году Apple заявила, что M1 имеет самое быстрое в мире ядро ЦП «из кремния с низким энергопотреблением» и лучшую в мире производительность ЦП на ватт . [7] [8] Его преемник, Apple M2 , был анонсирован 6 июня 2022 года на WWDC .
Оригинальный чип M1 был представлен в ноябре 2020 года, а в октябре 2021 года за ним последовали профессиональные чипы M1 Pro и M1 Max. M1 Max — это более мощная версия M1 Pro с большим количеством ядер графического процессора и пропускной способностью памяти . больший размер кристалла и большое используемое межсоединение. В 2022 году Apple представила версию с включенным межсетевым соединением как M1 Ultra , содержащую два устройства M1 Max. Эти чипы во многом различаются по размеру и количеству функциональных блоков: например, если исходный M1 имеет около 16 миллиардов транзисторов , то M1 Ultra — 114 миллиардов.
Операционные системы Apple macOS и iPadOS работают на M1. Первоначальная поддержка SoC M1 в ядре Linux была выпущена в версии 5.13 27 июня 2021 года. [9]
Первоначальные версии чипов M1 содержат архитектурный дефект, который позволяет изолированным приложениям обмениваться данными, нарушая модель безопасности, и эта проблема была описана как «в основном безобидная». [10]
M1 имеет четыре высокопроизводительных ядра «Firestorm» и четыре энергоэффективных ядра «Icestorm» , впервые появившихся на A14 Bionic . Он имеет гибридную конфигурацию, аналогичную процессорам ARM DynamIQ и Intel Lakefield , Alder Lake и Raptor Lake . [11] Эта комбинация позволяет оптимизировать энергопотребление, что было невозможно с предыдущими устройствами на архитектуре Apple – Intel . Apple утверждает, что энергоэффективные ядра потребляют в десять раз меньше энергии, чем высокопроизводительные. [12] Высокопроизводительные ядра имеют необычно большой [13] 192 КБ кэша инструкций L1 и 128 КБ кэша данных L1, а также общий кэш L2 объемом 12 МБ; энергоэффективные ядра имеют кэш инструкций L1 объемом 128 КБ, кэш данных L1 объемом 64 КБ и общий кэш L2 объемом 4 МБ. SoC также имеет кэш системного уровня объемом 8 МБ, общий для графического процессора.
В M1 Pro и M1 Max используется та же конструкция ARM big.LITTLE , что и в M1, с восемью высокопроизводительными ядрами Firestorm (шесть в вариантах M1 Pro с нижним отсеком ) и двумя энергоэффективными ядрами Icestorm , обеспечивающими всего десять ядер (восемь в вариантах M1 Pro с нижним отсеком). [14] Высокопроизводительные ядра работают на частоте 3228 МГц, а высокоэффективные ядра — на частоте 2064 МГц. Восемь высокопроизводительных ядер разделены на два кластера. Каждый высокопроизводительный кластер использует 12 МБ кэш-памяти второго уровня. Два высокоэффективных ядра совместно используют 4 МБ кэш-памяти второго уровня. M1 Pro и M1 Max имеют 24 МБ и 48 МБ кэш-памяти системного уровня (SLC) соответственно. [15]
M1 Ultra состоит из двух модулей M1 Max с 20 ядрами ЦП и 96 МБ кэш-памяти системного уровня (SLC).
В M1 встроен разработанный Apple [16] восьмиядерный (семь в некоторых базовых моделях) графический процессор (GPU). Каждое ядро графического процессора разделено на 16 исполнительных блоков, каждый из которых содержит восемь арифметико-логических блоков (ALU). В общей сложности графический процессор M1 содержит до 128 исполнительных блоков или 1024 ALU, [17] которые, по словам Apple, могут выполнять до 24 576 потоков одновременно и имеют максимальную производительность с плавающей запятой (FP32) 2,6 терафлопс . [11] [18]
M1 Pro оснащен 16-ядерным (14 в некоторых базовых моделях) графическим процессором (GPU), а M1 Max — 32-ядерным (24 в некоторых базовых моделях) графическим процессором. Всего графический процессор M1 Max содержит до 512 исполнительных блоков или 4096 ALU, максимальная производительность которых с плавающей запятой (FP32) составляет 10,4 Тфлопс .
M1 Ultra оснащен 48- или 64-ядерным графическим процессором с 8192 ALU и 21 терафлопс производительностью FP32.
M1 использует 128-битную LPDDR4X SDRAM [19] в единой конфигурации памяти , общей для всех компонентов процессора. Чипы SoC и RAM смонтированы вместе по схеме «система в корпусе» . Доступны конфигурации на 8 ГБ и 16 ГБ.
M1 Pro имеет 256-битную память LPDDR5 SDRAM, а M1 Max — 512-битную память LPDDR5 SDRAM. В то время как M1 SoC имеет пропускную способность памяти 66,67 ГБ/с, M1 Pro имеет пропускную способность 200 ГБ/с, а M1 Max — 400 ГБ/с. [11] M1 Pro поставляется в конфигурациях памяти 16 ГБ и 32 ГБ, а M1 Max — в конфигурациях 32 ГБ и 64 ГБ. [20]
M1 Ultra удваивает характеристики M1 Max за счет 1024-битной или 1-килобитной шины памяти с пропускной способностью 800 ГБ/с в конфигурации 64 ГБ или 128 ГБ.
M1 содержит специализированное оборудование нейронной сети в 16-ядерном Neural Engine, способном выполнять 11 триллионов операций в секунду. [11] Другие компоненты включают процессор сигналов изображения , контроллер хранилища PCIe , контроллер USB4 с поддержкой Thunderbolt 3 и Secure Enclave . M1 Pro, Max и Ultra поддерживают Thunderbolt 4 .
M1 поддерживает кодирование видеокодеков HEVC и H.264 . Он поддерживает декодирование HEVC, H.264 и ProRes . [21] M1 Pro, M1 Max и M1 Ultra оснащены мультимедийным процессором с аппаратным ускорением H.264, HEVC, ProRes и ProRes RAW. Этот медиа-движок включает в себя механизм декодирования видео (у M1 Ultra их два), механизм кодирования видео (у M1 Max их два, а у M1 Ultra — четыре), а также механизм кодирования и декодирования ProRes (опять же, у M1 Max их два, а у M1 Ultra — четыре). У M1 Ultra их четыре). [22] [23]
M1 Max поддерживает режим высокой мощности на 16-дюймовом MacBook Pro для интенсивных задач. [24] M1 Pro поддерживает два дисплея 6K с частотой 60 Гц через Thunderbolt, а M1 Max поддерживает третий дисплей 6K через Thunderbolt и монитор 4K через HDMI 2.0 . [20] Все параметры процессоров M1 Max удваиваются в процессорах M1 Ultra, поскольку по сути это два процессора M1 Max, работающие параллельно; они находятся в одном корпусе (размером больше, чем процессор AMD Ryzen с разъемом AM4 ) [25] и рассматриваются как один процессор в macOS.
M1 показал конкурентоспособную производительность в популярных тестах ( Geekbench 5, Cinebench R23). [26]
Mac Mini 2020 года с M1 потребляет 7 Вт в режиме ожидания и 39 Вт при максимальной нагрузке [27] по сравнению с 20 Вт в режиме ожидания и 122 Вт при максимальной нагрузке у 6-ядерного Intel i7 Mac mini 2018 года. [28] Энергоэффективность M1 увеличивает время автономной работы MacBook на базе M1 на 50 % по сравнению с предыдущими MacBook на базе Intel . [29]
На момент выпуска MacBook Air (M1, 2020 г.) и MacBook Pro (M1, 2020 г.) получили высокую оценку критиков за производительность процессора и время автономной работы, особенно по сравнению с предыдущими MacBook. [30] [31]
После его выпуска некоторые пользователи, заряжавшие устройства M1 через концентраторы USB-C, сообщили о блокировке своего устройства. [37] Сообщается, что причиной этой проблемы были сторонние концентраторы USB-C и док-станции, отличные от Thunderbolt (за исключением собственного ключа Apple). [37] Apple решила эту проблему, заменив материнскую плату и предупредив своих клиентов не заряжать устройства через эти концентраторы. [37] В macOS Big Sur 11.2.2 включено исправление, предотвращающее повреждение моделей MacBook Pro 2019 или более поздних версий, а также моделей MacBook Air 2020 или более поздних версий некоторыми сторонними концентраторами и док-станциями USB-C. [38] [39]
В мае 2021 года было объявлено об ошибке в процессорах M1, получившей название «M1racles». Два изолированных приложения могут обмениваться данными без ведома системы, используя непреднамеренно записываемый регистр процессора в качестве скрытого канала , что нарушает модель безопасности и представляет собой незначительную уязвимость. . Его обнаружил Гектор Мартин , основатель проекта Asahi Linux для Linux на Apple Silicon. [40]
В мае 2022 года было объявлено об уязвимости под названием «Augury», связанной с функцией предварительной выборки , зависящей от памяти данных (DMP) в чипах M1, обнаруженной исследователями из Тель-Авивского университета , Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и Вашингтонского университета . В то время это не считалось существенной угрозой безопасности. [41]
В июне 2022 года исследователи MIT объявили, что обнаружили уязвимость спекулятивного выполнения в чипах M1, которые они назвали «Pacman» в честь кодов аутентификации указателя (PAC). [42] В Apple заявили, что не считают, что это представляет серьезную угрозу для пользователей. [43]
В 2022 году эксплойт, касающийся перевода таблицы страниц M1, был обнаружен Асахи Лина, ютубером и одним из разработчиков Asahi Linux для графического процессора: эксплойт был обнаружен случайно во время первоначальных попыток обратного проектирования графического процессора в середине 2022 года. прямой эфир. Эксплойт включал использование пользователя, имеющего права на чтение и запись прошивки, таблицу поиска перевода страниц Apple, регистры и uPPL. Используя возвратно-ориентированное программирование , эксплойт принял форму шейдера, который включал несколько компонентов в микропоследовательность аппаратного обеспечения, генерировал поддельную таблицу страниц, изменял регистры, чтобы они указывали на новую таблицу страниц, и вызывал таблицу поиска. для выполнения вызова uPPL. Поскольку uPPL имела возможность изменять содержимое таблицы страниц, а таблица поиска имела неограниченную возможность выполнять вызов uPPL, злоумышленник может использовать этот эксплойт для получения привилегий root, когда регистры ссылаются на поддельную таблицу страниц: после Таблица поддельных страниц сопоставляется с оригиналом из-за уязвимости uPPL-таблицы поиска, а регистры сбрасываются, после чего злоумышленник может изменить переменные для запуска от имени пользователя root.
Эксплойт считался уникальным, поскольку он включал использование шейдера вместо более традиционных средств, но эксплойт был отнесен к категории «Атака на устройство через установленное пользователем приложение» и стоил 150 000 долларов.
В сентябре 2023 года было опубликовано полное видео, демонстрирующее всю эксплойт, [44] вместе с веб-сайтом, на котором была информация о том, как работает эксплойт. На сайте также была микропоследовательность, эмулируемая JavaScript, которая демонстрировала каждый этап процесса. [45]
В таблице ниже показаны различные SoC на основе микроархитектур «Firestorm» и «Icestorm». [46] [47]
* (Производительность + Энергоэффективность)
