Apple — особый игрок на рынке высокотехнологичных устройств. В отличие от конкурентов, эта компания сосредоточилась на премиальных продуктах и объединила различные виды гаджетов в уникальную экосистему. Но куда важнее то, что и процессоры для своих устройств Apple уже много лет проектирует сама. Как появились системы на чипе Apple Silicon и во что они эволюционировали к сегодняшнему дню.

Краткая предыстория

Apple была основана в 1976 году. Компания начала бизнес с производства и продажи персональных компьютеров, и он практически сразу пошел в гору. В 1984 году она разработала свою первую ОС с графическим интерфейсом. С тех пор все новые компьютеры Apple стали оснащаться собственным программным обеспечением, но комплектующие для них продолжали закупаться у сторонних производителей.

За всю историю в компьютерах Apple побывали процессоры и платформы от разных производителей. Сначала это были чипы от MOS Technology. В 1984 году их заменили решения от Motorola, а c 1999 года стали использоваться процессоры Power PC. 2006 год принес Apple очередную смену «железа» — с этого момента «сердцами» ее компьютеров стали знаменитые ЦП Intel Core.

Если бы в 2007 году компания не вышла на рынок смартфонов, то вполне вероятно, что процессоры Intel были бы основой ее ПК до сих пор. Но именно это событие подтолкнуло Apple проектировать и развивать собственные системы на чипе (SoC), которые к сегодняшнему дню являются основой всех устройств «яблочной» компании.

Шаг первый: заказ чипов у Samsung

Решение создать свой первый смартфон iPhone для Apple было непростым. Много лет присутствуя на рынке ПК, компания чувствовала себя на нем как рыба в воде. Однако рынок смартфонов для нее все еще был незнакомым и чуждым. Понимая, что для успеха такого технологически продвинутого гаджета нужен мощный процессор, Apple решила обратиться за его созданием к уже опытной в этом плане компании Samsung.

Плодом этого сотрудничества в 2007 году стала система на чипе S3C6400 (S5L8900). Она производилась по техпроцессу 90 нм, имела процессорное ядро ARM11, графический ускоритель PowerVR MBX Lite и встроенный eDRAM-чип оперативной памяти LPDDR на 128 Мб.

Процессор мог работать на частоте до 666 МГц, но его производительности и без этого было с головой. Поэтому для лучшей автономности гаджета Apple решила ограничить ее на отметке в 412 МГц. Чип вышел удачным и через год без изменений перекочевал во вторую модель iPhone с приставкой «3G».

При проектировании iPhone 3GS у Apple уже не было сомнений в том, у кого заказывать SoC, и она вновь обратилась за этим к Samsung.

Новый смартфон получил чип S5PC100 (S5L8920), выполненный по техпроцессу 65 нм. Его «сердцем» стало более производительное ядро ARM Cortex-A8, оснащенное быстрой графикой PowerVR SGX 535 и 256 Мб памяти LPDDR2. Ради увеличения автономности устройства был повторен старый трюк: SoC мог работать на частоте до 833 МГц, но Apple ограничила его планкой в 600 МГц.

Шаг второй: из заказчика в проектировщика чипов

Набравшись опыта, с 2010 года Apple стала проектировать мобильные чипы сама, у Samsung заказывая лишь их производство. Ее дебютной разработкой стал SoC Apple A4.

Компания не стала «изобретать велосипед»: получив у Samsung доступ к более тонкому техпроцессу 45 нм, она перепроектировала старый SoC от iPhone 3GS под новые технологические нормы. Благодаря этому удалось увеличить частоту работы как графического, так и процессорного ядра — последняя теперь могла достигать 1 ГГц.

Именно на основе A4 Apple выпустила свой дебютный планшет iPad. А спустя некоторое время новый SoC поселился и в iPhone 4. Там его частоту снизили до 800 МГц, но взамен нарастили объем чипа оперативной памяти до 512 Мб.

Не в пример предшественнику, следующий чип A5 стал по-настоящему собственной разработкой Apple. В нем компания объединила два «свежих» ядра ARM Cortex A9 и новую графику PowerVR SGX543 с двумя вычислительными блоками. Техпроцесс производства остался неизменным, поэтому частоты не выросли. Но за счет новых вычислительных архитектур рост производительности оказался внушительным: до двух раз по процессору, и до девяти раз — по графике.

A5 дебютировал в планшете iPad 2, но уже вскоре обосновался и в iPhone 4S. В этот раз оба устройства оснастили 512 Мб ОЗУ, но по частотам чип в смартфоне был снова был «придушен».

В 2012 году для iPad 3 был разработан модифицированный чип A5X — первая модель линейки специально для планшетов. Процессорная часть в нем осталась без изменений, а вот графика и ОЗУ «подросли»: вместо двух блоков PowerVR SGX543 стало использоваться четыре, а шина оперативной памяти была расширена с двух 32-битных каналов до четырех. Оба изменения были вынужденными — новый планшет оснащался экраном с гигантским на тот момент разрешением в 2048х1536 точек, поэтому без кратного ускорения графики невозможно было обеспечить его плавную работу.

Шаг третий: собственные вычислительные ядра

До 2012 года Apple проектировала чипы из ядер, графики и прочих компонентов от сторонних разработчиков. Тем же самым занимались и множество других производителей чипов, кроме Qualcomm. Но компания понимала, что на одной только оптимизации iOS далеко не уедешь, и для отрыва от конкурентов нужно использовать более быстрые решения.

Первые шаги в этом направлении были сделаны в 2012 году, с запуском iPhone 5. Смартфон получил чип Apple A6, в котором скрывались первые вычислительные ядра собственной разработки — Swift. Сочетая элементы ядер ARM Cortex-A9 и Cortex-A15 на техпроцессе 32 нм, Apple удалось получить энергоэффективное решение, которое оказалось в полтора раза быстрее стандартного Cortex-A9. По сравнению с предшественником, чип A6 обеспечил ускорение вычислений до двух с половиной раз, в том числе за счет роста частоты до 1,3 ГГц.

Но гораздо более важным прорывом стало следующее ядро Apple — Cyclone. Оно было разработано с нуля и стало первым ядром для мобильных устройств, в котором появились поддержка 64-битных вычислений и нетипично широкий шестиполосный декодер инструкций. SoC Apple A7, в состав которого вошли два таких ядра, компания назвала своим первым «процессором десктопного класса».

Работая на той же частоте, что и A6, новый чип показал практически двукратный прирост скорости даже в приложениях, еще не оптимизированных под все его особенности. Став основой iPhone 5s и iPad Air, SoC A7 обеспечил им достаточный запас производительности на несколько лет вперед.

Apple взялась за дальнейшую модернизацию своего ядра и в следующих системах на чипе получила не менее впечатляющие результаты. A8 обогнал прошлое поколение на четверть, а чип A9, получивший более широкий восьмиполосный декодер, оторвался от своего предшественника еще на 60–70 %. К тому же именно в A9 Apple впервые внедрила собственный контроллер постоянной памяти. С тех пор все ее SoC оснащаются высокоскоростной постоянной памятью, подключаемой по протоколу NVMe.

Быстрые ядра Apple уже вряд ли кому-то было догнать, но энергоэффективностью они не блистали. Глядя на производителей других мобильных SoC, к тому времени уже активно использовавших систему bigLITTLE с двумя типами ядер, в 2016 году компания решается применить схожий подход. Новый чип A10 Fusion она впервые оснащает четырьмя ядрами: двумя быстрыми Hurricane и двумя экономичными Zephyr. За счет добавления экономичных ядер скорость многопоточных вычислений выросла на 40 %.

Помимо этого, SoC A10 ознаменовал собой важное для Apple событие. Еще в прошлом поколении чипов она поделила заказы на их производство между тайваньской компанией TSMC и южнокорейской Samsung, а теперь полностью отказалась от услуг последней.

Шаг четвертый: собственное графическое ядро и NPU

Вычислительные ядра у Apple уже были свои, но в качестве графики для чипов она все так же продолжала использовать ГП PowerVR от Imagination Technologies.

Последняя всегда старалась поставлять «яблоку» свои самые актуальные и производительные решения. Так, в чипе A7 первым появился ГП на основе PowerVR Series 6. Именно благодаря ему стал развиваться собственный графический API Apple — Metal. А в SoC A9 дебютировала графика PowerVR Series 7, принесшая iPhone ощутимый рост производительности в играх и поддержку тесселяции.

К 2016 году графика PowerVR постепенно исчезла из SoC других производителей. На ОС Android она была непопулярна, и кроме Apple ни один другой крупный игрок рынке ее уже не использовал. Компания воспользовалась этим, переманив ключевых инженеров Imagination Technologies к себе.

Благодаря этому в 2017 году на свет появился чип A11 Bionic с собственной графикой Apple, получившей незатейливое название «Apple GPU». Помимо графики, еще одним ключевым изменением в нем стало появление собственного нейронного процессора Apple — Neural Engine.

Аналогично PowerVR GT7600 из чипа A10, графика в A11 состояла из 192 универсальных шейдерных процессоров. Однако компания изменила их группировку: если у PowerVR один вычислительный блок (ядро) состоял из 32 шейдеров, то в блоке Apple GPU первого поколения их стало вдвое больше. За счет этого общее количество шейдеров сохранилось, но самих блоков ГП в A11 стало меньше: три против шести. Основной рост производительности же был достигнут за счет применения новой ОЗУ LPDDR4X и заметного роста частоты графического ядра: с 650 МГц в A10 до 1066 МГц в A11.

В следующих поколениях SoC Apple понемногу совершенствовала архитектуру графики, планомерно наращивала ее тактовую частоту и количество вычислительных блоков. Так, в A12, A13 и A14 их стало по четыре. Заметные изменения принес чип A15: в нем количество шейдеров на каждый блок было увеличено с 64 до 128, а самих вычислительных блоков стало пять. Ну, а современную главу графики Apple в 2023 году открыл SoC A17 Pro, получивший шесть блоков графики и поддержку аппаратной трассировки лучей.

Финальный шаг: чипы для ПК и ноутбуков

После дебюта ядра Cyclone в 2013 году Apple стала вынашивать идею разработки собственных процессоров для компьютеров Mac. И вскоре застой однопоточной производительности десктопных ЦП сыграл ей на руку. Уже в 2018 году при внутренних тестах компания обнаружила, что ее новые производительные ядра Vortex довольно близки в тестах к ядрам процессоров Intel и AMD.

Однако в чипах A-серии для смартфонов таких ядер было мало — всего два. Компания решила опробовать возможность их увеличения в чипе A12X, ставшего основой для iPad Pro третьего поколения. Новый SoC получил по четыре быстрых и четыре экономичных ядра, а ширина шины памяти и количество блоков графики по сравнению со смартфонным A12 в нем были удвоены. Результат не заставил ждать: прирост производительности лишь немногим не достиг двукратного.

C этим чипом в июне 2020 года Apple представила новый комплект для разработчиков. А уже в ноябре она выпустила первые ноутбуки MacBook на SoC следующего поколения — M1. Компания оснастила его аналогичной конфигурацией, но с более быстрыми ядрами, графикой и оперативной памятью.

Apple изначально спроектировала новый чип с учетом возможностей легкого масштабирования. Поэтому уже через год после успешного запуска M1 свет увидело его дальнейшее продолжение в лице более производительных M1 Pro и M1 Max. А в 2022 году появился самый монструозный M1 Ultra — SoC с 16 производительными ядрами, 64 блоками графики и огромной 1024-битной шиной ОЗУ. Таким образом, с этого момента у Apple появились собственные процессоры для всех своих компьютеров — от базового MacBook Air до мощного Mac Pro.

В июне 2022 года компания выпустила преемника M1 — SoC M2. А спустя год чипы этой линейки полностью вытеснили процессоры Intel из компьютеров Apple. Поэтому к сегодняшнему дню сердцами всех актуальных «яблочных» устройств стали собственные системы на чипе Apple Silicon.

Современные чипы Apple Silicon

В отличие от прочих производителей процессоров и SoC, Apple не разрабатывает широкого ассортимента систем на чипе. Каждый год она выпускает линейки разнообразных устройств на новых производительных чипах, а их предшественники понемногу спускаются в более низкий ценовой сегмент.

В таблицах ниже можно увидеть основные характеристики и результаты в бенчмарках актуальных систем на чипе Apple.

Стоит помнить, что сравнивать результаты SoC Apple и процессоров других производителей на Android/Windows устройствах можно только для того, чтобы сложить общее представление о их производительности. При схожем количестве баллов те же программы и игры на «яблочных» устройствах (если они там есть) могут работать немного быстрее. Это достигается за счет того, что Apple использует собственные ОС со множеством оптимизаций под свои чипы.

* в некоторых моделях устройств не все блоки ГП активны

** начиная с поколения M3, у некоторых устройств может использоваться урезанная шина памяти

*** результат для конфигурации с максимальным количество ядер/вычислительных блоков

Помимо мощных SoC для смартфонов, планшетов, ноутбуков и ПК, Apple разрабатывает множество других небольших чипов. Они используются в следующих устройствах компании:

• SoC Apple серии S — в умных часах и колонках.

• SoC Apple серии H — в беспроводных наушниках.

• SoC Apple серии U — чипы широкополосной связи (UWB) в смартфонах, умных колонках и беспроводных наушниках.

• SoC Apple серии W — модули беспроводной связи в умных часах.

• SoC Apple серии N — модули беспроводной связи в смартфонах.

• SoC Apple серии C — сотовые модемы в смартфонах.

Итоги

Apple Silicon — не просто одна из линеек современных систем на чипе, а их целая династия. К сегодняшнему дню эти SoC проникли во все продукты «яблочной» компании, обеспечивая их высокой производительностью и самыми современными функциями.

Apple самостоятельно проектирует ключевые узлы и дизайн своих устройств, снабжая их операционными системами собственной разработки. Такое до сих пор не под силу ни одному из прочих игроков рынка. Но здесь кроются как множество плюсов, так и один жирный минус: закрытость «яблочной» экосистемы вкупе с отсутствием многих программ и игр. Именно поэтому, несмотря на всю свою мощь и оптимизацию, устройства от Apple подойдут не каждому пользователю.