M1 Ultra就是終極目標解密蘋果電腦芯片三步走計劃

今夜凌晨，蘋果又開了一場“芯片上”的發布會！意料之內，芯片再次成為蘋果春季新品發布中最亮眼的存在；意料之外，傳聞已久的M2芯片沒有登場，反而是M1系列推出旗艦版M1 Ultra，以將兩塊M1芯片“粘”在一起的設計思路，震驚全場。

作為M1系列Mac電腦芯片的第四彈，M1 Ultra成為了蘋果電腦芯片的終極武器。蘋果通過一個三步走的策略，接近實現給Mac兩年換芯的大計，而且幾乎每次都在“干翻”自己，也幾乎每次都在“教”芯片同行做事。

1140億顆晶體管、20核CPU、最高64核GPU、32核神經網絡引擎、2.5TB/s數據傳輸速率、800GB/s內存帶寬、最高128GB統一內存……這些堪稱恐怖的規格全部集聚於一塊“至尊版”電腦芯片上。

至此，蘋果在M1系列電腦芯片棋局上的落子，得以清晰而完整的展現。

▲蘋果M1系列四大芯片，從左至右：M1、M1 Pro、M1 Max、M1 Ultra

好馬配好鞍，M1 Ultra芯片被搭載於單台3萬元起售的台式機主機Mac Studio上，號稱比最快的iMac性能最高提升3.4倍，比頂配Mac Pro性能提升80%。

這是蘋果繼早前圓柱形“垃圾桶”式外形、長方形機箱式外形后，對專業級桌面主機形態的又一次嘗試。雖然外形第一眼看起來像一個加厚版的Mac mini，但其內里從結構到配置則完全不同。

▲Mac Studio

除了首次在頂級專業台式Mac中採用自研M1系列芯片外，蘋果還第一次往顯示器新品Studio Display里塞了一顆A13仿生芯片，A13之前被用在2019年iPhone 11系列智能手機、2021年入門級iPad 9中。

而加入手機SoC級別的芯片，用來強化攝像頭和音箱功能，也是蘋果的顯示器形態的一次新嘗試。不過目前蘋果專業顯示器的天花板仍然是那台售價超4萬元的XDR 6K專業顯示器。

▲Studio Display（圖左）和Mac Studio（圖右）

Mac Studio主機和Studio Display顯示器都從3月10日9點起預購，主機3月18日發售，顯示器則要等獲批后發售。

此外，新款iPad Air 5首次搭載與iPad Pro同款的M1芯片，第三代iPhone SE智能手機也換上了與最新iPhone 13系列同款的A15仿生芯片，兩款新品將從3月11日21點起預購，3月18日發售。

蘋果Mac換芯的策略是什麼？這個性能突破天際的電腦芯片解決了哪些核心難題？下面，芯東西將着重複盤和解讀這背後的技術邏輯。

一、 M1 Max + M1 Max = M1 Ultra

從2020年6月宣布Mac換芯計劃，並在當年11月首推電腦芯片M1，到現在不到兩年的時間，蘋果已接近完成既定的“兩年芯片過渡計劃”，只差最後一款Mac Pro。

去年蘋果推出性能爆棚的M1 Max芯片時，大家普遍以為這已經是M1系列芯片的封頂之作，畢竟M1 Max芯片已經觸及台積電N5製程可製造的極限，面積達到432mm²。

結果，蘋果這次直接掀翻了台式機芯片的天花板，亮出M1系列的真正收官之作——M1 Ultra。

據芯東西得知，M1 Ultra就是蘋果M1系列的最後一顆芯片，不會有第五顆了。而且從一開始，蘋果就有清晰計劃要分為三個階段來將M1用到Mac產品：第一階段，進入到普及性的Mac，包括MacBook Air、Mac Mini乃至入門版MacBook Pro；第二階段，來到更高階的MacBook Pro；第三階段，進入專業級台式機主機，將桌面電腦性能推升到一個新的高度。

M1 Ultra採用台積電5nm工藝，由兩塊M1 Max芯片拼接而成，這樣的“組合”使得其晶體管數量達到1140億顆，這也是蘋果自研芯片的晶體管數量首次突破1000億顆。

該芯片的各項硬件指標也翻番：20核CPU包含16個高性能核心、4個高能效核心；GPU核心數量增至64核；32核神經網絡引擎能夠帶來每秒22萬億次的運算能力；統一內存最高規格達到128GB；內存帶寬提升至800GB/s，達到最新型號台式PC芯片的10倍以上。同時，M1 Ultra最高支持8TB的SSD固態硬盤存儲。

尤其是多die（Multi-die）GPU配置，可以說是做了大膽而驚人的設計，這裡的核心難度在於高端部件通常消耗的內部帶寬過高，超過1TB/s，致使將它們連接起來在技術上很難實現。

像之前Mac Pro中用的傳統多GPU系統，每個GPU都是獨立的。因為帶寬不夠，多個GPU難以在單個圖形任務上進行有效地協同。但如果能通過某種方式將多個GPU藉助die-to-die技術連接起來，就可能在一個任務中同時使用它們。

這是多家芯片公司都在研究的問題，目前看來，蘋果似乎成為了第一家實現目標的公司。

在介紹M1 Ultra前，蘋果高管也就兩塊芯片“粘”在一起的難點賣了個關子，他說直接採用兩塊芯片來增加芯片核心面積的方式很常見，但以前這種做法會增加功耗、拖慢傳輸速率，給開發者增加負擔。

那麼蘋果怎麼做呢？

今天，蘋果揭曉了其秘密武器——UltraFusion。

在對M1 Ultra做規劃時，蘋果考慮到對統一內存的擴充，重點思考了延遲、帶寬、功耗和性能等指標，選擇採用了融合拼接的方式，並與合作夥伴（芯片代工製造方）進行了非常密切的合作，來實現UltraFusion技術的應用。

這裡涉及複雜的技術難關，比如，為了做到統一的架構，上面和下面的芯片延遲需相同，CPU看到的必須是一致的。蘋果要求其延遲不要超過一般的延遲，對性能的影響不到10%。

此前M1系列芯片一直採用蘋果自己定製的封裝方式來實現高速統一內存架構，而UltraFusion作為蘋果創新定製的多晶粒架構，是2.5D先進封裝的一個最新例子。

其基本原理應該是某種硅中介層（interposer）被鋪在兩個M1 Max芯片下面，兩個芯片之間的信號可以通過硅中介層的布線。這使得M1 Ultra芯片可同時傳輸超過10000個信號，其連接密度是現有技術的兩倍，實現高達2.5TB/s低延遲處理器間帶寬，比業內高端多芯片帶寬的4倍還多。

這意味着，M1 Ultra芯片雖然是兩個芯片的組合體，但在工作時會表現出一枚芯片的整體性，被所有軟件識別為一枚完整芯片，開發者無需重寫代碼就能直接運用它的強大性能。

可以說，史無前例。

總而言之，藉助UltraFusion架構，蘋果成為第一家將兩個GPU拼在一起而且實現2.5TB/秒超高傳輸速率的芯片供應商。

蘋果這些不按常理出牌的做法，背後其實是一種以解決問題為第一目的實用主義原則在做指導，比如他們把這個“粘接融合多個芯片”的UltraFusion架構沒有當做一個標準接口，只是他們為了實現M1 Ultra性能功耗目標的一個工具，而如果後面遇到更大的挑戰，說不定還會整出怎樣更腦洞大開的“工具”。

除了這些以外，M1 Ultra內還集成了多種定製的蘋果技術，如能夠同時驅動多台外接顯示器的顯示引擎、雷電4控制器集成、同類最佳的安全技術，包括蘋果最新的安全隔區、基於認證硬件的安全啟動和運行時防漏洞利用技術。

二、性能實測： GPU 功耗遠低於英偉達 3090

蘋果在特定電腦系統上進行了性能測試，大致可以反映Mac Studio、Mac Pro和iMac的性能對比。

參與測試的Mac Studio系統配置為M1 Ultra芯片、128GB RAM、8TB 固態硬盤，Mac Pro系統配備了3.2GHz 16核英特爾Xeon W處理器、192GB RAM、4TB固態硬盤，27英寸iMac系統配備了3.6GHz 10核英特爾Core i9 處理器、128GB RAM、8TB固態硬盤。