最新のMacに搭載されているM1チップは何なのか。その謎を紐解いてみる（ホンダ雅一）

Apple自体のプロセッサを搭載したMac。果たしてそのプロセッサはどのように仕上げされるか。

搭載されたMac自体にも注目していたが、やはり「自分がの意味」を探るなら、その関心は、必然的に、プロセッサの性能に集まる。そして、実際に発表された製品は、Mac用ののApple Silicon = Apple M1チップをより一層引き立てている。

Appleは、「最新のノートパソコンと比較して」という表現で、消費電力を10ワットに設定した場合のCPUとGPUの性能がすべて2倍になると発表した。CPUに関しては、「最新のノートパソコンの最大性能と同等の性能を「 CPUは25％、GPUは33％の電力を発揮することができているとも言う。

この最新のノートパソコンは、Intel Core i7-1165G7を搭載したノートパソコンで、11世代Intel CoreとXeグラフィックス・アーキテクチャを採用した最新モデルである。彼らの主張が正しければ、ワット当たりの性能で他のノートパソコンの重要な利点を持つことになる。

今回発表されたMacBook Air、MacBook Pro、Mac miniの外見がすべて従来モデルと同じであるインテルのバージョンとの圧倒的な違いを感じさせたからではないか？疑いたくなるほどの違いである。すべて同じケースの中に含まれているにもかかわらず、MacBook Airに至っては、冷却ファンなしでインテルのバージョンよりも高性能。冷却ファンを備えMacBook ProまたはMac miniでもその差は縮まらない拡張性がある。もしデザインを変えていれば、ここまで両者の違いを際立たせすることはできなかっただろう。

ところで、各製品の考証は、実機評価で探求として、ここでは「M1」にフォーカスして、このSoCはMacに何が起こるかを考えてみることにしよう。

M1がA14X Bionicではない理由

筆者自身がそうだったが、最初のMacはA14X Bionic、すなわちCPUとGPUのコア数を増やした強化バージョンA14 Bionicが搭載されるだろうと考えた。しかし、登場したのは「M1」というチップ。おそらくiPad Pro用にはA14Xという名前が使用されることが考えられるが、実はM1という名称が使用されるのには理由がある。

これは、 “M1はA14 Bionicの拡張版ではなく、”もの。 M1は、Appleが付いている最新の回路を再構成Mac用にまとめ、再したものである。もちろん、Appleが開発した最新の回路（構成要素）は、A14 Bionicで開発されたものと同じ部分も多い。高性能コアと高効率コア、16コアNeural Engine GPUコアは、ISPなどは、同じデザインだが、M1は、同じ高性能コアが4つのGPUコアが8個搭載され、それぞれA14 Bionicに倍増しているGPUコアの倍増により、メモリ帯域幅が2倍になっている。このあたりは、A12 BionicとA12Z Bionicの関係と似ている。

しかし、MacでiPhoneやiPadから不要な機能も要求される。そのうちの一つは、仮想化、M1は、仮想マシンを移動する機能が追加されている（ただし、x86プロセッサの仮想化ではない。あくまでも命令セットは、ARMである）。 GPUのアーキテクチャは同じだが、より多くのテクスチャフォーマットに対応しているという。これは、PC用ゲームなどをサポートするコアとなるだろう。同様A14 Bionicには搭載されていないことがThunderbolt 3 / USB 4のインターフェースである。

つまり、iPhone / iPad用に開発されたデザインを最大限に活用構成要素として使用してはいるが、それだけが全てではなく、Macに必要な要素をすべて同じダイに収めたもの。これからiPad Proモデルチェンジ時、このままM1が使用されるか、別A14X Bionicが作られるのかは、わかりませんが、とにかくもM1は、Mac特有の要素が含まれた専用プロセッサであることは間違いない。

熱設計動的に変化する性能。 M1のスペックは “1”だけ

今回登場した3種類のMacの両方にM1が搭載されているが、GPUのコア数が制限されているMacBook Airのエントリーモデルを除けば、その仕様は、単一のである。いくつかのモデルに搭載されていることもM1であり、そこに動作クロック周波数は、記載されていない。なぜなら、最大動作クロック周波数は同じ（公開されないので、実機で測定し、未知の）だからだ。正確に言えば動作クロック周波数の範囲が同じだということである。

最新の第11世代Intel Coreがそうであるように、M1も搭載され、システムの冷却性能と動作環境（温度など）のアプリケーションの動作状況に応じて動的に動作クロックが変化する。つまりファンがない薄いMacBook AirにもミニデスクトップのMac miniにもM1そのものは同じ瞬発力ではほぼ同等であると考えてよい。しかし、マルチスレッドコアがフル稼働してGPUも最後まで回すゲームアプリケーションがあるとすれば、それは冷却能力に余裕があるMac miniのほうが性能を出すことができる、といった具合になる。

電力性能が支配する現代のプロセッサ事情を考えると、このような構成は、十分に可能である。しかし、視点を変えれば、このような方法があるのは、Appleがコンピュータシステムを開発、販売している会社だから言うことができる。

IntelをはじめとするCPUメーカーは、今までに完成されたチップを選別して、パフォーマンスを分類し評価について異なる価格で販売してきた。しかし、最終的な製品のみを販売していAppleにとって、このような選別による価格ラインナップを作る意味はあまりなく、むしろ設計に応じてパフォーマンスが変化することが自然だろう。

共有メモリのSoCので、高性能と制限

さて、M1が節電高性能理由は、iPhoneで磨き上げた統合システムチップ（SoC）アーキテクチャを導入しているからである。 iPhone用SoCは、統合処理回路の自社開発を進めていき、他の目的のための処理回路が同じメモリを共有、共同作業システムアーキテクチャの完成度を高めてきた。共有メモリアーキテクチャ（UMA）は、CPUとGPUは、そこに機械学習モデルの推論アルゴリズム専用プロセッサ（Neural Engine）を並列に動作させるために非常に効率的である。

特にGPUを汎用的に活用する場合、GPUで処理した結果を反映するために、ビデオメモリにデータをロードして処理して、メモリにそして再び同じことをしては効率が悪い。同じデータに対してどのようなときは、CPU、ある時はGPUある時Neural EngineどのようなときISP式にそれぞれ専門とするプロセッサがアクセスすることができるのがいい。同じテーブルを囲んで、複数の専門家が情報を処理することと、メールでやりとりしながら作業を回すとすることが、どちらが効率的られる明らかである。

効率が良いのは、消費電力の面でも有利なもの。設計自体の利点とA13世代に導入して、繊細な電源管理機能なども功を奏しているのだが、UMA消費電力低減に寄与しているのだ。コア数を増やして処理能力向上SoC内部の相互接続の帯域幅を上げるだけで、コア数に応じてパフォーマンスを向上させることもUMA優位かもしれない。

しかし、UMAだから制約もある。それ搭載メモリ容量である。 UMAのパフォーマンスを得るため、各処理回路が共有するメモリ帯域幅が十分に広くなければならない。 M1がDRAMをSIP（システムインパッケージ）の形で一つのパッケージに封入されているメモリの帯域幅を最大化するためであると推測される。

低コストの側面でApple Silicon化する理由

つまり、同じパッケージに搭載することができる程度までしか、メインメモリを搭載することができないもので、今回その経済的に妥当なラインが最大16GBだったのだ。今後、さらに上位の製品までApple Mプロセッサが使用されるかどうかは、メインメモリの容量の増加が必要になると思われる。

同様に、I / Oインタフェースまでのチップに統合することは利点もあるが、これは弱点にもなることができる。 M1はThunderbolt 3 / USB 4ポートを二つしかサポートしていない。これはM1にインターフェイスをキャプチャしているが、そのサポートチャネルが2つまでのようなものと予想される。一つのパッケージとしてシステムの大部分を統合するという概念は、パフォーマンス、電力、セキュリティなど、すべての面で有利するが、一方で大規模なシステムを作るの障害は高まるだろう。

このため、Appleは、MacBook Airは、全面的にM1に移行しているが、MacBook Pro 13インチモデルの下位モデル（Thunderbolt 3×2ポートモデル）のみ。 Mac miniもThunderbolt 3 4ポート – Intel搭載モデルが並行される。

すべて最大メモリや搭載可能なSSDの容量などにも違いがある。シンプルなCPU / GPU性能だけならNeural Engine搭載の意味などを考えると、より大胆にApple Siliconに切り替えても良いようだが、ラインナップの一部であり、もっと言えば仕様で低いところから導入しているCPU / GPU性能だけでなく、すべての面でのシステムの拡張性が制限されているからだろう。

Appleは、2年に渡ってラインナップ一新を図っと話しており、Mac Proを置き換えるまではまだしばらく時間がかかることが明らかである。

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