從蘋果 M1 晶片檢視台積電製程的威力

一言以蔽之，一起採用「高效能大核」Firestorm 和「低功耗小核」Icestorm 的蘋果 A14 和 M1 處理器，效能強大的根基，在於至今世界最先進的泛用處理器製程：台積電 5 奈米（N5）。

筆者也在上一篇《從各種角度檢視 Apple Silicon M1 的優劣勢與真正造成的影響》，簡單列出蘋果 M1 和英特爾 Tiger Lake-U（10 奈米 SuperFin）與 AMD Zen 3 CCD（台積電 7 奈米）的電晶體數、晶粒面積、晶片內容物。

只要認真看過那些冷冰冰的數字，並沒有完全拋棄知識、常識和理智，就算再怎麼迷信蘋果「神蹟」的果粉，都不得不承認，台積電的先進製程（以及合作的 EDA 工具廠商）才是這次蘋果 M1 出色跑分數據的根本原因，除了「軟體生態系統純 64 位元」，其他講再多，都只顯得多餘。

但台積電 5 奈米製程的威力究竟有多驚人，就是很值得仔細抽絲剝繭的話題了。我們先比較一下系出同源的 A14 和 M1，看看兩者的差別。

Apple M1 仍未最佳化、電晶體密度精人

從某個小地方也可察覺到蘋果為了節省開發時程，M1 設計其實也未徹底最佳化，像 M1 的 L2 快取從 A14 的 8MB 擴張到 12MB，但只要資料量超過 8MB，性能就會開始下滑，代表那塊多出來的 4MB 是「外掛」的（或講精確一點，快取內部也是會「分區」），或許稱之為「L2.5 快取」會比較符合事實。

總之，只要對數字有點敏感度，這兩者的差別會讓人越想越覺得毛骨悚然：這等於變相顯示，在 31 平方公釐（119~88）面積內，可塞入多達 42 億電晶體（160~118），裡面包括「兩個 Firestorm 核心、4MB L2 快取記憶體、四個 GPU 核心、一個 64 位元 LPDDR4X 記憶體控制器、Thunderbolt 3 和 USB 4」。這根本就是效能頗具水準的系統單晶片了。

這又讓筆者極度好奇，當年盲目追求「簡單、迅速、便宜」的威盛 Centaur 團隊，拚死拚活犧牲一切的效能競爭力，把 x86 處理器的晶粒面積壓縮到 31.7 平方公釐（VIA C7），看到這個景象，會做何感想。算了，P.A Semi 和 Centaur 的「格局、檔次、等級」，本來就天差地遠。

我們再比較一下蘋果、英特爾和 AMD 的相關數字，就會得到更清晰的全貌。因為英特爾很久很久都拒絕透露處理器的電晶體數目和晶粒面積（外界都從照片和論文推測），所以根據已知資料估算，如「10 奈米密度是 14 奈米的 2.7 倍」之類的，但基本上八九不離十。

這裡就可得到不少有趣的結論了。各家廠商都有公佈電晶體密度的理論極限值，但基於各式各樣的因素，實際數據都呈現巨大落差，也或多或少反映不同廠商的製程發展方向。請注意，這張表只有提及「密度」，沒有談到「性能」。

5 奈米下的 M1 高密度電晶體其來何自？

首先，我們很明顯可看到，蘋果靠著台積電 5 奈米獲得的壓倒性電晶體密度。但同樣台積電 7 奈米的蘋果 A13 和 AMD Zen 3 CCD，卻出現驚人的差距，幾乎差了一倍，更何況乍看之下，AMD Zen 3 CCD 結構看似更單純，也有更高比例的 SRAM 快取，應該更利於提高密度，但結果卻適得其反。

不過，有三個理由足以有力解釋這現象：

• AMD 是高時脈又兼具同時多執行緒（SMT）的微架構，光考慮功耗問題，就會把密度往下拉，多核心之間的走線也會吃掉一堆空間。

• AMD 的 Infinity Fabric 也是關鍵性因素，像 AMD Zen 家族之所以能實作精密電源管理和精細時脈調控，透過 Infinity Fabric 連接 CCD 內龐大近 3 千個感測器（電源、熱量、關鍵路徑）實功不可沒，這些也會影響到電晶體密度。也因此，AMD 新世代消費型繪圖核心旗艦 Navi 21，運行時脈不高，更包含 128MB 容量的 Infinity Cache，但電晶體密度也只有 0.515 億／mm²（268億／520mm²）。

• 更有可能的高度性假設：蘋果和 AMD 的 7 奈米製程，本來就是「不一樣的東西」，這猜測的真實性，也只有台積電自己才知曉。

反過來說，台積電的製程長期針對手機處理器的低功耗、低成本需求最佳化，電晶體的「效能」能否壓倒英特爾（一直追求極致效能）和三星（手上還有 IBM 高階處理器訂單），也是值得觀察的重點。天下沒有白吃的午餐，雖然台積電的密度遠勝競爭者，但會為此付出的代價，想必 AMD 一定非常關心，也讓人特別期待 AMD Zen 4 世代（台積電 5 奈米）的表現，畢竟蘋果已幫他們「代繳」不少學費了。英特爾是否能順利「轉單」給台積電，更是眾人注目的焦點。

Benchmark 的陷阱

最後，筆者順便談一下先前諸多蘋果 M1 跑分評測的盲點：用懶人愛用的 CineBench R23 單執行緒效能測試，看到 M1 比肩英特爾 Tiger Lake 和 AMD Zen 3，就讓一堆人集體高潮，卻忘記一件非常重要的事：這測試方法根本就沒有充分發揮近代 x86 處理器具備 SMT（同時多執行緒）的實際能耐，封印了 20%~30% 效能。無論英特爾還是 AMD，一啟動 SMT 後，前陣子很「唱秋」的蘋果 M1，馬上被 x86 雙雄甩開，而英特爾 Tiger Lake 的 Willow Cove 微架構，表現更是一枝獨秀，無愧明顯超越 AMD Zen 3 的規格。

照理說，蘋果的自家 ARM 指令集相容處理器微架構，有鑑於內部執行單元也是「寬到不行」，應蘊含讓 SMT 大顯身手、徹底壓榨利用率的潛能。但如同 x86 雙雄須透過個人電腦市場「攤平」研發成本，而難以打造真正為高階伺服器量身訂做的微架構和系統平台（AMD Opteron 全盛期，與 IBM Power 共用系統架構的傳言從來沒停過），會激增耗電量和產品驗證複雜度的 SMT，也難以引進以手機為優先的 Apple Silicon。所以說短期內，蘋果也不是毫無包袱，這場壁壘分明兩陣營的隔空較量，後面還有得瞧。

（首圖來源：蘋果）