Mac на ARM: зачем Apple перешла на собственные процессоры, в чём разница с Intel и ​что изменится для пользователей

Старые Mac не перестанут работать в одночасье, macOS будет поддерживать оба типа процессоров, а переход займёт не один год.

22 июня на конференции для разработчиков WWDC 2020 Apple объявила, что перейдёт на процессоры собственной разработки во всех компьютерах Mac, включая MacBook Air, Pro, iMac, и Mac Pro. В течение двух лет компания откажется от готовых решений Intel и начнёт использовать чипы на базе ARM-архитектуры.

Первый компьютер на собственном процессоре Apple хочет выпустить в конце 2020 года, а macOS Big Sur уже поддерживает новые чипы. Редактор TJ рассказывает, почему владельцам Mac на Intel пока не стоит переживать, зачем Apple понадобился переход и как он будет происходить.

SoC расшифровывается как «система на чипе» (System-on-a-Chip), их ещё называют «однокристальными» системами. Зачастую такие процессоры используют в портативной электронике из-за их компактности, низкого энергопотребления и экономии.

Процессоры для ПК обычно тоже содержат один чип, но только с самим процессором. В то же время в одном SoC может быть сразу множество компонентов, включая графику, модем, отдельные модули для специфических задач и не только.

Apple использует SoC-чипы как минимум с момента выхода первого iPhone в 2007 году. Первые айфоны компания выпускала с процессорами Samsung, потом лицензировала готовые решения ARM, а с 2012 года сама разрабатывает чипы на базе ARM и планирует устанавливать их в новые Mac.

ARM-чипы исторически отличались от Intel архитектурой. В основе работы любого процессора лежит набор команд — элементарные операции, которые способен выполнить чип, например, перемещение данных или базовые вычисления. Язык программирования на таких инструкциях называют языком ассемблера.

Процессоры ARM создавали на архитектуре RISC («вычисления с упрощённым набором команд», reduced instruction set computing), аббревиатура даже расшифровывается как Advanced RISC Machine. А x86-чипы от Intel относились к CISC-архитектуре («вычисления со сложным набором команд», complex instruction set computing).

Цель RISC — свести всё к настолько элементарным командам, чтобы любую задачу можно было выполнить за один такт процессора, то есть за временной промежуток, синхронизирующий выполнение всех операций. CISC-процессоры основаны на противоположном принципе: они используют более сложные команды и исполняют их в течение нескольких тактов.

Если CISC-процессору нужно умножить два числа, достаточно запустить одну команду MULT: она загрузит числа из памяти, умножит их и сохранит результат в нужную ячейку. В случае с RISC-чипом для той же операции потребуется намного больше шагов: сначала нужно отдельной командой LOAD переместить числа из регистров в исполнительный блок, затем командой PROD умножить их, а потом с помощью STOR разместить результат в нужном регистре.

В этом случае может показаться, что CISC — более эффективная архитектура, потому что её команды выглядят проще. Но это впечатление обманчиво: процессоры такого типа исполняют задачи в несколько тактов, а RISC-чипы всегда выполняют каждую задачу в один тактовый цикл. Таким образом гипотетическая команда умножения может занять одинаковое количество циклов для обеих архитектур.

У CISC есть свои преимущества. В первую очередь, они быстрее справляются с переводом высокоуровневых языков программирования вроде «C» на язык ассемблера, понятный машине. Кроме того, команды CISC сложнее и позволяют выполнять сразу несколько операций за раз без ограничения по тактам процессора. Поэтому такие процессоры были популярны в настольных ПК или ноутбуках, где не нужно было так экономить энергию или место.

Однако команды всех процессоров задействуют транзисторы, а так как у CISC-чипов команды сложнее — они занимали больше физического места, чем RISС. Из этого вытекали ключевые преимущества RISC-чипов — у них меньше транзисторов, а значит они занимают меньше места, потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла.

Однако со временем RISC-архитектура победила. В более поздних процессорах Intel внедрила RISC-ядра, хотя сами чипы остались CISC-совместимы — сложный набор команд в них преобразовывается в набор внутренних RISC-инструкций.

Но ARM всё равно стал идеальным вариантом для портативной электроники с её строгими требованиями по теплоотводу (TDP) на уровне 3,5 Ватт и отсутствием активного охлаждения. Пока Intel двигалась от «большого» к «малому», ужимая серверные процессоры до стандартов потребительской электроники, ARM-чипы развивались наоборот — масштабируясь от самых сильных ограничений до высокопроизводительных систем.

На момент написания этого материала самый быстрый суперкомпьютер в мире работал на процессорах ARM. При этом до сих пор ARM не получил широкого распространения в настольных системах, а процессоры Intel исторически хуже работают в условиях низкого уровня теплоотвода.

По данным источников Bloomberg, причиной перехода Apple на собственные процессоры в Mac стали проблемы с приростом производительности Intel. Собеседники издания утверждали, что из-за этого компании приходится пересматривать планы на выпуск макбуков и даже отказываться от некоторых устройств.

В последние годы Intel действительно испытывала проблемы с приростом производительности. Во многом из-за того, что компания застряла на старом техпроцессе — этот показатель отражает плотность «упаковки» процессора: чем меньше значение, тем больше транзисторов помещается на чипе. Хотя компания утверждает, что несколько раз оптимизировала процесс, а мобильные процессоры производит по стандарту 10-нм, этого оказалось недостаточно.

Кроме того, Apple уже многие годы снижает зависимость от сторонних поставщиков и чужих технологий. Сильнее всего это видно по айфонам: сначала в них использовали процессоры Samsung, модемы Qualcomm, графику Imagination Technologies, а в итоге Apple начала разрабатывать все эти компоненты сама.

Переход на ARM в Mac выгоден Apple ещё и потому, что так компания получит полный контроль над ключевым аппаратным компонентом. Раньше Apple получала готовый чип от Intel, с которым не могла больше ничего сделать — вокруг него приходилось выстраивать все остальные процессы.

В отличие от Intel или AMD, ARM продаёт не сами процессоры, а лицензию на использование архитектуры. Поэтому Apple не будет ограничена чужим техпроцессом и сможет сделать чип под собственные нужды — как и в случае с айфонами.

Компания ещё во время презентации на WWDC 2020 объяснила, что хочет добиться более низкого энергопотребления и одновременно увеличить производительность. По задумке Apple компьютеры Mac с собственными чипами должны превзойти как нынешние ноутбуки, так и настольные решения — они будут потреблять меньше энергии, чем ноутбуки, но быстрее работать.

Пока это смелое утверждение, которое невозможно проверить, но в обзоре на iPad Pro c клавиатурой Magic Keyboard я писал, что планшеты Apple уже догнали базовые версии макбуков в повседневных задачах. В чём-то они оказываются даже удобнее: например, не перегреваются и не начинают тормозить из-за плохого охлаждения, а время работы у них примерно одинаковое, хотя iPad Pro намного портативнее.

ARM-архитектура действительно может исправить проблемы и во многом улучшить макбуки. Как минимум можно рассчитывать на отсутствие троттлинга (замедление процессора) из-за плохого охлаждения, куда более мощную встроенную графику и избавление от перегревов.

Макбукам все эти изменения могут пойти лишь на пользу: в последние годы устройства как будто топтались на месте и получали всё меньше заметных нововведений. Кроме того, благодаря собственным процессорам Apple может начать внедрять в устройства уникальные возможности, доступные только в Mac.

Во время презентации компания уже показала небольшой тизер о том, чего ждать от новых чипов: нейронного процессора Neural Engine и ускорителей машинного обучения, обработки изображений с камеры высокого качества, контроллера производительности, высокопроизводительной DRAM, криптографических ускорителей и не только.

Пожалуй, главное преимущество перехода на собственные чипы для Apple — замыкание экосистемы. Mac оставались единственными устройствами компании, при создании которых она зависела от кого-то ещё и не контролировала целиком и аппаратную, и программную части.

Теперь у всех продуктов Apple будет единая архитектура, а значит упростится разработка под всю экосистему. Можно будет создавать кросс-платформенные приложения, которые будут работать одновременно на макбуках, айфонах и айпадах без дополнительных модификаций.

Есть и другой неочевидный плюс для Apple — снижение стоимости комплектующих. Если до этого компания зависела от цен Intel, то теперь будет значительно экономить. С другой стороны, затраты на исследования и разработку своих чипов могут перекрыть эти деньги.

Главным вопросом остаётся производительность: среди экспертов нет единого мнения, какая архитектура лучше, потому что они заточены под разное применение. Насколько хорошо будут работать новые ARM-чипы в Mac можно только гадать, но на примере айфонов Apple уже доказала, что способна обеспечить высокую производительность, если создаёт и железо, и софт.

Аналитики предполагают, что в ноутбуках компания будет стремиться выдержать баланс между производительностью и энергопотреблением. А для более массивных настольных компьютеров Mac, вероятно, выпустят отдельную линейку процессоров с максимальной мощностью.

Пока единственным способом хоть немного понять, как будут работать новые Mac выступает Development Transition Kit — специальная версия Mac mini на процессоре A12Z, как у iPad Pro 2020. Устройство выпустили только для разработчиков, получить его могут не все, за это нужно заплатить 500 долларов, а в конце года вернуть сэмпл.

Все разработчики, получившие DTK, подписывали NDA (соглашение о неразглашении), но некоторые, видимо, его нарушили. Так в сети оказались результаты первых тестов: судя по ним, не самый последний чип Apple, который создавали для планшетов, в режиме совместимости показывает результаты, близкие к MacBook Air 2020 года на процессоре Intel Core i5.

При этом Apple не первая на рынке, кто начал использовать ARM-процессоры на настольных устройствах. Microsoft перешла на чипы собственной разработки в 2019 году, выпустив Surface Pro X и Surface Laptop 3 с процессором SQ1, созданным совместно с Qualcomm.

Однако, как отмечали журналисты, пользовавшиеся устройствами, они работают медленнее, чем устройства на Intel-процессорах. Кроме того, из-за поддержки двух архитектур разработчики уделяют больше внимания более распространённой, поэтому с Surface на ARM могут возникать технические неудобства.

Судя по первым тестам, Development Transition Kit даже на процессоре двухлетней давности, эмулируя код, показал лучший результат, чем Surface Pro X, который исполнял его нативно.

Apple не в первый раз меняет процессоры в Mac: это уже происходило дважды — в 1994 и 2005 годах. До Intel компьютеры компании уже даже работали на RISC-чипах — раньше компания использовала Power PC, которые создавала совместно с Motorola и IBM.

От них отказались в 2005 году, когда Стив Джобс на очередной WWDC объявил о переходе на Intel. Причиной называли те же ограничения производительности процессоров для будущих продуктов, а также проблемы с выработкой тепла и потреблением энергии.

Apple ещё тогда отработала процессы по смене чипов, поэтому очень легко представить, что будет происходить в ближайшее время. Во время презентации на WWDC 2020 Тим Кук объявил, что переход займёт два года, при этом первый компьютер с новыми процессорами выпустят в конце 2020 года.

Почти так же было с Power PC: тогда переход должен был занять 1,5 года, но в итоге произошёл чуть больше чем за год, а первое устройство на Intel выпустили уже в январе 2006 года. Вероятно, и сейчас процесс пройдёт быстрее, чем объявили в компании.

В то же время Apple утверждает, что пока не отказывается от платформы Intel насовсем и разрабатывает устройства с планом выпускать их «на годы вперёд». Тем, кто уже купил Mac на Intel, вряд ли стоит переживать: они получат поддержку и macOS Big Sur, и следующих версий системы — Power PC перестали поддерживать только спустя три года после перехода на Intel.

Платформу Intel разработчики явно пока не бросят: сейчас все приложения адаптированы только под работу с ней. На время перехода Apple призывает использовать инструменты Universal и Rosetta, известные ещё по отказу от Power PC.

Rosetta 2 представляет собой новую версию переводчика команд. Она будет адаптировать код приложений под новую архитектуру чипов Apple на лету в процессе установки. Таким образом новые компьютеры будут поддерживать все старые приложения, но в режиме эмуляции — то есть с урезанной производительностью и без поддержки новых аппаратных возможностей.

Инструмент Universal 2 позволит поддерживать компьютеры на процессорах Intel, когда разработчики переориентируются на чипы Apple. Они смогут создавать приложения, которые будут использовать все новые возможности Mac, но при этом будут поддерживать и старые устройства на Intel.

Для полной нативной поддержки новых чипов разработчикам ПО придётся выпускать новые версии программ. И хотя Apple говорит, что большинство команд смогут сделать это за несколько дней, скорее всего, у многих крупных компаний, выпускающих профессиональные программы, это займёт больше времени.

Некоторое ПО уже адаптировали: во время презентации Apple объявила, что Microsoft работает над обновлениями Office с поддержкой новых чипов, а Word и Excel уже используют графику Apple Metal для рендеринга. Компания работает с Adobe, которая собирается адаптировать свои программы в числе первых. Во время выступления Apple даже показала, насколько плавно работает Lightroom и как легко на новых Mac можно рассмотреть в деталях файл в Photoshop размером в 5 ГБ.

Чем закончится переход на новые процессоры для Mac, пока сказать сложно. Но как показал опыт прошлых переходов — компьютеры становились только лучше. В любом случае владельцам нынешних Mac пока не стоит бояться, в ближайшее время их устройства не перестанут работать.

Те, кто только собирался покупать компьютеры Apple, скоро смогут выбрать между двумя вариантами, но нужно учитывать, что Mac с Intel в лучшем случае будут поддерживать ещё несколько лет, а Mac на чипах Apple не будет поддерживать работу с Windows через Boot Camp. Но компьютеры Mac на чипах Intel не будут получать эксклюзивных возможностей, а в какой-то момент просто не получат новую версию macOS.

Примечание автора: раздел про RISC и CISC-архитектуру подвергся незначительной переработке. Добавлена информация о том, что современные x86-процессоры работают на RISC-ядрах, изменено обоснование победы ARM в портативной электронике.

#разборы #apple #процессоры #железо