Android、iOS、ARM,Windows、macOS、Intel、x86……

 

稍微关注数码科技领域的人们,对上面这些名词肯定不会陌生。众所周知,ARM 和 x86 这两大计算架构的底层差异,形成了移动端和 PC(个人电脑)端两大阵营。

 

在移动端,因为谷歌开源的 Android 和苹果自研自用的 iOS 这两种操作系统,又划分出了安卓和苹果阵营。在 PC 端,微软的 Windows 操作系统和 Intel 的 x86 芯片,组成了牢不可破的 Wintel 阵营,掌控着绝大部分的 PC 市场份额,而苹果 Mac 系列虽然也采用 Intel 的 x86 处理器,却仍坚持自研的 macOS 系统,占据了 10%的 PC 市场,走专业办公的高端路线。

 

 

这一阵营划分至少从十年前就开始成型,到现在我们大都已经习惯这一格局。买手机和平板,会在安卓或苹果之间站队,买电脑会 Wintel 联盟和苹果之间站队。

 

这一用户习惯养成自然非一日之功,其实这些大厂在早期也做过努力挣扎,想用自己具有优势的架构和操作系统来一统移动端和 PC 的江湖。

 

微软早先就尝试把 Windows 操作系统嫁接到 ARM 指令集上,推出了五彩斑斓的 Windows Phone,也推出过需要运行在 ARM 架构的电脑和平板上的 Windows RT,结果都是以惨败收场。而英特尔也尝试过 x86 架构的 Atom 处理器征战移动芯片领域,同样最后无疾而终。反过来,高通也尝试把骁龙芯片用在 PC 上,但最终也没有掀起波澜。

 

而如今,这个“移动端用 ARM,PC 端用 x86”的现世安稳的架构,终于又起波澜。这次是蓄谋已久的苹果,要把高效能低功耗的 ARM 架构,真正用到的 PC 产品上了。

 

 

就在国人纷纷抢货的双 11 凌晨,苹果举行了今年的第三场发布会“One More Thing”,重磅发布了首款基于 ARM 架构的自研电脑芯片 M1,以及搭载 M1 芯片的三款 PC 产品。这也是有着 36 年历史的苹果 Mac 电脑第一次用上了自家研发的芯片,而且还是采用了和 iPhone、iPad 所采用的 A 系列芯片相同的 ARM 架构。

 

那么,在 Mac 系列上推出 M1 芯片的意义,就不仅仅是要开始和长期合作的 Intel 官宣“分手”这一层,还等于是要向 x86 统治下的 PC 市场“下战书”了。

 

那么,这次苹果的 ARM 架构芯片想要挑战现有 PC 格局还有多远?这是本文重点关心的问题。

 

为 Mac 改换门庭,先来一颗特别能打的 ARM“芯”

在介绍这款 M1 芯片之前,我们其实都很关心一个问题:为什么苹果要在这个时候推出一款基于 ARM 架构的 PC 芯片呢?

 

我们知道,苹果体系的封闭性是出了名的,从硬件到软件,苹果都选择了自己研发自己用,硬生生打造了一个极致封闭但又体验出众的 iOS 生态。但在这个封闭生态下仍然留了下为数不多的几个小缺口,在 Mac 系列电脑上使用的 Intel 处理器就是其中一个,而且到现在足足用了十五年。

 

 

从 2005 年开始,苹果就将自己的 Mac 产品从基于 ARM 的 PowerPC 架构转向了 Intel 的 x86 架构,采用英特尔的奔腾系列让 Mac 产品的性能一路飙升,配合着自家的 macOS 系统,一路高歌猛进,占据了 PC 机的高端市场份额。

 

现在,Intel 的处理器碰到了当年 PowerPC 架构芯片一样的困境,那就是性能挤牙膏一样的增长,导致苹果 Mac 系列一直也只能跟着 Intel 的 14nm+++制程的迭代而缓慢推进。Intel 的差劲表现早已让追求性能极致提升的苹果心怀不满,多次表示要用自研芯片取而代之。

 

与此同时,苹果在移动终端上的 A 系列芯片已经成功推进到了 5nm 制程,无论是多核的性能水平还是 Soc 整合能力,都有了超越当前英特尔的 CPU 内核的能力。

 

时机已到,这时候苹果也就不讲究什么“江湖武德”了。为了实现全系列硬件生态的统一闭环,苹果就必须把 Mac 上的 Intel 处理器踢出局,最终实现在 iPhone、iPad 和 Mac 系列上全部用上自研的芯片。

 

那么, M1 芯片是否有这个实力呢?

我们来看下苹果给出的 M1 的性能介绍。简单来说,M1 是苹果第一款基于 ARM 架构的 5nm 工艺的电脑芯片,由于采用了目前最先进制程,拥有高达 160 亿个晶体管,相比新款 iPhone 所用的 A14 的 118 亿个晶体管提升了约 35.6%,同时也高于麒麟 9000 的 153 亿个晶体管。M1 还是一款高度集成的 SoC 芯片,将 CPU、GPU、NPU 和各种连接功能及组件统统集合在一起。

 

 

在 CPU 上,拥有 4 个高性能大核心和 4 个高效能小核心,可混合运行以协助处理多线程任务,跑分上已经高于 Intel 的 Core i9 处理器。这得益于苹果在魔改 ARM 架构上的领先能力,大核心性能突出,小核心能耗极低,大小核心的协同工作使得其能效比比 2012 年时候 Mac 的处理器提升了 3 倍。

 

在 GPU 上,M1 集成了 8 核心的 GPU,兼顾了性能和能效,相比 A14 的 GPU 核心数量提升了一倍,无论是剪辑还是播放多个全画质 4K 视频流等重负载也没有什么压力。根据苹果公布的数据,在同等功耗下,M1 的 GPU 性能是其他最新推出的笔记本芯片的 GPU 性能的两倍,而在同等性下,M1 的功耗只有其他笔记本电脑芯片的 1/3。

 

此外,还有等同于 A14 芯片的 16 核 NPU,满足人工智能算力;同时支持了高达 16GB 的具有高带宽、低延迟特性的统一 DRAM 内存体系架构,加快几个处理器直接的数据共享速度。

 

具体到产品上,搭配了 M1 的新款 Macbook Air 的 CPU 性能是上一代基于英特尔处理的 Macbook Air 的 3.5 倍,GPU 则提升了 5 倍,机器学习性能也提升了 9 倍。苹果称其整体性能超过了 98%的 PC 笔记本。

 

有了 M1 芯片的加持,苹果的 MacBook 在轻量化之路上又能继续升级了,性能提升的同时,ARM 架构的低功耗优势尽显,续航时长又大幅提升。这等于说既超越了 x86 架构芯片的高性能优势,又保持了 ARM 架构的低功耗优势,无怪外界说苹果 Mac 进入了一个新的纪元。

 

我们知道,为 PC 更换架构,不可能是在一座新地基上新建大楼,而是要在建好的大厦上面换地基,换掉地基还要在不拆掉大楼的前提下让大楼焕然一新。

 

现在,苹果用 ARM 架构的 CPU Soc,只是完成 x86 架构的硬件替代的第一步步骤。而原有 PC 架构上的操作系统和软件,才是苹果换掉 ARM 架构芯片之后主要面临的问题。

 

软件先行,苹果做了软件系统迁移的准备

为一个操作系统更换硬件架构,或者让新的架构匹配旧的软件系统,兼容性始终是绕不开的一个难题。

 

当年微软的败绩还历历在目。2012 年,微软推出了基于 ARM 架构的 Windows RT 操作系统,只能预装在采用 ARM 架构处理器的 PC 和平板电脑中,只能跑 32 位的软件。

 

但这一努力操之过急又过于超前,当时既没有好的硬件产品支持,也没有除微软自有软件之外的软件生态支持。同时还将 PC 端操作系统移植到平板电脑上。Windows RT 几经挣扎后,最终还是尝试一个“寂寞”。

 

 

苹果虽然同样面临软硬件协同的这一挑战,但在处理这一问题上却早有准备。

 

我们说过,苹果这个科技圈的“异类”把软硬件生态都牢牢掌握在自己手中,在谋划着这次架构转型之前,就已经把系统和软件的迁移的准备工作做好了。

 

这一次,苹果为 macOS 配备了最新的 Big Sur 系统。Big Sur 系统不仅可以流畅运行在 ARM 架构的展示机上面,就连 Photoshop、Lightroom、Final Cut Pro、Office、Maya 这些偏向生产力的专业领域软件都已经能够完美适配运行。Big Sur 的基础架构也经过优化,以解锁 M1 芯片的实力,包括用于图形处理任务的 Metal 和用于机器学习的 Core ML 等开发者技术。

 

 

而为了让开发者能将原来运行在 X86 架构芯片之上的 Mac 应用,更轻松地适配苹果自研的 M1 处理器,苹果还提供了一系列的工具。比如,可帮助开发者构建同时能在 x86 和 Arm 架构芯片上运行的应用的 Universal 2,可以自动将为英特尔处理器编写的指令转译苹果 Arm 芯片可以理解的指令,使得苹果 Arm 芯片直接能运行原 x86 平台应用程序 Rosetta 2。

 

通过这些套件,开发者可以在短时间内将目前 x86 架构软件迁移到 ARM 架构的 macOS 上面。解决了 macOS 开发者的后顾之忧,又能让 iOS、iPadOS 上面的开发者轻松将软件迁移到 macOS 上,苹果的统一软件生态将最终实现。

 

这一变革带来的体验几乎是革命性的。要知道原本移动场景下的应用和 PC 场景下的应用是始终割裂的,比如,我们使用的微信,总是要区分出 Android、iOS、windows 和 Mac 版,每一个应用都要配置至少 3 个版本,这样不仅让移动端和电脑端的使用场景隔成体系,严重影响使用体验,也徒增了各大应用平台的开发工作量。

 

而现在,随着在 iPhone、iPad、Mac 等产品上都采用了相同的 Arm 架构的芯片,苹果软件应用生态将彻底打通,在 Mac 上也可以直接运行 iPhone 和 iPad 的软件,Mac 上的软件也可以在 iPhone 和 iPad 上运行。未来,PC 端和移动端的边界将变得更为模糊,最终直至统一,用户的体验将更为一致。一旦苹果实现全平台的统一操作系统之后,苹果的用户粘性将更高,而那些使用了 iPhone 的用户在需要一台办公设备之后将更愿意选择一台能无缝互联互通的 MacBook。

 

不过从最近反馈的情况来看,macOS Big Sur 的首次开放更新,仍然遇到了一些兼容性问题,比如对于一些开发者工具,大多还在开发中,早先的 MacBook 版本在升级这一系统时遇到崩溃和无法使用等问题。而这些问题都是 Mac 要在此后的系统更新中着手解决的问题。

 

不管怎样,Mac 芯片的架构变革和软件系统的兼容升级,给苹果带来又一轮增长的可能,也对以 x86 架构处理器为主导的 PC 市场带来诸多挑战。

 

除了挑战现有 PC 格局,苹果 M1 的影响还有哪些?

我们先来说下苹果 M1 芯片以及新款 Mac 的推出,对于现有 PC 市场格局带来哪些挑战?

 

据我们推断,搭载自研 M1 芯片的 Mac 产品,随着其产品迭代和软件系统的完善,自然会获得更大的 PC 电脑的市场份额。

 

 

但客观来说,x86 为主导的 PC 仍然将长期占据主要市场。一方面,现在 x86 的优势仍然非常牢固,Intel 的 x86 芯片在高性能计算机或者运行 PC 端大型游戏中仍然有非常强的性能优势,而 Intel 一旦突破了 14nm 制程工艺的瓶颈之后,可能会摆脱“挤牙膏”的尴尬境遇,还会迎来新一轮的增长。另一方面,x86 架构所构建的 PC 端的丰富软件生态,不是 macOS 生态短时间内能够超越的。

 

不过,苹果 M1 芯片的推出,对于 ARM 架构本身有着更大的激励和示范影响。

 

第一个影响是,苹果所要构建的基于 ARM 架构的统一软硬件生态,对于苹果生态内的开发者,具有很强的虹吸效应。不仅是基于原有 x86 架构的 macOS 的软件要快速进化到新的架构版本,而且移动终端当中的软件应用也会主动去寻求在 Mac 上兼容的版本。这将使得苹果带来多场景下的设备融合和体验的一致性,也许未来 iPad 真正成为兼容移动便利性和专业生产工具的最佳形态。

 

第二个影响是,苹果如果在 Mac 上的架构革命的成功,将带给安卓阵营的芯片厂商和 PC 操作系统霸主的微软以巨大的刺激和激励。比如,高通曾经尝试和微软一起开发的基于骁龙处理器的 PC 笔记本电脑,可能会重新启动;微软也有可能再次动了采用 ARM 架构芯片开发 windows 系统的心思。而这也更加印证了华为的 HarmonyOS 鸿蒙系统,未来在手机、PC 以及更多设备上得到应用的可行性。

 

 

第三个也是更深一层的影响是,苹果的选择,也证明了在面向万物互联、呼唤全新融合交互 IoT 时代,相比较于 x86 架构,ARM 可能才是更好的选择。

 

万物互联场景下,对于大量设备之间除了快速通信的要求之外,必然要求向高数据并发、智能计算和低功耗方向进化。而 ARM 由于其基于简单指令集的特点,不仅设计更简单、迭代效率更高、还具有高效能低功耗的特点,特别适用于未来人们数字生活的需要。

 

而 x86 架构基于复杂指令集,芯片设计复杂,功耗相对较高,开发困难,技术路线相对缓慢,越来越展现出应用前景的专业性和局限性。PC 作为与万物交互同样重要的操作界面,从笨重的 x86 架构走向更广泛融合的 ARM 架构,就成为一种必然。

 

不过,x86 架构和 ARM 架构在 PC 上的角力,未来还将持续很长一段时间,即使这次 Intel 倒下的话,AMD 也可以顶上。而 ARM 这边,现在只是苹果的一场独角戏。