Apple M1 Chip Deep-Dive

### TL;DR Apple M1 是一款革命性的 SoC，集成了 160 亿个晶体管，通过精巧的晶片布局和片上封装内存，在性能和效率上树立了新标杆。 ## 从产品设计到芯片设计 苹果一直以产品设计著称，但早在 2010 年 A4 芯片发布时，它就已经迈出了芯片设计公司的第一步。如今，Apple Silicon 不再是营销术语，而是一个成功的故事。与产品设计不同，芯片设计的美感隐藏在 iPhone 或 Mac 内部，难以被看见。通过 Fritzchens Fritz 提供的超高分辨率晶片显微照片，我们可以深入探索 M1 的美丽世界。 ## 拆解 M1 芯片 本视频中的显微照片来自一台 M1 MacBook Air。逻辑板从机箱中取出，M1 封装被拆焊，金属散热器被移除。M1 使用片上封装内存（on-package memory），在芯片旁边、同一封装上有两个 LPDDR4x DRAM 模块。这减少了数据往返距离，提高了效率，也使整体设计更小巧。 接下来，硅晶片从封装基板上剥离。一个有趣的发现是 M1 采用了“嵌入式硅电容器”（embedded silicon capacitor）——图像中可见的微小矩形形状，有助于为芯片上最关键的部分供电。最后，整个硅晶片被逐层研磨，直到晶体管结构显现。 ## 技术规格 M1 采用台积电 N5 工艺节点制造，在 120.4 平方毫米的晶片上包含约 160 亿个晶体管（若算上划片线，总面积增加到 123.14 平方毫米）。作为 SoC，它集成了： - 8 核 CPU（4 个性能核心 + 4 个效率核心） - 8 核 GPU - 16 核 NPU - 系统级缓存（SLC） - 128 位内存接口 - 大量 IO（包括 Thunderbolt） - 媒体引擎和显示引擎 - 数字信号处理器和图像信号处理器 ## 晶片分析策略 高分辨率显微照片带来敬畏与困惑。即使经验丰富，也需要时间消化——我们看到的是一幅由 160 亿个晶体管绘制的图画。一个像素可能包含数千个晶体管。分析时，先从芯片的“海岸线”（边缘）开始，那里放置了所有与外界通信的组件：内存接口和 IO 组件。任何分析都包含一定程度的不确定性。 ### 内存接口 内存接口在芯片的左上、上侧和右侧海岸线上可见。总共有八个 16 位内存 PHY，组合成 128 位宽的内存接口。苹果的内存架构非常节省空间，紧密集成了内存控制功能和 PHY。PHY 提供了互连的实际接触点，延伸到片上封装 DRAM。 ### IO 海岸线 继续沿海岸线向下，在芯片底部左侧角落可发现一个 Display Port PHY，紧邻 Thunderbolt 逻辑。两个 Thunderbolt 3 端口分为两个控制区域和两个 PHY。控制区域还包括一个标准 USB 逻辑块，为端口增加 USB4 功能。 接下来是 PCI-Express 区域，提供五条物理通道。PCIe 用于连接 Wi-Fi/蓝牙模块，在 Mac mini 或 iMac 上处理以太网，并用于穿透支持。Thunderbolt 和 PCIe PHY 的物理实现相同，因为它们都使用高速 SerDes（串行-解串器），苹果对两者采用相同的 SerDes 设计。 PCIe 区域右侧是一个单独的、较小的 USB PHY，接着是一个更重要的区域——苹果专有的 NAND 存储控制器（ANS）。与其他公司不同，苹果的 SSD 只包含原始 NAND 芯片，因为存储控制器位于 SoC 上。ANS 包含约 3.5 MB 的快速 SRAM（用于缓冲和排序数据流），以及一个保存存储加密密钥的 eFuse。即时加密还需要专用的 AES 引擎，因此 ANS 与板载安全逻辑紧密相连。 在 ANS 控制器正下方，可以看到苹果不使用 PCIe 连接 SSD，而是使用并行的双通道 NAND 结构，总共 92 个可见的 IO 焊盘。这是一种直接的并行存储访问，是苹果 SSD 速度飞快的原因之一（如果使用足够多的 NAND 芯片来饱和双通道接口）。 ### 奇特的大型 PHY 集群 NAND 控制器旁边的大型 PHY 集群非常特别——这是苹果专有的相机接口。它不是用于网络摄像头，而是用于大型高分辨率相机集群，类似 iPhone 或 iPad 上的。M1 iPad Pro 是唯一使用这个 PHY 的 M1 产品；在其他所有 M1 设备（MacBook Air/Pro、Mac mini、iMac）上，该区域不工作。苹果为单一产品实现了这个 PHY。 MacBook 或 iMac 上的网络摄像头通过芯片右上角的一个微小 MIPI D-PHY 连接，该 PHY 还读取用于 Face ID 的红外摄像头（在 M1 iPad Pro 上）。 ## 内部大型 IP 块 ### GPU GPU 块面积约 23.26 平方毫米，是 M1 上最大的区域。从晶片左上到中心区域，八个 GPU 核心由共享控制逻辑连接。单个 GPU 核心约 2.48 平方毫米。在一些分档部件中，一个 GPU 核心会被停用（通过 GPU 最左侧的一小簇 eFuse）。 ### 系统级缓存（SLC） SLC 位于 GPU 正下方，作为整个系统的最后一级缓存，可被 CPU、GPU、NPU 等同等地使用。它是连接整个芯片的数据结构中心枢纽。M1 的 SLC 共 8 MB SRAM，分为四个 2 MB 部分。1 MB SRAM 约占用 0.28 平方毫米。 ### CPU P 核心（Firestorm） 大型 P 核心集群位于 SLC 左侧，包含四个 Firestorm 性能核心（两个在上、两个在下），共享二级缓存位于中心。单个 Firestorm 核心约 2.25 平方毫米。P 核心基于 ARMv8 架构，但苹果长期开发内部 ISA 扩展，Apple Silicon 正越来越多地向底层 ARM RISC 架构的独特版本过渡。共享 P 核心二级缓存共 12 MB（比 SLC 大）。P 核心集群还带有一个专用的 AMX 单元（矩阵加速器），用于 AI 计算。P 核心集群总面积 15.42 平方毫米，仅次于 GPU。 ### CPU E 核心（Icestorm） E 核心集群也包含四个核心，但 Icestorm E 核心非常小，每个仅 0.6 平方毫米。所有四个 E 核心共享一个 4 MB 二级缓存，并带有一个自己的 AMX 单元。E 核心集群总大小 5.3 平方毫米，与 P 核心集群的大小差异接近 3 倍。 ### NPU（Apple Neural Engine） NPU 位于 P 核心和 E 核心之间，因引人注目的布局容易识别。所有 16 个核心清晰可见，围绕共享的暂存 RAM。单个 NPU 核心仅 0.21 平方毫米。 ## 未标注的区域 除了上述主要功能块，芯片上还有许多未标注的区域。它们包含：显示合成引擎（驱动显示输出）、媒体引擎（含专用编解码引擎，但 M1 不支持 ProRes）、图像信号处理器和数字信号处理器、通用 IO 根集线器以及大量数据路径逻辑。 一些猜测指出，右上角与 GPU 接壤的大型镜像集群可能包含显示合成引擎，音频处理也发生在该区域。再往下可能是图像信号处理器和视频编解码器区域。这些标注基于或多或少有依据的猜测，不同分析者可能得出不同结论。通过比较 M1 Pro/Max 的晶片显微照片，或在测试特定功能时查看芯片的实时热图，可以更清晰地识别各模块。 ## 总结 Apple M1 是一场革命，它不仅表明苹果能够设计出笔记本电脑级别的芯片，而且在性能和效率上超越竞争对手。M1 让 Apple Silicon 成为黄金标准，扩展了苹果的形象——从产品设计公司变成芯片设计巨头。随后的 M 系列世代进一步巩固这一地位，如今 Apple Silicon 本身已是一个品牌，成为苹果的一部分。 本文章基于 Fritzchens Fritz 提供的晶片显微照片，是 Apple Silicon 芯片深度探索系列的第一部。 **Source: [Apple M1 Chip Deep-Dive](https://www.youtube.com/watch?v=mHEWMiHgyU8)**