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Wie „Unified Memory“ die M1 ARM-Macs von Apple beschleunigt


Apfel

Apple überdenkt, wie Komponenten in einem Laptop existieren und funktionieren sollten. Mit M1-Chips in neuen Macs verfügt Apple über eine neue „Unified Memory Architecture“ (UMA), die die Speicherleistung drastisch beschleunigt. So funktioniert der Speicher auf Apple Silicon.

Wie Apple Silicon mit RAM umgeht

Falls Sie die Neuigkeiten noch nicht gehört haben, Apple hat im November 2020 eine neue Liste von Macs angekündigt. Die neuen Modelle MacBook Air, MacBook Pro und Mac Mini verwenden einen von Apple speziell entwickelten ARM-basierten Prozessor namens M1. Diese Änderung wurde lange erwartet und ist der Höhepunkt des Jahrzehnts, in dem Apple mit der Entwicklung von ARM-basierten Prozessoren für das iPhone und iPad verbracht hat.

Der M1 ist ein System-on-a-Chip (SoC), was bedeutet, dass sich nicht nur eine CPU im Prozessor befindet, sondern auch andere Schlüsselkomponenten, darunter die GPU, I/O-Controller, Apples Neural Engine für KI-Aufgaben und vor allem für unsere Zwecke ist der physische RAM Teil desselben Pakets. Um es klar zu sagen, der RAM befindet sich nicht auf demselben Silizium wie die grundlegenden Teile des SoC. Stattdessen sitzt es zur Seite, wie oben abgebildet.

Das Hinzufügen von RAM zum SoC ist nichts Neues. Smartphone-SoCs können RAM enthalten, und die Entscheidung von Apple, die RAM-Module zur Seite zu stellen, sehen wir seit mindestens 2018 von dem Unternehmen. Wenn Sie sich das ansehen iFixit-Teardown für das iPad Pro 11, Sie können den RAM sehen, der mit dem A12X-Prozessor seitlich sitzt.

Was jetzt anders ist, ist, dass dieser Ansatz auch auf den Mac kommt, einen vollwertigen Computer, der für höhere Arbeitslasten entwickelt wurde.

VERBUNDEN: Was ist Apples M1-Chip für den Mac?

Die Grundlagen: Was sind RAM und Speicher?

Zwei DDR4-RAM-Sticks mit schwarzem Heatspreader.
Korsar

RAM steht für Random Access Memory. Es ist die Hauptkomponente des Systemspeichers, der ein temporärer Speicherplatz für Daten ist, die Ihr Computer gerade verwendet. Dies kann alles sein, von notwendigen Dateien zum Ausführen des Betriebssystems über eine Tabelle, die Sie gerade bearbeiten, bis hin zu den Inhalten geöffneter Browser-Tabs.

Wenn Sie sich entscheiden, eine Textdatei zu öffnen, erhält Ihre CPU diese Anweisungen sowie das zu verwendende Programm. Die CPU nimmt dann alle Daten, die sie für diese Operationen benötigt, und lädt die notwendigen Informationen in den Speicher. Anschließend verwaltet die CPU die an der Datei vorgenommenen Änderungen, indem sie auf den Speicher zugreift und diesen manipuliert.

Normalerweise gibt es RAM in Form dieser langen, dünnen Sticks, die in spezielle Steckplätze auf Ihrem Laptop oder Desktop-Motherboard passen, wie oben abgebildet. RAM kann auch ein einfaches Quadrat sein oder rechteckiges Modul, das auf das Motherboard gelötet wird. Wie auch immer, RAM für PCs und Macs war traditionell eine diskrete Komponente mit eigenem Platz auf dem Motherboard.

M1 RAM: Der diskrete Mitbewohner

Eine Grafik, die die verschiedenen Teile des M1-Prozessors anzeigt.
Apfel

Die physischen RAM-Module sind also immer noch separate Einheiten, sitzen aber auf demselben grünen Substrat wie der Prozessor. „Großer Schrei“, höre ich dich sagen. „Was ist die große Sache?“ Zunächst einmal bedeutet dies einen schnelleren Zugriff auf den Speicher, was unweigerlich die Leistung verbessert. Darüber hinaus optimiert Apple die Speichernutzung im System.

Apple nennt seinen Ansatz eine „Unified Memory Architecture“ (UMA). Die Grundidee ist, dass der RAM des M1 ein einzelner Speicherpool ist, auf den alle Teile des Prozessors zugreifen können. Erstens bedeutet dies, dass die GPU, wenn sie mehr Systemspeicher benötigt, die Nutzung erhöhen kann, während andere Teile des SoCs heruntergefahren werden. Noch besser ist, dass es nicht notwendig ist, für jeden Teil des SoC Teile des Speichers herauszutrennen und dann Daten zwischen den beiden Bereichen für verschiedene Teile des Prozessors zu verschieben. Stattdessen können GPU, CPU und andere Teile des Prozessors auf dieselben Daten unter derselben Speicheradresse zugreifen.

Um zu sehen, warum dies wichtig ist, stellen Sie sich die groben Züge vor, wie ein Videospiel läuft. Die CPU erhält zunächst alle Anweisungen für das Spiel und lädt dann die Daten, die die GPU benötigt, auf die Grafikkarte. Die Grafikkarte nimmt dann all diese Daten und verarbeitet sie innerhalb ihres eigenen Prozessors (der GPU) und des eingebauten RAMs.

Selbst wenn Sie einen Prozessor mit integrierter Grafik haben, behält die GPU normalerweise ihren eigenen Speicher, ebenso wie der Prozessor. Beide arbeiten unabhängig voneinander mit denselben Daten und pendeln die Ergebnisse dann zwischen ihren Speicherlehen hin und her. Wenn Sie die Anforderung, Daten hin und her zu verschieben, weglassen, können Sie leicht erkennen, wie die Leistung verbessert werden kann, wenn alles in einem virtuellen Aktenschrank aufbewahrt wird.

So beschreibt Apple beispielsweise seine vereinheitlichte Speicherarchitektur auf die offizielle M1-Website:

„M1 verfügt auch über unsere Unified Memory Architecture, kurz UMA. M1 vereint seinen Speicher mit hoher Bandbreite und geringer Latenz in einem einzigen Pool in einem benutzerdefinierten Paket. Dadurch können alle Technologien im SoC auf dieselben Daten zugreifen, ohne sie zwischen mehreren Speicherpools zu kopieren. Dies verbessert die Leistung und Energieeffizienz dramatisch. Video-Apps sind schneller. Spiele sind reichhaltiger und detaillierter. Die Bildbearbeitung ist blitzschnell. Und Ihr gesamtes System ist reaktionsschneller.“

Und nicht nur, dass jede Komponente an derselben Stelle auf denselben Speicher zugreifen kann. Wie Chris Mellor aufzeigt bei Das Register, Apple verwendet hier Speicher mit hoher Bandbreite. Der Speicher ist näher an der CPU (und anderen Komponenten) und der Zugriff ist einfach schneller als der Zugriff auf einen herkömmlichen RAM-Chip, der über eine Sockelschnittstelle mit einem Motherboard verbunden ist.

Apple ist nicht das erste Unternehmen, das Unified Memory ausprobiert

Ein Diagramm, das zeigt, wie CPU- und GPU-Kerne die Unified Memory-Funktion von Nvidia nutzen können.
Ein NVIDIA-Diagramm aus den Anfängen der Unified Memory-Funktion des Unternehmens. NVIDIA

Apple ist nicht das erste Unternehmen, das dieses Problem angeht. NVIDIA hat beispielsweise damit begonnen, Entwicklern eine Hardware- und Softwarelösung namens . anzubieten Einheitlicher Speicher vor etwa sechs Jahren.

Für NVIDIA bietet Unified Memory einen einzigen Speicherort, auf den „von jedem Prozessor in einem System aus zugegriffen“ werden kann. In der NVIDIA-Welt gehen CPU und GPU für die gleichen Daten an denselben Ort. Hinter den Kulissen lagert das System jedoch die erforderlichen Daten zwischen separatem CPU- und GPU-Speicher aus.

Soweit wir wissen, verfolgt Apple keinen Ansatz mit Techniken hinter den Kulissen. Stattdessen kann jeder Teil des SoC auf genau denselben Speicherort für Daten im Speicher zugreifen.

Das Endergebnis von Apples UMA ist eine bessere Leistung durch schnelleren Zugriff auf RAM und einen gemeinsamen Speicherpool, der Leistungseinbußen beim Verschieben von Daten an andere Adressen beseitigt.

Wie viel Arbeitsspeicher benötigen Sie?

Das M1-basierte MacBook Pro

Apples Lösung ist nicht nur Sonnenschein und Glück. Da der M1 die RAM-Module so tief integriert hat, kann man ihn nach dem Kauf nicht aufrüsten. Wenn Sie sich für ein MacBook Air mit 8 GB entscheiden, müssen Sie den Arbeitsspeicher dieses Geräts zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr erhöhen. Um fair zu sein, ist das Aufrüsten des Arbeitsspeichers seit einiger Zeit nicht mehr etwas, was Sie auf einem MacBook tun konnten. Frühere Mac Minis konnten das, aber nicht die neuen M1-Versionen.

Die ersten M1-Macs sind mit 16 GB überragend – Sie können einen M1-Mac mit 8 GB oder 16 GB Speicher erhalten, aber mehr geht nicht. Es geht nicht mehr nur darum, ein RAM-Modul in einen Steckplatz zu stecken.

Wie viel RAM brauchst du denn? Wenn wir über Windows-PCs sprechen, ist der allgemeine Ratschlag, dass 8 GB für grundlegende Computeraufgaben mehr als ausreichend sind. Spieler sind gut beraten, diese auf bis zu 16 GB zu erhöhen, und die Aktivität der „Prosumer“ muss sich wahrscheinlich für Aufgaben wie das Bearbeiten großer, hochauflösender Videodateien erneut verdoppeln.

Ebenso sollte bei M1-Macs das Basismodell mit 8 GB für die meisten Leute ausreichen. Tatsächlich kann es sogar die härtesten alltäglichen Anwendungen abdecken. Das ist jedoch schwer zu sagen, da die meisten Benchmarks, die wir gesehen haben, den M1 in synthetischen Benchmarks in Frage stellen, die die CPU oder GPU antreiben.

Was wirklich zählt, ist, wie gut ein M1-Mac damit umgehen kann, mehrere Programme und eine Reihe von Browser-Tabs gleichzeitig geöffnet zu halten. Dies testet nicht nur Hardware, denn Softwareoptimierungen können einen großen Beitrag zur Verbesserung dieser Art von Leistung leisten, weshalb man sich so stark auf Benchmarks konzentriert, die die Hardware wirklich pushen können. Am Ende würden wir jedoch vermuten, dass die meisten Leute nur sehen möchten, wie die neuen Macs mit der Nutzung in der „realen Welt“ umgehen.

Stephen Hall bei 9to5 Mac sah beeindruckende Ergebnisse mit einem M1 MacBook Air mit 8 GB RAM. Damit der Laptop ins Stocken gerät, musste er ein Safari-Fenster mit 24 Website-Tabs öffnen, weitere sechs Safari-Fenster, die 2160p-Videos abspielen, und Spotify im Hintergrund laufen lassen. Er hat auch einen Screenshot gemacht. „Erst dann kam der Computer endgültig zum Stillstand“, sagte Hall.

Bei TechCrunch ging Matthew Panazarino noch weiter mit einem M1 MacBook Pro mit 16 GB RAM. Er öffnete 400 Tabs in Safari (und er hatte ein paar andere Programme geöffnet) und es lief problemlos und ohne Probleme. Interessanterweise versuchte er das gleiche Experiment mit Chrome, aber Chrome flammte auf. Aber, sagte er, der Rest des Systems funktionierte trotz der Probleme mit dem Browser von Google weiterhin gut. Tatsächlich stellte er während seiner Tests sogar fest, dass der Laptop an einer Stelle Swap-Speicher nutzte, ohne dass die Leistung spürbar war.

Wenn Ihrem PC der RAM ausgeht, wird der verfügbare SSD- oder Festplattenspeicher als temporärer Speicherpool verwendet. Dies kann eine spürbare Verlangsamung der Leistung verraten, allerdings nicht bei M1-Macs, wie es scheint.

Dies sind nur alltägliche Erfahrungen, keine formellen Tests. Dennoch sind sie wahrscheinlich repräsentativ für das, was man bei einer intensiven täglichen Nutzung erwartet, und angesichts des optimierten Ansatzes für den Arbeitsspeicher, 8 GB RAM sollte für die meisten Leute, die keine Hunderte von Browser-Tabs öffnen, in Ordnung.

Wenn Sie jedoch große Bilder oder Videodateien mit mehreren Gigabyte bearbeiten, während Sie gleichzeitig ein paar Dutzend Registerkarten durchsuchen und einen Film im Hintergrund auf einem externen Monitor streamen, ist die Wahl des 16-GB-Modells vielleicht die bessere Wahl.


Dies ist nicht das erste Mal, dass Apple seine Mac-Systeme überdacht und auf eine neue Architektur umgestellt hat.

VERBUNDEN: Deja Vu: Eine kurze Geschichte jeder Mac-CPU-Architektur



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