最近，苹果召开了春季发布会，除了紫色的iPhone 12和AirTag之外，最受大家关注的就是搭载在iPad Pro上的M1芯片。

M1芯片是去年苹果发布的一款自研芯片，在去年的发布会上，库克以「One more thing」（还有件事儿）的方式介绍了M1芯片。

熟悉苹果风格的人都知道，「One more thing」可不是随便用的。

这一起源于乔布斯的习惯，之所以被业界奉为圭臬，是因为每当这句经典台词出现，必有激动人心的新品登场。曾经在发布会尾声随着「One more thing」出现在大屏上，为我们带来了第一代MacBook Pro、第一代 MacBook Air。

而在后乔布斯时代，「One more thing」只出现过4次，前三次：2014年带来了当下销量最高的智能手表Apple Watch、2015年带来了全球用户第二多的音乐 App Apple Music，以及2017年把iPhone带入全面屏时代的iPhone X。

第四次带来的则是我们今天的主角「M1芯片」。

M1芯片的意义不亚于当年iPhone重新定义手机，或者准确来说是iPad开启了平板电脑时代这种意义。可以说，由于M1芯片的出现，苹果强大的生态系统才真正完成闭环。

那么，为什么M1能做到「性能提升的同时，功耗反而降低」？

对于芯片设计来说，针对功耗、性能和面积（简称PPA）的优化，是最重要的原则。通常来说，这三点不可兼得。加入多级流水线、增加总线带宽等方式可以提升芯片的性能，但同时也意味着更高的功耗、更大的芯片面积。而如果你要设计一款低功耗的芯片，那么就要牺牲掉一部分芯片的性能。用我们古人的智慧来说，就是「鱼和熊掌不可兼得」。

因而在实际的芯片设计中，要达到完美平衡，对于PPA的优化最为重要。但是苹果M1芯片的横空出世，打破了这种芯片厂商需要小心翼翼才能维持的完美平衡，苹果这次做到了「鱼和熊掌兼得」，而且这事目前只有苹果才能做。

没有比苹果更适合M1的厂商

发布会上苹果介绍，同型号电脑，搭载M1芯片的电脑，性能上比搭载英特尔CPU的性能提升了3倍，图像性能提升了5倍，而且同时功耗还得到了大幅下降。英特尔每年「挤牙膏」式的提升两三成，而这次苹果的M1，直接高了好几倍，简直不可同日而语。

而这种近乎变态的性能提升，来自于四个方面：一、ARM架构精简指令集优势；二、系统级地芯片封装设计；三、封闭的软硬件生态系统；四、神经网络引擎的协助。

我们来一个一个解释。

一、ARM架构精简指令集优势

M1芯片功耗低，和其使用ARM架构有着密不可分的关系。目前市面上主流的芯片架构有两种，一种是英特尔公司的x86架构，另一种就是ARM公司的ARM架构。而ARM架构相对于x86架构来说功耗较低，是因为X86架构用的是复杂指令集（CISC），而ARM架构采用的是精简指令集（RISC）。

什么是指令集呢？简单来说，操作计算机的机器语言集，就是指令集。

指令集复杂，就意味着电路单元多，不过功能强大，同时面积大、功耗高。而指令简单，电路就相对简单，因而面积小，功耗低。所以，市面上绝大部分手机普遍采用的都是ARM架构的芯片，就是因为手机寸土寸金的空间里面，只能装下面积小、功耗低的ARM架构的芯片。而台式电脑、笔记本电脑对于功耗要求就没有那么高，所以x86架构更适合台式电脑。

苹果的M1芯片通过更精简的指令集，配合专门的代码优化和开发，使得软件的执行效率和CPU的低功耗都得到了最大程度地发挥。

当然了，台式电脑虽然对功耗要求不高，但是功耗低点总该是好事吧，为啥不用ARM架构？

要弄清楚这个问题，还得回到ARM架构的特点上来。ARM架构的芯片虽然功耗低，面积小，但是由于ARM架构追求的是高自定义性，具有高度定制化的特点，所以在指令集简单的同时，兼容性也很差，通用性不行。而英特尔的芯片需要应用在各种型号的电脑上，在PC端，即便是同一台电脑，芯片、显卡和内存用的大多都不是同一家供应商，更别说不同品牌不同型号的电脑了。因而，高兼容性对于PC端来说必不可少。

但为何苹果的iMac和MacBook上可以用ARM架构的M1芯片呢？这个我们后面会讲到。

二、系统级地芯片封装设计

通常我们说SoC，是「把系统都做在一个芯片上」，在一块芯片上集成了CPU、GPU、基带、ISP等单元。如果说CPU是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。不过，以前的SoC只是集成了一个完整的系统，而这次苹果M1芯片实现了更夸张的完整系统。

除了一级缓存、二级缓存、三级缓存之外，苹果还自己弄了个统一内存，封装在M1上。CPU、GPU、神经引擎、缓存、DRAM内存全部通过Fabric高速总线连接在一起，通过把内存封装进SoC里，并且用GPU核心和CPU核心共享内存，来缩短物理通讯距离，直接实现了超低的访问内存延迟，极大提升了芯片之间的通信效率。而且为了完成如此高密度的封装，M1采用了台积电最先进的5nm制程工艺，成为全球首款5nm工艺的个人电脑处理器。

不过，虽然有5nm制程技术，但苹果为了把M1芯片的面积控制得更小，从而让信号少绕路、减少延迟和功耗，最大只做了16GB的统一内存。

三、封闭的软硬件生态系统

还记得我们前面埋下的坑吗：为何苹果的iMac和MacBook上可以用ARM架构的M1芯片？

这是因为苹果生态本身的封闭性。可以说，苹果是目前唯一拥有自己的芯片、操作系统、软件生态和硬件生态的厂商。因此，对于苹果来说，软件迁移、硬件适配等改变生态的动作虽然也是大工程，但是能在两年内完成，这对于「Wintel」联盟来说是无法想象的。

比如，苹果在A11的时代就在硬件层面终结了对32位应用的支持，而macOS也在2019年的10.15版本里去掉了对32位应用的支持，到如今苹果已经完成了全64位软件的生态准备。而在Windows PC上，你能想象你买回家的Zen 3处理器完全不支持32位应用吗？

苹果对生态的控制使得它可以牺牲一定的兼容性换取更强的性能，而x86就得背着这种具有数十年历史的「x86税」：在增加性能的同时，继续保持着对上古软件的兼容，但这种兼容是要占面积和费电的，这就是「低功耗、高性能」的M1芯片只有苹果能造出来的原因。

而且由于iPhone使用的A系列芯片也是ARM架构，所以iOS的应用也能在装有M1芯片的苹果电脑Big Sur操作系统上使用。这样一来，苹果电脑的软件生态瞬间就扩大了几个量级。所以说M1芯片是苹果生态系统的最后闭环，一点也不夸张。

四、神经网络引擎的协助

苹果利用神经网络引擎作为辅助的图像识别和计算已经好几年了，但是在桌面计算机平台引入神经网络引擎计算，还是第一次。苹果在M1芯片上加入神经引擎处理器（NPU），来协助GPU工作。简单来说，在加入NPU之前，计算机识别图片是依靠一个像素一个像素地进行分析、处理。而有了NPU，就可以像人一样，通过AI学习辨别图片的特征，整体识别图片内容。

比如，一张4000x4000分辨率的小猫图片，我们一眼就看出来是一只小猫。但是如果没有NPU或其他辅助，机器就得通过逐个识别像素点的方式，来认出这只小猫。这样识别4000x4000分辨率的图片和识别400x400分辨率的图片，用时就会差很多倍。但是有了NPU，机器就能够像人一样，整体识别图片，那就不会有这种识别用时上的差别，从而大幅提高处理图片的效率。

可以看到，苹果的M1芯片为了达成「功耗降低、性能提高」的效果，从芯片架构、封装技术、内存设计、软件、算法优化等全方位做了大量的工作，这是其他厂商做不来的。毫无疑问，在苹果的带动下，「低功耗、高性能」将成为未来各大PC厂商研究重点，最终带动行业进步。

写在最后

在今年的春季发布会上，库克化身汤姆·克鲁斯偷M1芯片的场景让不少果粉觉得很酷，其实酷的不只是库克，还有M1芯片。阿汤哥在过往的影片中实现过各种「不可能的任务」，而这次苹果的升级版M1芯片，也在实现着苹果式的「不可能」，再次给业界带来了惊喜：

M1芯片让系统性能提高3.5倍，图形性能提高6倍，机器学习提高15倍，同时使电池寿命比上一代Mac长2倍，这只有苹果能做到。可以说，这是乔布斯式传奇的又一次胜利。