Analizando la arquitectura de los procesadores Apple: M1, M2 y sus variantes

Actualizado a: 22 de enero de 2024

Los nuevos chips Apple M1 y M2 han sorprendido por su desempeño y eficiencia energética. Pero ¿qué hay detrás de ellos? Aquí comprenderás todo lo que debes saber sobre estos dos SoCs que han revolucionado el mundo Mac y los dispositivos móviles de la empresa de Cupertino.

¿Por qué ARM?

Apple ha pasado por diversas ISAs o arquitecturas de CPU desde sus comienzos, como la 6502 de los chips MOS Technology que usaron en sus comienzos, pasando después a los 68000 o 68k de Motorola, hasta aterrizar en la exitosa PowerPC con la que se han mantenido más tiempo y creada por la alianza AIM (Apple IBM Motorola).

Después de eso decidieron dar el salto a x86-64 con los chips de Intel que usaron hasta 2020, y pasando entonces a diseñar sus propios chips basados en Arm. Pero ¿por qué Arm?

Todo esto ha hecho que tanto Apple como los desarrolladores de software para la plataforma tengan que crear ports de su macOS y programas respectivamente para adaptarlos a la nueva arquitectura. O, en su defecto, emplear emuladores o traductores dinámicos como Rosetta. Pero los cambios siempre han merecido la pena y han hecho que Apple obtenga mejoras notables.

En el caso de Arm, por un lado tenían ya bastante experiencia, ya que ya habían desarrollado sus SoCs A-Series para dispositivos móviles iPhone y iPad. Además, esta arquitectura RISC permite crear núcleos pequeños, que permiten aprovechar mejor la unidad de superficie del chip, además de ser más eficientes en cuanto a la relación rendimiento/consumo.

Actualmente se está rumoreando sobre que Apple podría estar pensando ya en RISC-V, otra ISA que es muy similar a Arm en cuanto a rendimiento/consumo y otras características, al ser también RISC, pero que es de código abierto, por lo que no tendrían que pagar licencia como actualmente, y podrían obtener mayores beneficios en las ventas de sus unidades de procesamiento.

Por otro lado, debido a la inestabilidad de Arm, que ha pasado de unas manos a otras y con un intento fallido de compra por parte de NVIDIA, ésta ISA no sería la mejor, ya que cualquier cambio de rumbo podría hacer que se cambie la forma de licenciar esta tecnología para terceros o causar otros perjuicios. Por eso, RISC-V parece una apuesta de futuro sólida que ya se están planteando muchos, incluso también la competencia como Qualcomm, Samsung, Intel, etc.

¿Qué es M-Series?

Las M-Series son los chips que Apple está diseñando para sus equipos Macbook y Mac, además de dotar a otros dispositivos móviles con ellos, como el iPad Pro para obtener un mayor desempeño. Esta serie es realmente un SoC, no solo una CPU, sino que en el mismo chip se integran otros elementos que hay que destacar.

CPU Arm

La CPU integrada en los chip M-Series es un derivado de los que Apple usa para sus A-Series. Es decir, se basa en la ISA ARMv8 de 64-bit, y emplea una mezcla de núcleos de alto rendimiento denominados Firestorm y núcleos energéticamente eficientes llamados Icestorm.

Con ello consigue un buen rendimiento sin necesidad de sacrificar demasiada batería cuando no se necesita toda la potencia, que es cuando entran en juego los núcleos eficientes. Esta técnica de núcleos híbridos no es nueva, ya fue usada por ARM y denominada big.LITTLE, y ahora se ha expandido por otros diseños, incluso los de Intel.

La GPU de Apple

Aunque la GPU actual la diseñe Apple, lo cierto es que en un inicio los SoCs de la compañía de Cupertino usaban una GPU de Imagination Technologies, que se dedicaba a diseñar GPUs para ARM. Esta GPU se denomina PowerVR y de ella deriva las actuales de Apple. Es decir, aunque existe secretismo y hermetismo sobre estas GPUs, parece que podrían derivar de las de IMG.

Estas GPUs tienen un buen rendimiento, aunque no son comparables a los diseños de AMD o de NVIDIA, que son mucho más potentes. Sin embargo, con las mejoras introducidas por Apple y el uso de varios núcleos de procesamiento gráfico, el desempeño es más que decente. No obstante, no esperes milagros en gaming, aunque sí que obtienen buenos resultados en programas de diseño como Adobe Creative, entre otros.

De hecho, Apple ha trabajado mucho en su GPU para mejorar las capacidades de fotografía, aunque no es así en gaming y renderizado, donde aún sigue estando superado por la competencia.

Neural Engine

Por otro lado, Apple ha seguido un diseño de SoC heterogéneo con otras unidades adicionales llamadas Neural Engine. Se trata de una especie de NPU destinadas a mejorar el rendimiento con las aplicaciones que utilizan IA o inteligencia artificial.

Estas unidades también están construidas con arquitectura multinúcleo, con un motor neuronal que puede realizar billones de operaciones por segundo. Además, cuenta con un motor de aprendizaje automático que acelera la multiplicación de matrices (Apple lo llama bloques AMX) necesarias en estas apps.

SLC Cache

El system-level cache, o SLC, es otro de los módulos integrados en el SoC de Apple. Se trata de la memoria cache de los distintos niveles que se manejan por las unidades de procesamiento. Esta tiene distintos diseños y capacidades en cada generación de chips.

Fabric

Se refiere a un poderoso bus interno que interconecta todas las unidades que hay en el SoC de forma rápida y eficiente, con un ancho de banda grande, baja latencia y pudiendo tener una gran transferencia de datos para evitar cuellos de botella.

MMU

Por supuesto, como suele ser habitual en las unidades modernas, la MMU o unidad de gestión de memoria, también está integrada dentro de los chips. Se trata de una unidad preparada para la DDR4 (en su primera generación) y para la DDR5 (en los nuevos diseños), concretamente para la versión de bajo consumo, la LPDDR4 y la LPDDR5 respectivamente.

Esta parte es muy importante, ya que es la que interconecta el SoC con la memoria RAM mediante los canales de ésta. Y debe hacerlo de la forma más rápida y con la menor latencia posible, para que el hambriento chip de datos e instrucciones no eche en falta información para ser procesada.

La memoria RAM no se ha integrado dentro del chip, sino que permanece fuera en chips DRAM que se integran en el mismo PCB. De esta forma se puede controlar la cantidad de memoria que se integra en uno u otro diseño, para disponer de varias versiones en el mercado.

Otros

Por supuesto, el SoC también integra otras unidades, como por ejemplo motores para codificar y decodificar vídeo y así ayudar a la CPU en esta tarea para que no se sobrecargue y el rendimiento se vea perjudicado.

Por supuesto, también dispone de un DSP para el procesamiento avanzado de imagen, un controlador para puertos USB 4 o Thunderbolt, y un enclave seguro para mejorar la seguridad y el cifrado sin que tampoco sobrecarguen la CPU.

Es probable que en las nuevas generaciones se sigan integrando más unidades para soportar nuevas tecnologías o interfaces.

M1

El primer chip de la serie M es el M1 que vio la luz en 2020. Este nuevo diseño de Apple supuso un antes y un después, no solo por el cambio de x86 a Arm, sino por los resultados obtenidos. Además, demostró que podía rendir lo suficientemente bien como para equipos portátiles y sobremesa de la firma, ya que algunos eran escépticos al respecto. Por tanto, supieron superar a su serie A.

Este modelo M1 se ha diseñado con las siguientes características:

• 16 mil millones de transistores fabricados en tecnología de 5nm de TSMC. Fueron, de hecho, los primeros en usar este nodo en exclusividad.
• 16 núcleos de Neural Engine para acelerar las aplicaciones de IA y aprendizaje profundo.
• 8 núcleos de CPU de los cuales 4x son Firestorm de alto rendimiento, y 4x son Icestorm eficientes.
• 8 núcleos de GPU. Todos ellos iguales y supuestamente basados en PowerVR de IMG.
• Soporte de hasta 16 GB de memoria unificada, compartida para la GPU, NPU y CPU.
• Ancho de banda de memoria 100 GB/s.

El M1 se podía encontrar en varias configuraciones según los núcleos activos, dependiendo de los que salen fallidos durante la fabricación o no. Y esto puede ser usado para versiones más potentes de PCs o para dispositivos como los tablets iPad, que no necesitan tanto rendimiento y pueden tener algunos núcleos inactivos.

Además, luego aparecieron otros SoCs como los Pro, Max y Ultra que tienen más o menos núcleos de procesamiento.

M1 Pro

El nuevo M1 Pro fue un modelo mejorado para conseguir algunas prestaciones extra. Básicamente es un M1 con mayor número de núcleos de las unidades de procesamiento. Entre las características más destacables se encuentran:

• 33.7 mil millones de transistores fabricados en nodo de 5nm TSMC.
• 16 núcleos de Neural Engine para acelerar las aplicaciones de IA.
• 10 núcleos de CPU con 8 núcleos Firestorm de alto rendimiento y 2 núcleos más pequeños, con menor rendimiento y menor consumo tipo Icestorm.
• 16 núcleos de GPU idénticos para un mayor rendimiento con respecto al M1 básico, consiguiendo doblar el rendimiento.
• Soporte de hasta 32 GB de memoria unificada, compartida por todas las unidades de procesamiento.
• Ancho de banda de memoria 200 GB/s.

Este chip también tiene versiones tanto con 10 núcleos como con 8 núcleos activos, por lo que se puede encontrar en esas dos variantes.

M1 Max

El Max es otra versión más poderosa del M1 y que supera al M1 Pro, para los que demandan de mayor rendimiento. Las características de este chip son las siguientes:

• 57 mil millones de transistores fabricados con nodo de 5nm de TSMC.
• 16 núcleos de Neural Engine para acelerar las aplicaciones de IA.
• 10 núcleos de CPU, en este sentido es igual al Pro, con 8 núcleos de mayor rendimiento tipo Firestorm y otros 2 Icestorm para mayor eficiencia.
• 32 núcleos de GPU, es decir, el doble que el Pro, mejorando aún más el procesamiento gráfico.
• Soporte de hasta 64 GB de memoria unificada.
• Ancho de banda de memoria 400 GB/s.

M1 Ultra

Por último, llega el tope gama, el M1 Ultra, es el más potente de toda la serie M1. Y sus características son realmente asombrosas, destacando:

• 114 mil millones de transistores fabricados con nodo de 5nm TSMC.
• 32 núcleos de Neural Engine, el doble que los anteriores diseños, lo que permite un mejor rendimiento en aplicaciones de IA que demandan operaciones con enteros y matrices.
• 20 núcleos de CPU, con 16 núcleos Firestorm de alto rendimiento y otros 4 núcleos Icestorm de alta eficiencia.
• 64 núcleos de GPU, doblando las capacidades gráficas del Max.
• Soporte de hasta 128 GB de memoria unificada.
• Ancho de banda de memoria 800 GB/s.

En este caso puedes encontrar GPUs con 48 o 64 núcleos gráficos, dependiendo de la configuración.

M2

Tras el M1 Apple trabajó para traer el M2 en un tiempo récord. Este otro chip de alto rendimiento ha sido el último en llegar, y promete mejorar los visto con la primera generación. En cuanto a las características técnicas de este chip, destacan:

• 20 mil millones de transistores fabricados en nodo de 5nm de 2ª Gen de TSMC donde se han realizado optimizaciones de los procesos de fabricación para extraer mayor rendimiento de los chips.
• 16 núcleos de Neural Engine de nueva generación con mejoras que pasan de los 11 billones de operaciones por segundo a los 15.8 billones de operaciones por segundo.
• 8 núcleos de CPU, 4x Firestorm y 4x Icestorm de alto rendimiento y alta eficiencia respectivamente. Sin embargo, estos no son iguales a los del M1 y sus variantes, sino que son de una nueva generación, con una microarquitectura mejorada.
• 10 núcleos de GPU, nuevamente de una nueva arquitectura mejorada con respecto a los núcleos del M1. De hecho, son capaces de desarrollar 3.6 TFLOPS de rendimiento frente a los 2.6 TFLOPS de la anterior generación, lo que significa 1 .000.000.000.000 más de operaciones de coma flotante en cada segundo.
• Soporte de hasta 24 GB de memoria unificada y con controladores mejorados para un mayor ancho de banda y menor latencia.
• Ancho de banda de memoria 100 GB/s.

Al igual que ocurría con el M1, el M2 también se presenta en varias configuraciones según los núcleos activos, pudiendo encontrar chips con 8+8 núcleos de CPU/GPU o de 8+10.

M1 vs M2: diferencias y mejoras

El nuevo M2 ha supuesto un paso adelante con respecto al M1. Sin embargo, debido a la mayor cantidad de núcleos de la edición Pro, Max y Ultra, lo cierto es que ha quedado por detrás de estos otros hasta que aparezcan las versiones Pro, Max y Ultra del M2, si es que llegan a aparecer antes del M3.

Sorprende en las pruebas de rendimiento ver que en el benchmark Geekbench en multi-core se consiguen diferencias notables entre todos los procesadores anteriores, siendo el más rápido el M1 Ultra, dado su mayor número de núcleos, como era de esperar. En cambio, en las pruebas single-core, las diferencias son inferiores entre el Pro, Max y Ultra, dadas sus similitudes. Y en este caso sí que sorprende que el M2 en single-core esté un poco por detrás de esas ediciones del M1, aunque considerablemente por delante del M1.

Según las pruebas realizadas, el rendimiento single-core se ha mejorado un 11.5% respecto al M1, mientras que el rendimiento multi-núcleo se ha mejorado hasta un 20% respecto al M1. Cifras que dejan ver que el M2 puede dejar cifras realmente sorprendentes cuando se vean las versiones derivadas Pro, Max y Ultra, que sí que deberían superar en todas las pruebas a todas las versiones del M1.

Las variantes del M2

Por ahora, poco se sabe del chip Apple M3 o si habrá variantes del M2 antes de que aparezca el M3. Pero es probable que el próximo año aparezcan variantes del M2 fabricadas en nodo de 3nm de TSMC de primera generación y de forma exclusiva como ha sucedido con la línea de 5nm (dejando el proceso 3nm+ para el M3). Por ejemplo, las unidades:

• M2 Pro: cuando aparezca es probable que cuente con 10 núcleos de CPU y 20 de GPU. De ellos, unos serán de alta eficiencia energética y otros de baja. Por supuesto, también es probable que siga el mismo camino del M1 Pro y no agregue más unidades Neural Engine con respecto al M2 base.
• M2 Max: en este caso también se aumentará la cantidad de núcleos de GPU, probablemente dejando los mismos núcleos de CPU con respecto al M2 Pro, aunque variando la cantidad de núcleos de alto rendimiento, que crecerá frente a los de bajo rendimiento.
• M2 Ultra: nuevamente un aumento de la cantidad de núcleos de CPU y GPU. Con mayor ancho de banda y más núcleos Neural Engine que los anteriores.
• M3: es posible que sea el primero en estrenar el nodo de fabricación de 3nm mejorado, y que integre una cantidad de CPUs y GPUs similar al M1 y M2, así como unidades Neural Engine, todas de nueva generación. Además, lo más seguro es que, esta vez sí, aparezcan funciones novedosas frente al M2 como ha ocurrido con el M2 respecto al M1. Por ejemplo, es posible que aparezcan controladores para el próximo sustituto de Thunderbolt/USB4.

Los nuevos chips M2 y sus variantes irán destinados a los nuevos Macbook Air y Macbook Pro, que es probable que no tengan otras actualizaciones más allá de estos nuevos chips. Además, los M2 base también pasarán a usarse en los nuevos tablets de alto rendimiento de la firma, como los Apple iPad Air y el iPad Pro.