Apple Silicon: Asymmetrische Cores, PCIe und ein neuer Bootprozess

tl;dr: Bis zum Ende dieses Jahres wird Apple Silicon den ersten Mac antreiben und den Abschied von Intel-Prozessoren einläuten. Was das erste System-on-a-Chip genau leisten wird, ist noch nicht bekannt, denn Entwickler erhalten im DTK den bekannten A12Z Bionic. Apples Entwicklerdokumentation gibt aber erste SoC-Details preis.

Multi-Core-Prozessoren gibt es seit vielen Jahren im Mac, bisher weisen deren Kerne im Falle von Intel aber eine vergleichbare Leistung auf. Ein Core i9-9980HK, wie er zum Beispiel optional im MacBook Pro zum Einsatz kommt, bietet acht gleiche Kerne.

Developer Transition Kit kommt mit A12Z Bionic

In den iPhone- und iPad-Prozessoren von Apple ist die Aufteilung hingegen eine andere. Dort gibt es asymmetrische Cores für asymmetrisches Multiprocessing auf High-Performance-Kernen (P Cores) und energieeffizienten Kernen (E Cores). Der A12Z Bionic etwa besitzt vier Vortex getaufte P-Cores und vier Tempest genannte E-Cores. Apple nutzt das aus dem iPad Pro bekannte System-on-a-Chip für das Developer Transition Kit (DTK) – ein Mac mini mit Apple Silicon.

Apple-Silicon-Macs nutzen asymmetrische Cores

Apple setzt für das DTK auf einen bekannten Prozessor in einem stationären Mac, damit zum einen keine Rückschlüsse auf neue Chips und zum anderen auf die Leistung und Energieeffizienz in einem per Akku betriebenen Mac möglich sind – jegliche Benchmarks auf dem DTK sind Entwicklern strikt untersagt. Aus Apples Entwicklerdokumentation geht aber hervor, dass nicht nur das DTK mit A12Z Bionic, sondern auch neue Macs auf Basis von Apple Silicon SoCs mit asymmetrischem Core-Design verwenden werden. Ex-Apple-Zulieferer Intel wird mit Lakefield demnächst einen ähnlichen Schritt gehen.

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Apple integriert T2-Features in das SoC

Aktuelle Macs nutzen eine CPU mit integrierter Grafikeinheit und zugehörigem Arbeitsspeicher sowie je nach Modell zusätzlich eine diskrete Grafikkarte mit eigenem Speicher. Darüber hinaus ist in allen aktuellen Macs Apples T2-Chip verbaut, in den die Secure Enclave, der Storage-Controller, ein Motion-Coprozessor und ein eigener Bildprozessor (ISP) integriert sind. Mit Apple Silicon wird sich Apple von diesem Aufbau verabschieden. Neue Apple-Silicon-Macs werden all diese Komponenten zu einem System-on-a-Chip mit einem gemeinsamen Speicher (Unified Memory Architecture) integrieren, wie Gavin Barraclough aus Apples Core-OS-Gruppe bestätigt hat.

Durch die Vereinheitlichung aller Komponenten auf einen Chip kann Apple auch aus dem iPhone und iPad bekannte Features wie den Video-Encoder und Decoder, die Neural Engine und die Beschleuniger für Machine Learning auf den Mac bringen.

Kommt die Abkehr von diskreten Grafikkarten?

CPU und GPU neuer ARM-Macs werden auf denselben Speicher zugreifen. Bei der Grafikberechnung müssen Daten auf Apple-Silicon-Macs nicht länger über einen PCIe-Bus ausgetauscht werden, so Apple, was Raum für Spekulationen lässt, dass Apple bei den neuen Macs auf den Einsatz diskreter Grafiklösungen verzichten wird. Das würde nach Intel auch das Aus für AMD im Mac bedeuten. Bestätigt ist dies bisher aber nicht.

Nach aktuellem Stand erscheint es wenig realistisch, dass Apple die Grafikleistung einer AMD Radeon Pro 5600M, wie sie im MacBook Pro verbaut wird, oder gar einer Radeon Pro Vega II aus dem Mac Pro in ein SoC integrieren kann. Auf der anderen Seite sollen mit Apple Silicon aber selbst Prozessoren wie Intels 28-Kerner Xeon W-3275M abgelöst werden. Dass Apple extrem schnelle GPUs bauen kann, zeigen die A-Chips aus iPhone und iPad. Und wenn Apple eigene Beschleuniger wie Afterburner bauen kann, warum dann nicht auch eigene diskrete Grafiklösungen? Nicht jedes Apple Silicon muss zwangsläufig ein SoC sein, es könnten auch eigene Grafikkarten entstehen.

PCIe-Geräte erhalten eigene IOMMUs

Denn PCIe-Lanes und Geräte wird es mit Apple Silicon weiterhin geben, auch, um etwa den Flash-Speicher des Systems oder diverse Controller für Thunderbolt anzusprechen, sofern Apple mit der Abkehr von Intel noch auf diesen Standard setzen und nicht zu USB 4 wechseln wird, das nach Standard 3x2 ebenfalls 40 Gbit/s bietet und optional um alle Thunderbolt-4-Features erweitert werden kann. Das Design der I/O Memory Management Units (IOMMU) wird bei Apple Silicon aber ein anderes sein. Intel-basierte Macs nutzen eine IOMMU für alle PCIe-Geräte, während Apple Silicon eine IOMMU pro PCIe-Gerät nutzen wird. Das soll dafür sorgen, dass diese Geräte nur auf den Speicher zugreifen können, der für dieses Gerät vorgesehen war. Apple will mit dieser Maßnahme zudem unterbinden, dass PCIe-Geräte sich gegenseitig „belauschen“ können.

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Apropos Sicherheit: Apple-Silicon-Macs kommen mit einem vollständig neu gestalteten Bootprozess, der Anwendern und Entwicklern neue und vor allem sicherere Optionen zur Verfügung stellt. Mehr zu diesem und weiteren Themen folgt auf der nächsten Seite.