Společnost Apple inovuje koncepci vnitřního uspořádání a fungování komponent v noteboocích. S příchodem čipů M1 do nových počítačů Mac představil Apple novou „Architekturu sjednocené paměti“ (UMA), která značně urychluje operace s pamětí. Podívejme se, jak tato paměť funguje v Apple Silicon.
Jak Apple Silicon pracuje s operační pamětí RAM
Pokud jste tuto informaci dosud nezachytili, Apple v listopadu 2020 představil novou řadu počítačů Mac. Nové modely, jako MacBook Air, MacBook Pro a Mac Mini, využívají procesor M1, který je postaven na architektuře ARM a byl vyvinut na zakázku společností Apple. Tento krok byl dlouho očekáván a představuje vyvrcholení desetileté práce Applu na návrhu procesorů ARM pro iPhone a iPad.
Čip M1 je systém na čipu (SoC), což znamená, že uvnitř procesoru se nenachází pouze CPU, ale také další klíčové prvky, včetně GPU, I/O řadičů, Neural Engine od Applu pro úlohy umělé inteligence, a co je pro nás důležité, i fyzická RAM je součástí stejného balení. Pro upřesnění, RAM nespočívá na stejném křemíkovém substrátu jako hlavní části SoC, ale je umístěna vedle, jak je vidět na obrázku.
Umístění RAM do SoC není novinkou. SoC pro chytré telefony mohou RAM obsahovat a rozhodnutí Applu umístit RAM moduly stranou je něco, co jsme u společnosti mohli pozorovat minimálně od roku 2018. Pokud se podíváte na iFixit teardown pro iPad Pro 11, uvidíte, že RAM sedí vedle procesoru A12X.
Novinkou je, že tento přístup přichází i do Macu, plnohodnotného počítače, který je určen pro náročnější úlohy.
Co jsou RAM a paměť?
RAM je zkratka pro Random Access Memory (paměť s náhodným přístupem). Jedná se o primární součást systémové paměti, která slouží jako dočasné úložiště pro data, která počítač aktuálně používá. Může to být cokoliv, od souborů potřebných ke spuštění operačního systému přes tabulku, kterou právě upravujete, až po obsah otevřených záložek v prohlížeči.
Když se rozhodnete otevřít textový dokument, vaše CPU obdrží instrukce a program, který se má použít. CPU pak načte všechna data potřebná k těmto operacím do paměti. Poté CPU spravuje změny provedené v dokumentu tím, že přistupuje a manipuluje s obsahem v paměti.
RAM má obvykle podobu dlouhých tenkých tyčinek, které se vkládají do specializovaných slotů na základní desce notebooku nebo stolního počítače, jak je ukázáno výše. RAM může být také jednoduchý čtvercový nebo obdélníkový modul připájený k základní desce. Ať už tak či onak, RAM pro PC a Mac byla tradičně oddělenou komponentou s vlastním prostorem na základní desce.
M1 RAM: Diskrétní soused
Fyzické moduly RAM jsou tedy stále samostatné, ale nacházejí se na stejném zeleném substrátu jako procesor. „Aha,“ možná si říkáte, „tak to je ten velký rozdíl?“ Důsledkem tohoto uspořádání je především rychlejší přístup k paměti, což přirozeně zlepšuje celkový výkon. Apple navíc v rámci systému upravuje způsob, jakým se paměť používá.
Apple svůj přístup nazývá „Architektura sjednocené paměti“ (UMA). Hlavní myšlenkou je, že RAM v M1 tvoří jeden společný fond paměti, ke kterému mají přístup všechny části procesoru. To znamená, že pokud GPU potřebuje více systémové paměti, může si ji přidělit, zatímco ostatní části SoC se omezí. Ještě lepší je, že není nutné vyčleňovat části paměti pro každou součást SoC a následně přesouvat data mezi těmito prostory. GPU, CPU a další části procesoru mohou pracovat se stejnými daty na stejné paměťové adrese.
Pro lepší pochopení si představme, jak funguje videohra. CPU nejprve přijme všechny instrukce pro hru a poté odešle data potřebná pro GPU. Grafická karta si tato data vezme a zpracuje je pomocí vlastního procesoru (GPU) a integrované paměti RAM.
I když máte procesor s integrovanou grafikou, GPU obvykle spravuje vlastní část paměti, stejně jako procesor. Oba pracují se stejnými daty nezávisle a výsledky si vzájemně předávají. Eliminací nutnosti neustálého přesouvání dat je jasné, že udržování všech dat ve stejném virtuálním úložišti může vést ke zlepšení výkonu.
Zde je popis, jak Apple prezentuje architekturu sjednocené paměti na oficiální stránce M1:
„M1 také obsahuje naši architekturu sjednocené paměti (UMA). M1 sjednocuje svou paměť s vysokou propustností a nízkou latencí do jednoho fondu v rámci vlastního balíčku. Díky tomu mají všechny technologie v SoC přístup ke stejným datům bez nutnosti jejich kopírování mezi jednotlivými paměťovými fondy. To výrazně zlepšuje výkon a energetickou efektivitu. Video aplikace jsou plynulejší. Hry jsou bohatší a detailnější. Zpracování obrazu je bleskové. A celý systém je celkově svižnější.“
Nejde jen o to, že každá součást má přístup ke stejné paměti na stejném místě. Jak uvádí Chris Mellor v The Register, Apple zde využívá paměť s vysokou propustností. Paměť je umístěna blíže CPU (a dalším komponentám) a přístup k ní je rychlejší, než by byl přístup k tradičnímu čipu RAM připojenému k základní desce prostřednictvím rozhraní socket.
Apple není první, kdo vyzkoušel Unified Memory
Diagram NVIDIA z počátků funkce Unified Memory společnosti.
Apple není první společností, která se touto problematikou zabývá. Například NVIDIA začala nabízet vývojářům hardwarové a softwarové řešení, které se nazývá Unified Memory, přibližně před šesti lety.
Pro NVIDIA Unified Memory nabízí jediné paměťové místo, které je „přístupné z libovolného procesoru v systému“. Ve světě NVIDIA, pokud se jedná o CPU a GPU, přistupují na stejné místo pro stejná data. Avšak v zákulisí systém přesouvá potřebná data mezi oddělenou pamětí CPU a GPU.
Pokud je nám známo, Apple nepoužívá zákulisní techniky. Každá část SoC má přístup k přesně stejnému umístění dat v paměti.
Závěrem lze říci, že Apple UMA dosahuje vyššího výkonu díky rychlejšímu přístupu k RAM a sdílenému fondu paměti, který eliminuje výkonnostní penalizace spojené s přesunem dat na různé adresy.
Kolik RAM potřebujete?
Řešení Applu není jen samá pozitiva. Vzhledem k hluboké integraci modulů RAM v čipu M1 nelze RAM po zakoupení upgradovat. Pokud si koupíte 8GB MacBook Air, později již nemůžete RAM tohoto zařízení navýšit. Je pravda, že upgradování RAM u MacBooků již delší dobu není možné. To platilo pro předchozí modely Mac Mini, ale ne pro nové verze M1.
První M1 Mac má maximální kapacitu 16 GB – můžete si pořídit M1 Mac s 8 GB nebo 16 GB paměti, ale více již nezískáte. Už se nejedná o pouhé zapojení modulu RAM do slotu.
Kolik RAM tedy potřebujete? U počítačů se systémem Windows se obecně doporučuje, že 8 GB je více než dostačující pro základní výpočetní úkoly. Hráčům se doporučuje zvýšit tuto kapacitu až na 16 GB a uživatelé s profesionálními nároky by měli zvážit i dvojnásobek pro úlohy, jako je úprava velkých video souborů ve vysokém rozlišení.
Podobně u M1 Maců by měl základní model s 8GB RAM stačit většině uživatelů. Dokonce by měl zvládnout i náročnější každodenní použití. Těžko však říci, protože většina benchmarků, které jsme viděli, testuje M1 na syntetických benchmarcích, které zatěžují CPU nebo GPU.
Důležité je, jak dobře si M1 Mac poradí s během několika programů a velkým množstvím otevřených záložek v prohlížeči. Je třeba mít na paměti, že se netestuje pouze hardware, protože optimalizace softwaru může vést ke zlepšení výkonu. Proto je takový důraz kladen na benchmarky, které dokážou skutečně otestovat hardware. Nicméně většina uživatelů chce vidět, jak si nové počítače Mac poradí při používání v „reálném světě“.
Stephen Hall z 9to5Mac dosáhl s M1 MacBook Air s 8GB RAM působivých výsledků. Aby se notebook začal zpomalovat, musel mít otevřené jedno okno Safari s 24 webovými stránkami, dalších šest oken Safari přehrávalo video v rozlišení 2160p a na pozadí běželo Spotify. Navíc ještě pořizoval snímky obrazovky. „Teprve pak se počítač konečně zadrhl,“ uvedl Hall.
Matthew Panazarino z TechCrunch šel ještě dál s M1 MacBook Pro s 16GB RAM. Otevřel 400 záložek v Safari (plus měl spuštěných několik dalších programů) a počítač běžel bez problémů. Zajímavé je, že stejný test zkusil s prohlížečem Chrome, ale Chrome se zhroutil. Nicméně uvedl, že zbytek systému fungoval dobře i přes problémy s prohlížečem Google. Během testů si dokonce všiml, že notebook v jednom okamžiku používá odkládací prostor, ale nedošlo ke znatelnému snížení výkonu.
Když počítači dojde operační paměť RAM, využije dostupné úložiště SSD nebo pevný disk jako dočasný fond paměti. To může způsobit znatelné zpomalení výkonu, i když ne u počítačů M1 Mac, jak se zdá.
Jedná se pouze o běžné každodenní zkušenosti, nikoli o formální testy. Přesto pravděpodobně odrážejí, co lze očekávat při intenzivním každodenním používání. Vzhledem k vylepšenému přístupu k paměti by mělo 8 GB RAM stačit většině lidí, kteří neotvírají stovky záložek v prohlížeči.
Pokud však často upravujete velké obrázky nebo video soubory o velikosti mnoha gigabajtů a zároveň máte otevřeno několik desítek záložek a streamujete film na externím monitoru, pak je 16GB model pravděpodobně lepší volbou.
Není to poprvé, co Apple přehodnotil své systémy Mac a přešel na novou architekturu.