In 2020 deed Apple een gewaagde zet; ze dumpten Intel en schakelden over op hun eigen silicium voor het aandrijven van hun MacBooks. Hoewel de overstap naar de ARM-architectuur van de x86-ontwerptaal verschillende wenkbrauwen deed fronsen, heeft Apple bewees dat iedereen ongelijk had toen de MacBooks aangedreven door Apple-silicium verbluffende prestaties per watt.
Volgens verschillende experts was de verschuiving naar de ARM-architectuur een grote reden voor de boost in de prestaties / watt. De nieuwe Unified Memory Architecture speelde echter ook een cruciale rol bij het verbeteren van de prestaties van de nieuwe generatie MacBooks.
Dus, wat is Apple's Unified Memory Architecture en hoe werkt het? Nou, laten we het uitzoeken.
Waarom heeft uw computer geheugen nodig?
Voordat we ingaan op Apple's Unified Memory Architecture, is het essentieel om te begrijpen waarom primaire opslagsystemen zoals Random Access Memory (RAM) in de eerste plaats nodig zijn.
Zie je, een traditionele processor draait op een kloksnelheid van 4 GHz gedurende een
Turbo Boost. Bij deze kloksnelheid kan een processor taken in een kwart nanoseconde uitvoeren. Opslagschijven, zoals SSD's en HDD's, kunnen echter slechts om de tien milliseconden gegevens aan de CPU leveren - dat is 10 miljoen nanoseconden. Dat betekent dat in de tijd tussen de verwerking van de gegevens waaraan de CPU werkt en het ontvangen van de volgende batch informatie, de CPU inactief is.Dit laat duidelijk zien dat opslagschijven de snelheid van de processor niet kunnen bijhouden. Computers lossen dit probleem op door primaire opslagsystemen zoals RAM te gebruiken. Hoewel dit geheugensysteem geen gegevens permanent kan opslaan, is het veel sneller in vergelijking met SSD's - het kan gegevens verzenden in slechts 8,8 nanoseconden: oneindig sneller dan de snelste SSD's van dit moment.
Door deze lage toegangstijd kan de CPU gegevens sneller ontvangen, waardoor deze continu informatie kan doorzoeken in plaats van te wachten tot de SSD een nieuwe batch verzendt voor verwerking.
Vanwege deze ontwerparchitectuur worden programma's in de opslagstations verplaatst naar het RAM en vervolgens toegankelijk voor de CPU via de CPU-registers. Daarom verbetert een sneller primair opslagsysteem de prestaties van een computer, en dat is precies wat Apple doet met zijn Unified Memory Architecture.
Begrijpen hoe traditionele geheugensystemen werken
Nu we weten waarom RAM nodig is, moeten we begrijpen hoe de GPU en de CPU het gebruiken. Hoewel zowel de GPU als de CPU zijn ontworpen voor gegevensverwerking, is de CPU ontworpen om berekeningen voor algemene doeleinden uit te voeren. Integendeel, de GPU is ontworpen om dezelfde taak op verschillende kernen uit te voeren. Vanwege dit verschil in ontwerp is de GPU zeer efficiënt in beeldverwerking en -weergave.
Hoewel de CPU en GPU verschillende architecturen hebben, zijn ze voor het ophalen van gegevens afhankelijk van primaire opslagsystemen. Er zijn twee soorten Random Access Memories op een traditioneel systeem met een speciale GPU. Dit is het VRAM en het systeem-RAM. Ook bekend als Video RAM, is het VRAM verantwoordelijk voor het verzenden van gegevens naar de GPU en het systeem-RAM draagt gegevens over naar de CPU.
Maar om geheugenbeheersystemen beter te begrijpen, laten we eens kijken naar een voorbeeld uit de praktijk waarin u een game speelt.
Wanneer je het spel opent, komt de CPU in beeld en worden de programmagegevens voor het spel verplaatst naar het systeem-RAM. Daarna verwerkt de CPU de gegevens en stuurt deze naar het VRAM. De GPU verwerkt deze gegevens vervolgens en stuurt deze terug naar het RAM-geheugen zodat de CPU de informatie op het scherm weergeeft. In het geval van een geïntegreerd GPU-systeem delen beide computerapparaten hetzelfde RAM-geheugen, maar hebben ze toegang tot verschillende ruimtes in het geheugen.
Deze traditionele aanpak brengt veel gegevensverplaatsing met zich mee, waardoor het systeem inefficiënt wordt. Om dit probleem op te lossen, gebruikt Apple de Unified Memory Architecture.
Hoe werkt de Unified Memory Architecture op Apple Silicon?
Apple doet verschillende dingen anders als het gaat om geheugensystemen.
Bij generieke systemen wordt het RAM-geheugen via een socket op het moederbord op de CPU aangesloten. Deze verbinding knelt de hoeveelheid gegevens die naar de CPU wordt verzonden.
Aan de andere kant, Appel siliconen gebruikt hetzelfde substraat voor het monteren van de RAM en de SoC. Hoewel het RAM in een dergelijke architectuur geen deel uitmaakt van de SoC, gebruikt Apple een interposer-substraat (Fabric) om het RAM met de SoC te verbinden. De interposer is niets anders dan een laag silicium tussen de SOC en het RAM.
Vergeleken met traditionele sockets, die afhankelijk zijn van draden om gegevens over te dragen, laat de interposer het RAM toe om verbinding te maken met de chipset met behulp van silicium via's. Dat betekent dat de door Apple door silicium aangedreven MacBooks hun RAM rechtstreeks in het pakket hebben ingebakken, waardoor het sneller is om gegevens tussen het geheugen en de processor over te dragen. Het RAM-geheugen bevindt zich ook fysiek dichter bij waar de gegevens nodig zijn (de processors), waardoor de gegevens eerder op de plaats komen waar ze nodig zijn.
Vanwege dit verschil in het verbinden van het RAM met de chipset, heeft het toegang tot hoge databandbreedtes.
Naast het hierboven genoemde verschil, heeft Apple ook de manier veranderd waarop de CPU en de GPU toegang krijgen tot het geheugensysteem.
Zoals eerder uitgelegd, hebben de GPU en de CPU verschillende geheugenpools in traditionele instellingen. Apple daarentegen geeft de GPU, CPU en Neural Engine toegang tot dezelfde geheugenpool. Hierdoor hoeven gegevens niet van het ene geheugensysteem naar het andere te worden overgedragen, wat de efficiëntie van het systeem verder verbetert.
Door al deze verschillen in de geheugenarchitectuur biedt het Unified Memory System een hoge databandbreedte aan de SoC. Sterker nog, de M1 Ultra biedt een bandbreedte van 800 GB/s. Deze bandbreedte is aanzienlijk meer in vergelijking met krachtige GPU's zoals de AMD Radeon RX 6800 en 6800XT, die een bandbreedte van 512 GB/s bieden.
Deze hoge bandbreedte stelt de CPU, GPU en Neural Engine in staat om in nanoseconden toegang te krijgen tot enorme datapools. Bovendien gebruikt Apple LPDDR5 RAM-modules geklokt op 6400 MHz in de M2-serie om gegevens met verbazingwekkende snelheden te leveren.
Hoeveel Unified Memory heb je nodig?
Nu we een basiskennis hebben van de Unified Memory Architecture, kunnen we kijken hoeveel je ervan nodig hebt.
Hoewel de Unified Memory Architecture verschillende voordelen biedt, heeft deze nog enkele gebreken. Ten eerste is het RAM-geheugen verbonden met de SoC, zodat gebruikers het RAM-geheugen op hun systeem niet kunnen upgraden. Bovendien hebben de CPU, GPU en Neural Engine toegang tot dezelfde geheugenpool. Hierdoor neemt de hoeveelheid geheugen die het systeem nodig heeft drastisch toe.
Daarom, als u iemand bent die op internet surft en een heleboel tekstverwerkers gebruikt, zou 8 GB geheugen voldoende zijn voor u. Maar als u vaak Adobe Creative Cloud-programma's gebruikt, is het een betere optie om de 16 GB-variant te gebruiken, omdat u een soepelere ervaring zult hebben met het bewerken van foto's, video's en afbeeldingen op uw computer.
Overweeg ook de M1 Ultra met 128 GB RAM als je veel deep learning-modellen traint of werkt aan videotijdlijnen met tonnen lagen en 4K-beeldmateriaal.
Is de Unified Memory-architectuur alles ten goede?
De Unified Memory Architecture op Apple-silicium brengt verschillende wijzigingen aan in de geheugensystemen op een computer. Van het veranderen van de manier waarop het RAM is verbonden met de rekeneenheden tot het opnieuw definiëren van de geheugenarchitectuur, Apple verandert de manier waarop geheugensystemen worden ontworpen om de efficiëntie van hun systemen te verbeteren.
Dat gezegd hebbende, creëert de nieuwe architectuur een raceconditie tussen de CPU, GPU en de Neural Engine, waardoor de hoeveelheid RAM die het systeem nodig heeft, toeneemt.