苹果Mac换用ARM架构：M1跑X86软件为什么不会卡？

相信大家都已经知道，苹果在最新一场秋季发布会中，宣告了全新的MacBook产品。新MacBook换用了苹果自研的基于ARM架构的M1芯片，苹果从X86阵营转向，投入了ARM的怀抱。

苹果MacBook换用ARM芯片
在传统观念中，ARM是用于移动平台的架构，和桌面的X86芯片相比，ARM芯片的能效更高，但性能羸弱。这次苹果MacBook换用ARM，同时macOS 11仍对以往基于X86 macOS开发的软件兼容，这就让很多朋友感到困惑――用新的MacBook跑当前的X86软件，到底会不会卡？

之前使用ARM芯片的SuRFace平板，运行X86软件效果并不理想，MacBook会重蹈覆辙吗？
这种担心是有道理的。在此之前，微软已经做过了这方面的尝试。微软推出了使用ARM芯片的Surface Pro X平板电脑，兼容X86的Win10软件。然而人们发现，体验并不理想，传统软件运行起来缓慢迟钝。换用ARM芯片的MacBook会不会有这样的问题？这就来分析一下。
MacBook的ARM芯片足够强吗？
新MacBook跑旧软件到底慢不慢，最关键的因素自然是新的M1芯片。人们普遍认为，ARM芯片的性能水平无法和X86比肩，毕竟ARM是简单指令集RISC而X86是复杂指令集CISC，复杂指令集自然强大得多，但事实上这是一个误会。

在规模上，苹果M1芯片足以和顶尖的X86桌面处理器并驾齐驱
CPU发展到今天，RISC和CISC的边界其实已经相对模糊了。在当前的X86处理器中，复杂指令也是会分拆成为类简单指令来执行的。
而在规模上，苹果设计的ARM芯片已经追赶上了X86，例如A14的芯片面积为88mm，共118亿个晶体管，而AMD最新发布的Zen3处理器中一个CCD的面积为80.7mm，共41.5亿个晶体管。考虑到A14还封装了AI模块、GPU等，A14芯片使用的是5nm工艺，而5800X使用的是7nm工艺，事实上大家的CPU单元部分，规模已经是并驾齐驱。
了解了规模，再来看看性能实测，这里引用Anandtech的数据。Anandtech使用了行业权威性能测试套件SPEC 2006来对比测试苹果A14、AMD Zen3以及英特尔Tiger Lake的性能，结果如下。
首先是整数性能，可以看到A14并不落下风。

再来看看浮点性能，A14和Zen3要明显领先于Tiger Lake。

Anandtech还使用了大家非常熟悉的Geekbench来测试，结果如下。

可以看到，在单线程性能上，A14的确已经能追上当前顶级的X86处理器。这次苹果MacBook使用的M1处理器，架构和A14相似，但规格更高，晶体管规模达到了160亿个，增加了两个大核心，在性能上方面是可以令人放心的。
其实到了这里，我们也不难找出为什么Surface Pro X运行缓慢的原因。Surface Pro X使用的是高通SQ1/SQ2处理器，这基本是骁龙855的马甲。而即使是骁龙865 ，对比A14以及最新的X86处理器，性能也依然不太够看……
此情此景下，加之Win10 on ARM较低下的指令翻译效率，Surface Pro X运行X86软件的体验就不甚理想了。是的，到了这里大家应该也能看到ARM处理器运行X86软件，除了自身性能之外的其他影响因素了――操作系统的指令翻译效率。
macOS 11的指令翻译效率高吗？
X86软件想要在ARM芯片上运行，需要进行指令翻译。虽然ARM指令集并不意味着性能低下，但毕竟它和X86还是不同的，指令需要翻译过来，才能让ARM芯片执行。
在今年的WWDC大会上，苹果已经公布了指令翻译的方案。苹果宣布，将会为macOS平滑过渡到ARM平台，推出Rosetta 2中间转换层。如果你是老果粉，对于Rosetta这个词一定很熟悉――苹果Mac电脑当年从IBM PowerPC架构，迁移到Intel X86平台，所使用的转换层正是Rosetta。

Mac迁移平台这事，苹果已经干过一次了，当年Mac从PPC迁移到X86的兼容层被称为“Rosetta”
Rosetta 2的作用在于，它通过指令翻译，可以让ARM平台的macOS，直接运行绝大部分的X86软件。从苹果的介绍来看，Rosetta 2的性能还相当不错，它并不是在软件运行的时候，才翻译指令的，而是在软件安装时就做好了转换。
当然，这也并非说Rosetta 2可以实现性能完全无损，它对AVX指令兼容并不好，如果X86软件依赖AVX乃至AVX2，那么在ARM平台上由于没有对应的高性能指令，运行效率会有明显下滑。并不是所有的软件都会用到AVX指令集，总体来说，Rosetta 2的性能应该还是可以接受的。

这次Mac从X86迁移到ARM，Rosetta 2对旧有X86软件的兼容也起着至关重要的作用
至于Rosetta 2的实际表现会如何？我们可以从两方面来衡量。
首先是参考Rosetta。苹果从PowerPC迁移到X86时，也使用了类似方案，当年并没有太多人抱怨Rosetta性能低下，我们自然也可以对Rosetta 2抱有期待。
其次是参考开发者的实测。实际上，苹果早前就已经推出了基于A12Z芯片的Mac mini开发机，开发者们很早就能接触到Rosetta 2，但到目前为止并没有什么关于Rosetta 2性能低下的爆料，可见Rosetta 2的实战表现应该相当不错。

MacBook换用ARM之前，ARM的Mac mini开发机早已经有了，没有传出性能方面的负面消息
到了这里，我们又可以来分析一下为什么Surface Pro X的表现会如此糟糕了。在Surface Pro X的Windows 10 on ARM中运行X86软件，是边转码边运行的，并不像苹果Rosetta 2那样在安装时作好转码工作，运行时无需再次转码。加上性能较弱的SQ1/SQ2处理器，运行X86软件拖慢卡顿也就在情理之中了。
总结
到了这里，相信大家都可以得出结论了。MacBook使用的M1处理器性能非常强大，足以和顶尖的X86处理器同台竞技；而苹果又在macOS 11中准备了高效的Rosetta 2指令翻译方案，因此对于能否流畅运行之前的X86软件，大家无需太过担心。
根据苹果的说法，情况要比笔者文中分析的更加乐观。苹果宣称，M1要比之前MacBook所使用的X86处理器性能高1倍，同时功耗仅为25%。从各种角度来看，新的MacBook都非常值得期待，一起来静待上市实测吧。


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