苹果M3芯片的猜想

来源:半导体行业观察发布时间:2023-07-19673浏览

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随着 M2 Ultra 的推出，为我们带来了Mac Studio 更新和新的Mac Pro。从这颗芯片开始，苹果也已经完成了从英特尔到自研芯片的过渡，并完成了 M2 系列处理器。

现在，所有人的目光都聚焦在M3身上。报道称，苹果公司已经在用 M3 测试新款笔记本电脑，第一台可能会在今年晚些时候上市。我们对 M3 还不太了解，只知道它很可能采用台积电的 3nm 制造工艺制造。

如果我们想了解 M3 的前景，我们可以了解 M 系列处理器的演变以及它们与 iPhone 和 iPad 中使用的 A 系列的关系。在苹果告诉我们之前，没有人真正知道 M3 会带来什么，但我们可以利用过去来帮助预测未来。

M3 与 A16 有何关系

去年年初，当我们评估 M2 处理器的性能时，我们的假设基于一个简单的概念：就像 M1 本质上是一个大 A14 进行一些调整一样，M2 将是一个大 A15。如果你看一下A15和A14之间的性能差异，你就可以估算出M2和M1之间的性能差距。

结果非常好——我们的预测离我们并不遥远。我们相信 M3 将基于 A16 中相同的架构更新，只是同样具有更多核心和一些其他调整。可以公平地说，M3 与 M2 的性能差距与 A16 与 A15 的性能差距相同吗？这可能过于简单化了，但对于至少还需要几个月的处理器讨论来说，这是最好的起点。

台积电3nm工艺

到目前为止所有的传言都说M3将采用3nm芯片，由苹果的合作伙伴台积电制造。事实上，这就是为什么我们今年可能看不到基于 M3 的产品的原因之一。台积电的 3nm 工艺仍属于新兴工艺，产能相对较小，苹果今年秋季将其全部用于 iPhone 中的 A17。那些更大（且产量较低）的 M 系列芯片需要等待台积电的制造能力提高，而这可能要到 2024 年才会实现。

但无论时间如何，制造业的这种转变确实给我们的业绩预测带来了一些小问题。A14、A15、A16、M1和M2均采用台积电5nm工艺的各个版本制造。跃升至 3nm 是一件相当大的事情——它带来了更大的密度，并且应该允许更快的时钟速度、更低的功耗，或者两者兼而有之。

更大的密度意味着苹果将拥有容纳更多内核、更多缓存或其他功能的空间，使 M3 从 A16 设计实现比 M2 到 A15 更大的飞跃。

M3：CPU 性能估计

我们首先来看看最近A系列芯片的单核CPU性能的演变。我们预计 Geekbench 6.1 同比增长约 9-10%。

尽管所有三款芯片都具有相同的核心数量：两个高性能核心和四个高效核心，但多核性能的改进却更高，每年在 15-20% 的范围内。

这将如何转化为 M3 的性能？我们从 M2 分数开始，然后添加我们在 A15（M2 所基于的）和 A16（M3 可能基于的）之间看到的相同性能差异。这就是我们发现的……

单核得分约为 2900 分左右，M3 与英特尔第 13 代（Raptor Lake）CPU 处于同一水平。目前最快的 Intel 和 AMD 台式机 CPU 得分约为 3,000 分或稍低一些，而用于轻薄笔记本电脑的最高性能芯片则在 2,500-2,600 分范围内。自从 M1 以其性能和效率震惊处理器行业以来，英特尔和 AMD 已经取得了巨大的进步，而苹果需要通过 M3 在单核性能上实现惊人的巨大性能飞跃才能保持领先地位。

M3 的多核 Geekbench 分数超过 11,000 分，这是假设苹果提供了与 A16 相同的多核性能提升，但并没有假设核心数量比 M2 有所增加。M3 Max 得分超过 16,000 分也是如此。虽然这些分数都不错，但英特尔和 AMD 最好的台式机 CPU 目前的分数约为 20,000。

16,000 的分数与当今最好的 Intel/AMD 笔记本电脑芯片一致，只有当您考虑功耗非常有限的竞争对手时，11,000 才具有竞争力。

然而，彭博社的 Mark Gurman 报道称，正在测试的 M3 Pro 版本目前拥有 12 个核心：6 个高性能核心和 6 个高效率核心。每个 M2 都有四个效率分数，因此苹果可能至少在 M3 Pro/Max 甚至整个 M3 系列中添加了几个效率核心。如果发生这种情况，您可能会看到多核性能提高 1,000 点左右。

当 M3 产品上市时，英特尔和 AMD 预计将推出新一代处理器，进一步提高性能和效率。在多核性能方面，M3 一代必须做出超出预期的改进，才能超越英特尔和 AMD 所取得的进步。

M3 和 M3 Max GPU 性能估计

当预测 GPU 性能时，情况会发生一些变化。苹果在 M2 中添加了 GPU 核心，并且看起来很可能会对 M3 代做同样的事情。M2 将最大 GPU 核心数从 8 个减少到 10 个，M2 Pro 从 16 个减少到 19 个，M2 Max 从 32 个减少到 38 个。（M2 Ultra 是两个 M2 Max 芯片缝合在一起的。）

Mark Gurman 泄密称，基本型号 M3 Pro 有 18 个 GPU 核心，比基本型号 M2 Pro 增加了两个核心；因此，配备齐全的M3 Pro可能有20-24个。由此我们可以推断 M3 将有 10-12 个 GPU 核心，M3 Max 将有 40-48 个 GPU 核心。

以下是 Geekbench 6 中 Apple A 系列芯片上的 GPU 计算性能。

这会对 GPU 性能产生什么影响？我们的估计是从 A15 到 A16 的飞跃，并将其应用于 M 系列。

对于使用 Metal API 的 GPU 计算性能，这意味着 M3 的得分接近 45,000，M3 Max 的得分超过 155,000。这些数字相当可观，但远远落后于 PC 端最好的显卡，后者在该基准测试的 OpenCL 版本上得分在 250-300k 之间。与基于 Intel 的 Mac 配合使用的最佳 Radeon 卡得分超过 200,000。如果 Apple 按预期增加核心数量，您可以将这些分数增加约 10%。

当然，这些都不适合笔记本电脑。苹果现在的策略是，将尽可能多的 GPU 性能压缩到具有共享内存的单个片上系统中，这意味着强大的功耗和散热性能。最快的分数将由耗电的桌面部件主导，这些部件可以为 CPU 和 GPU 分别提供数百瓦的功耗，而现在这完全是 Windows 和 Linux PC 的领域。

GPU 运行计算算法的速度是一回事，但真正让人兴奋的是高端游戏的 3D 图形性能。由于添加了第五个 GPU 核心，从 A14 到 A15 的图形性能有了很大提高，但 A16 仍然设法在保持相同核心数量的同时，实现了超过 12% 的性能提升，这主要归功于更快内存的使用。

M系列不断增加核心，预计还会再次增加。我们的估计表明性能得到了可观的提升，但同样，这与耗电的显卡相比还相差甚远。即使您将额外核心的估计值增加 10%。

M3 Max 的得分为 28,000 分，与 GeForce RTX 3070 处于同一水平。对于可用于笔记本电脑的大型片上系统来说，这令人印象深刻，但远远落后于当今最好的台式机 GPU。

苹果可能还会给我们带来惊喜

当然，我们的性能假设着眼于从 A15 到 A16 的飞跃，并假设从 M2 到 M3 的飞跃同样如此。但如果所有传言属实，M3 将采用新的 3nm 制造工艺，这可能会大幅增加晶体管数量。可以肯定的是，M3 之于 M2 就像 A16 之于 A15 一样，但我希望有更多。

这可以通过多种方式体现出来：更多的内核、更多的缓存，甚至是为了提高吞吐量而进行的基本设计更改。关于几个额外效率核心的传言是合理的，但还有空间容纳一两个以上的高性能核心。或者，高性能核心可能根本不遵循 A16 的架构——也许苹果有时间采用下一种设计，即可能出现在 A17 中的设计。

GPU架构有点老旧了，在A16一代中并没有真正改变。也许M3会有全新的GPU核心设计？对光线追踪加速的期望是否过高？

当然，人工智能和机器学习对苹果来说非常重要。升级的神经引擎并非不可能。

我抱怨说A16 本质上是 A15+，这种芯片除了提升的时钟速度和更快的内存之外几乎没有什么可展示的。据推测，最初的 A16 设计与 A15 更加不同，旨在成为 3nm 芯片。但去年秋天，台积电的工艺未能及时准备好生产数千万部 iPhone，因此我们得到了经过调整的 A15。但随着 M3 可能会晚得多，它可能会利用一些原本为 A16 设计的设计变更和增强功能，但从未实现过。

当M1发布时，整个CPU行业都陷入了停滞。到M3发布的时候，已经过去三年多了，Intel和AMD都有时间做出调整，将性能和效率推向新的高度。如果 Apple 想要继续以其性能和效率给人留下深刻印象，M3 就必须提供比 M2 更高的性能飞跃。它需要的不仅仅是从 A15 到 A16 的过渡，转移到笔记本电脑和台式机芯片上。与 5nm A16 相比，转向 3nm 工艺使苹果有机会做更多的事情来将 M3 与其前身分开，并且为了保护其声誉，它必须这样做。

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