苹果 M1 性能爆表 能否挑战 Windows系统

苹果发布了使用了 ARM 架构 M1 处理器的 MacBook，其惊人的能效表现，以及深度和移动平台融合的生态，给人留下了深刻的印象。M1 处理器打破了很多人 ARM 性能羸弱的固有印象，而 macOS 和 M1 的契合度，更是令人惊叹连连——M1 这颗 ARM 处理器，通过 macOS 11 中 Rosetta 2 转译层运行 X86 软件，很多时候竟然比 Intel 高端处理器原生运行 X86 软件更快！

macOS 11 兼容 ARM 芯片，从另一维度挑战 Windows

苹果 M1 的出彩，是出乎很多人的意料的。特别是对比微软在 ARM 领域的步履蹒跚，更凸显出苹果新产品的不可思议。要知道，微软早在 2012 年，就推出了使用 ARM 处理器的 Surface 平板，并为之配备了转制的 Windows RT 系统；最近，微软更是力推使用骁龙 ARM 处理器的 Surface Pro X 平板，其上搭载的是兼容 X86 软件的 Windows 10 on ARM。

微软早已经涉足 ARM 领域，推出了基于 ARM 的 Windows 平板，但表现不尽如人意

然而，微软的 ARM 产品实际表现却令人失望。初代 Surface 上的 Windows RT 无法兼容 X86 软件，而 Windows 10 on ARM 则无法运行 64 位软件，且使用 X86 软件时性能极其低下。和 M1 以及 macOS 11 相比，表现有云泥之别。

微软借助 Wintel 联盟，统治了桌面市场三十年。苹果 macOS 凭借 M1 这颗表现惊人的 ARM 芯片，能否挑战 Windows？今天一起来谈谈这个话题吧。

M1 芯片为何能有如此高性能？

Windows 的成功，和 X86 处理器在性能上的强势是密不可分的。业界有一个很著名的说法，叫 “安迪 - 比尔”定律，安迪指的是 Intel 前 CEO 安迪 · 格鲁夫，比尔则是大家都熟悉的微软创始人比尔 · 盖茨。这个定律的主要内容，就是安迪提供什么，比尔就会拿走什么，意思是 Intel 为代表的 X86 处理器提供的性能，都会被 Windows 为代表的软件吃掉。

虽然这个定律很有吐槽软件吃性能的意味，但也肯定了 X86 处理器的性能表现。而现在，M1 这颗 ARM 处理器，在轻薄笔记本的使用环境下，性能大大压过了 X86 处理器一头，这到底是怎么做到的呢？这和 M1 处理器的诸多特性是密不可分的。

· 工艺。得益于多年和台积电的密切合作，苹果 M1 处理器得以用上了最先进的 5nm 工艺，先进的工艺带来了能效方面的先天优势。而 M1 的设计也是和台积电的工艺特点相契合的，对比 Intel，台积电的工艺并不追求高频率，而 M1 的架构则主攻高 IPC，并不需要高频，双方共同铸造出了 M1 芯片的极高能效。

M1 芯片使用了与之特性相契合的先进工艺

· 规模。受益于 5nm 工艺，M1 芯片得以在有限的面积中，集成不亚于 X86 处理器规模的晶体管。M1 处理器包含 8 个 CPU 核心，芯片面积为 119mm²，集成了 160 亿个晶体管；作为对比，当前桌面顶级处理器 AMD Zen 3 中的一个 CCD 同样包含 8 个 CPU 核心，面积为 80.7mm²，集成 41.5 个晶体管。考虑到 M1 还封装了 GPU、RAM 等其他模块，事实上双方在 CPU 单元部分，规模已经是并驾齐驱。

· 架构。M1 的 CPU 架构设计是非常激进的。举个例子，根据外媒 Anandtech 推测出来的架构图，M1 拥有 8 解码超宽架构的大核心，这是一个非常夸张的规模——顶级 X86 处理器只做到了 4 解码。而在 ALU 单元、FPU 单元的数量配置上，M1 对比当前的 X86 处理器也有优势。尽管受限于工艺以及架构特点（超宽架构、短流水线），M1 的频率并不高，但 IPC 却超过了许多顶级的 X86 处理器。

M1 的大核心架构设计非常激进，X86 处理器没有这么多路前端解码

· 专用电路。很多朋友都看过 M1 版 MacBook 的剪片演示，新 MacBook 在视频剪辑的速度上，居然远胜于售价高好几倍 iMac Pro，小小的甚至不需要风扇散热的 M1 芯片，表现更胜于 i9 处理器。这其实在很大程度上，得益于 M1 芯片集成的专用电路。

很多需要算力的特定功能，在 M1 中都有专用电路实现

专用电路这个名词听起来，似乎有点陌生，但其实如果你关注挖矿，就知道这是什么意思了。在挖矿领域，CPU 速度远不如 GPU，而 GPU 又远不如 ASIC 矿机，这是因为 ASIC 芯片是专为挖矿算法定制的专用电路。在 M1 芯片中，也存在诸多这样的专用电路，它们能为视频编码解码、机器学习、图像处理、数据加密等计算提供硬件加速，结合 macOS 11 专为其打造的 API，一些生产力任务能够前所未有地高效运行。

· 片上互联。这又是 M1 芯片的一大杀手锏。在传统的 PC 硬件架构中，内存、GPU、CPU 等部件，需要经由主板相关总线来传输数据，而 M1 芯片则将这些部件进行了 SoC 化，将其集成到了同一块芯片当中。相比传统做法，M1 芯片能极大程度地提升数据传输的速度，性能得到了系统性的提升。

macOS 可以凭借 M1 芯片挑战 Windows 吗

M1 芯片结合 macOS 11，表现令很多人眼前一亮。对比 Windows 在 ARM 领域的坎坷进军，苹果这套组合拳更显得出类拔萃。那么问题来了，在这个 ARM 愈发强势的时代，macOS 能否凭借 M1 这颗顶级的 ARM 芯片，挑战 Windows 以及 X86 体系？恐怕依然是不行的。

首先来说说硬件方面。

上文提到了 M1 芯片性能强大的秘密，但这是否意味着它就可以挑战 X86 处理器？X86 处理器之所以没有使用 M1 这样的激进架构设计，是有很多现实方面的原因的。

首先，和 ARM 相比，X86 背负着更沉重的历史兼容问题。虽然当前的 X86 处理器本质上也是将复杂指令拆分为简单指令进行解码，但 X86 指令的长度并不固定（变长指令），不像 ARM 处理器那样，只解码长度固定的定长指令，这意味着 X86 处理器很难通过堆砌指令解码器，来大幅提升性能。如今的 X86 处理器仍兼容多年前的 MMX 等古老指令，这些又需要耗费额外的晶体管。这些现状，令 X86 无法像 ARM 那样轻装上阵。

需要耗费更多晶体管，去兼容 MMX 等古老指令，这就是所谓的 “X86 税”