Apple Silicon im Test: Was der M1-Chip (nicht) kann

Das M1-Apple-Silicon beeindruckt durch hohe Leistung und extreme Effizienz, beim Entwickeln gibt es aber noch Einschränkungen.

Ein Test von Marc Sauter und Sebastian Grüner veröffentlicht am 27. November 2020, 12:15 Uhr

Der M1 auf einer Mac-Mini-Platine (Bild: Apple)

Es kam, was kommen musste: Nachdem Apple bereits seit zehn Jahren die Systems-on-a-Chip für die iPads und iPhones eigens entwickelt hatte, folgt mit dem M1 das erste Apple Silicon für Mac-Systeme. Das aktuelle Macbook Air (Test) halten wir für eines besten Notebooks - denn es ist schnell, lautlos und läuft äußerst lange. Grund genug, sich den M1-Chip näher anzuschauen.

Selbst entworfene Systems-on-a-Chip sind nicht neu für Apple, denn beginnend mit dem A6 von 2012 hat Apple auf Basis einer ARM-Architekturlizenz eigene CPU-Kerne entworfen und ab dem A8 von 2014 modifizierte Apple zudem die PowerVR-Grafik von Imagination Technologies; seit dem A11 Bionic von 2017 stammt die GPU komplett von Apple selbst.

Parallel zum Design eigener CPU-Kerne und Grafikeinheiten erfolgte die Entwicklung weiterer wichtiger IP-Blöcke, darunter etwa eine Neural Engine für künstliche Intelligenz und ein NVMe-Controller für SSDs. Der wiederum bildete die Grundlage für die etablierten T1-/T2-Chips, die unter anderem Sicherheitsfunktionen wie Verschlüsselung übernehmen und schon seit Jahren in Macbooks, Macs sowie iMacs stecken.

Im M1 rechnen acht CPU-Kerne, die sich in vier schnelle (Firestorm) und in vier effiziente (Icestorm) aufteilen. Auffällig sind die extrem großen L1-Instruktionen- und L1-Daten-Caches, welche die bis zu vierfache Kapazität aktueller AMD- und Intel-Prozessoren aufweisen. Auch 12 MByte L2 für die Performance- und 4 MByte L2 für die Effizienz-Kerne sind für ein Mobile-SoC enorm viel, kommen aber der Leistung zugute. Obendrein gibt es einen System Level Cache (SLC) unbekannter Größe für CPU, GPU und NPU.

Denn neben den CPU-Kernen hat Apple auch eine eigene Grafikeinheit im M1 untergebracht, diese nutzt acht Kerne. Mit einer theoretischen Rechenleistung von 2,6 Teraflops (FP32) sowie 82 GTex/s und 41 GPix/s befindet sich diese GPU in etwa zwischen einer Geforce GTX 1050 Ti und einer Geforce GTX 1060. Dazu packt Apple noch eine 16-kernige Neural Engine, die 11 Teraops an INT8-Performance für maschinelles Lernen (Inferencing) aufweist.

Weitere Funktionsblöcke im M1-Chip sind ein 128 Bit breites Interface, eine Secure Enclave für besonders schützenswerte Daten, ein Image Signal Processor (ISP) für Fotos und Videos, ein NVMe-Controller für Flash-Speicher, diverse Fixed-Functions für Decoding/Encoding wie H.265 und AV1, multiple PCIe-Gen4-Lanes, eine Display-Engine für 6K mit 60 Hz plus ein Controller für Thunderbolt 3 (40 GBit/s, kein eGPU-Support) respektive USB 4 (10 GBit/s).

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Der M1 samt zwei LPDDR4X-Chips auf einem Package (Bild: Apple)

All das summiert sich auf enorme 16 Milliarden Transistoren, die Apple in einem 5-nm-Verfahren beim Auftragsfertiger TSMC produzieren lässt. Der M1 wird mit schnellem LPDDR4X-4266-Arbeitsspeicher kombiniert, dieser sitzt auf dem gleichen Träger (on Package) und liefert gut 68 GByte/s. Zumindest derzeit bietet Apple das Macbook Air, das Macbook Pro und den Mac Mini einzig mit 8 GByte oder 16 GByte an, wenngleich größere DRAM-Chips verfügbar wären.

Schauen wir uns an, wie schnell der M1 in Benchmarks ist, wenn nativer ARM64-Code ausgeführt wird, und wie sich die Übersetzungsschicht Rosetta 2 schlägt, wenn x86-64-Bit-Programme ausgeführt werden, die eigentlich für Intel-Chips gedacht sind.