Kam der M4 zu früh?: Apple musste eine neue CPU entwickeln

Der Launch des Apple M4 im iPad hat viele Kunden verwundert. Doch Apple hatte kaum eine andere Möglichkeit.

15. Mai 2024 um 15:14 Uhr / Eine Analyse von Martin Böckmann

Der Apple M4 ist kein Wunschkind - dafür aber technisch gelungen. Bild: Apple

Als Apple das iPad Pro mit M4-Prozessor ankündigte, waren viele Medien und vor allem Nutzer von fast neuen Macs mit M3-Chip erstaunt. In einigen Fällen waren sie gar verärgert darüber, dass ihr eben noch neuer Computer bereits auf veraltete Technologie setzt. Der Grund für den schnellen Wechsel liegt jedoch bei TSMC und dessen hinter den Erwartungen zurückgebliebenem N3B-Fertigungsprozess.

Apple setzt bei den Prozessoren in jeder Generation häufig als einer der ersten Hersteller auf den jeweils neuesten Fertigungsprozess der Auftragsfertiger, allen voran TSMC. So war das iPhone 15 Pro das erste massenhaft hergestellte Gerät mit einem 3-nm-Chip. Die Leistung im Vergleich zum Vorgänger war jedoch enttäuschend, streng genommen war der Chip zudem verspätet.

Pläne für 3-nm-SoCs hatte Apple bereits im Jahr 2022, TSMCs N3B-Fertigungsknoten war für eine Massenproduktion aber nicht rechtzeitig bereit. Andere Auftragsfertiger hatten noch größeren Rückstand, so dass Apple im Jahr 2022 und auch Anfang 2023 vor allem 4-nm-Chips auf den Markt brachte. Dabei handelt es sich genau genommen um einen als N4 bezeichneten verbesserten 5-nm-Node.

Das erste 3-nm-SoC war eine Enttäuschung

Ab der Jahresmitte 2023 konnte TSMC dann N3B-Produkte in ausreichender Stückzahl liefern, die Gründe für die Verspätung wurden aber schnell klar. Der Leistungs- und Effizienzgewinn ist besonders im Verhältnis zu den höheren Kosten gering, die Entscheidung anderer Großkunden wie AMD und Nvidia, zunächst bei 4-nm-Produkten zu bleiben, lässt zudem auf eine geringere Ausbeute schließen. TSMC versuchte offenbar lange Zeit, den Prozess weiter zu optimieren – wenig erfolgreich.

TSMC-Verfahren im Vergleich

	Geschwindigkeit	Leistungsaufnahme	Dichte
N5 vs N7	plus 15 %	minus 30 %	1,80x
N5P vs N7	plus 20 %	minus 40 %	1,80x
N5P vs N5	plus 5 %	minus 10 %	(?)
N4 vs N5	(?)	(?)	1,06x
N4P vs N5	plus 11 %	minus 22 %	1,06x
N4X vs N5	plus 15 %	minus 21 %	1,06x
N4X vs N4	plus 6 %	(?)	(?)
N3B vs N5	plus 10 - 15 %	minus 25 - 30 %	1,60x
N3E (2-1) vs N5 (2 Fin)	plus 11 %	minus 30 %	1,56x
N3E (2-2) vs N5 (2 Fin)	plus 23 %	minus 22 %	1,39x
N3E (3-2) vs N5 (2 Fin)	plus 33 %	minus 12 %	1,18x
N2 vs N3E	plus 10 - 15 %	minus 25 - 30 %	1,10x

TSMC lässt N3B daher verhältnismäßig schnell auslaufen, während die Kunden auf den Nachfolger N3E wechseln sollen. Aus der obigen Tabelle lässt sich ablesen, dass N3E jeweils über der Maximalangabe für die Verbesserungen von N3(B) liegen soll. Zudem geht aus den Tests der vergangenen Monate hervor, dass im Fall von N3B eher die Minimalwerte erzielt wurden. Der Sprung zu N3E fällt daher größer aus, als bisher angenommen.

Der große Nachteil ist, dass N3E keine Designkompatibilität zu N3B bietet. Das heißt, dass der gleiche Chip nicht einfach im neueren Prozess hergestellt werden kann, sondern speziell dafür neu entwickelt und angepasst werden muss. Apple war dadurch gezwungen, so schnell wie möglich – und mutmaßlich schneller als geplant – eine neues SoC für TSMC N3E zu entwerfen. Einfach einen M3 im N3E-Node fertigen zu lassen, ging schlicht nicht.

Unfreiwillig einer der schnellsten Computer

Das iPad Pro war im Produktzyklus des Herstellers das nächste Produkt, das einen neuen Prozessor benötigte. Ob die Entscheidung zum neuen Chip bei Apple oder TSMC gefallen ist, lässt sich von außen nur raten. Für beide Unternehmen wären die Nachteile für einen erneuten Großauftrag im N3B-Prozess vermutlich zu groß gewesen.

Das iPad Pro wird im Vergleich mit anderen Tablets und Notebooks von Apple außerdem in deutlich geringeren Stückzahlen verkauft. Es bietet sich daher als Plattform für den Launch einer neuen Prozessorgeneration an, da anfänglich geringe Liefermengen der Chips in dem Fall kein Problem darstellen.

Wenn das Chipdesign ohnehin überarbeitet werden muss, drängen sich Verbesserungen geradezu auf. Statt einfach einen M3 möglichst genau zu kopieren, hat Apple daher die zusätzlichen Möglichkeiten von N3E genutzt und zwei zusätzliche Effizienz-Kerne (Little-Cores) sowie eine leistungsfähigere Neural Engine (NPU) verbaut. An anderen Stellen sind die Unterschiede zwischen M3 und M4 sehr gering, die GPU-Kerne wurden fast identisch übernommen, auch die Prozessorkerne selbst nicht wirklich neu.

Der M4 zeigt, was der neue 3-nm-Prozess hergibt

Ihre Performance hingegen schon, denn Tests in Geekbench 6 zeigen eine Single-Thread-Leistung, die über dem Niveau der derzeit schnellsten Desktop-Prozessoren liegt. Fast 4.000 Punkte und damit ein Vorsprung von fast 30 Prozent sind zweifelsfrei bemerkenswert. Die bisher schnellsten Chips, der Intel Core i9-14900K sowie der Apple M3, erreichen jeweils etwa 3.100 Punkte.

Erst bei Auslastung aller Kerne wird die Leistungsaufnahme zum limitierenden Faktor für Apples Notebook-Prozessoren; Desktop-CPUs von AMD liegen dann mit weitem Abstand auf den oberen Plätzen. Der schnellste Prozessor mit ARM-Kernen, der Qualcomm Snapdragon X Elite, liegt mit wenigen Punkten vor dem Apple M4, ist aber in einem geräumigen Referenz-Notebook statt einem passiv-gekühlten Tablet verbaut.

Für das im September 2024 erwartete iPhone 16 (Pro) ist die grobe Richtung der Chipentwicklung damit ebenfalls klar. Auch dort wird Apple einen TSMC-N3E-Chip verbauen, und zwar gleich in beiden Modellvarianten. In der Vergangenheit verbaute Apple nur im iPhone Pro den jeweils neuesten Prozessor, während das reguläre iPhone mit dem Prozessor aus dem Vorjahr bestückt wurde.

N3E wird N3B vollständig ablösen

Für das iPhone 16 würde dies allerdings bedeuten, erneut N3B-SoCs zu verwenden. Das dürfte Apple jedoch eher nicht wollen. N3E könnte sogar eine Kostenersparnis für Apple bedeuten, bei Kunden werden die höhere Energieeffizienz und damit eine bessere Akkulaufzeit gern gesehen sein. Mehr KI-Leistung sowie allgemein eine bessere Performance werden mindestens der Marketingabteilung gut gefallen, den Kunden schadet es ebenfalls nicht.

Wir erwarten daher für alle iPhones neue Chips aus der N3E-Produktion bei TSMC, die sich beispielsweise in der Anzahl der aktiven Rechenkerne und der Speicherausstattung unterscheiden könnten.

Keine M3 Ultra?

Mit einem lahmen N3B-Node und dem besseren, aber inkompatiblen N3E steht Apple vor einem Dilemma für den noch immer ausstehenden M3 Ultra. Eine Bestellung von sehr großen Prozessoren im alten Herstellungsverfahren dürfte TSMC nur ungern annehmen, und Apple lässt den schnellsten und leistungsfähigen Prozessor vermutlich auch eher im besten Verfahren fertigen, statt in einer teuren Kompromisslösung.