M1 Ultra im Test: Die Krönung des Apple Silicon

Was haben ein Core i9-12900K und eine Geforce RTX 3080 Ti gemein? Beide sind langsamer oder zumindest viel ineffizienter als Apples M1 Ultra.

Ein Test von Marc Sauter veröffentlicht am 18. März 2022, 12:00 Uhr

Apples M1 Ultra im Test (Bild: Apple, Pixabay)

Vor nicht ganz zwei Jahren erst hatte Apple angekündigt, alle Mac-Systeme von x86-Intel-CPUs und AMD-Grafikkarten auf eigenes Apple Silicon umzustellen. Mit dem neuen Mac Studio gibt es die bisher leistungsstärkste Ausbaustufe: Der M1 Ultra genannte Chip soll Apple zufolge die derzeit schnellste Desktop-Hardware einholen und dabei auch noch sparsamer sein. Und ja, da hat gerade jemand laut "amazing" gedacht!

Tatsächlich hat Apple nicht zu viel versprochen, denn der M1 Ultra ist dank seines cleveren Designs ein extrem schneller sowie effizienter Prozessor geworden und das, obwohl die eigentliche Technik mittlerweile weit über zwei Jahre alt ist. Das zeigt umso mehr, wie konkurrenzlos Apples ARM-Chips sind. Warum, beleuchten wir mit einer ausführlichen Analyse, gefolgt von Benchmarks gegen den Core i9-12900K, den Ryzen 9 5950X und die Geforce RTX 3080 Ti.

Der M1 Ultra basiert auf dem M1 Max (Test), welcher wiederum eine erweiterte Version des regulären M1 (Test) darstellt. Sie alle haben gemein, dass zumindest die CPU-, GPU- und NPU-Kerne vom A14 abstammen, der im Herbst 2020 zusammen mit dem iPad Air und dem iPhone 12 (Mini) veröffentlicht wurde. Für die einzelnen Ausbaustufen vom A14 über M1 bis zum M1 Pro/Max hat Apple die Menge der Funktionseinheiten durch anteilige Verdopplung nach oben skaliert, der M1 Ultra verdoppelt sie erneut.

Apples Potara-Ohrringe heißen Ultra Fusion

Gehen wir aber zuerst einen Schritt zurück: Alle M1-Prozessoren sind monolithische Chips, die neben Performance-Cores (Firestorm) und Efficiency-Cores (Icestorm), einer Grafikeinheit, einer Neural Engine (ANE aka NPU), einem SSD- sowie einem LPDDR4X/LPDDR5-Controller auch Decoder/Encoder und Interfaces für etwa Thunderbolt 4 aufweisen. Die größte Ausbaustufe war bisher der M1 Max, dessen Design sich zusammengefasst als 8P+2E+16N+32G bezeichnen lässt.

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M1 Ultra im Überblick (Bild: Apple)

	M1	M1 Pro	M1 Max	M1 Ultra
Fertigung	5 nm TSMC	5 nm TSMC	5 nm TSMC	5 nm TSMC
Transistoren	16 Mrd	33,7 Mrd	57 Mrd	114 Mrd
Die-Size	ca 120 mm²	ca 245 mm² *	ca 475 mm² *	ca 950 mm² *
CPU-Kerne	4P + 4E	8P + 2E	8P + 2E	16P + 4E
L2-Caches	12MB + 4MB	24MB + 4MB	24MB + 4MB	48MB + 8MB
SL-Cache	16MB	24MB	48MB	96MB
GPU-Kerne	8 @ 2,6 Teraflops	16 @ 5,2 Teraflops	32 @ 10,4 Teraflops	64 @ 20,9 Teraflops
NPU-Kerne	16 @ 11 Teraops	16 @ 11 Teraops	16 @ 11 Teraops	32 @ 22 Teraops
Interface	128 Bit	256 Bit	512 Bit	1024 Bit
Bandbreite	68 GByte/s	205 GByte/s	410 GByte/s	820 GByte/s
Speicher	LPDDR4X-4266	LPDDR5-6400	LPDDR5-6400	LPDDR5-6400
Kapazität	16 GByte (2x8)	32 GByte (2x16)	64 GByte (4x16)	128 GByte (8x16)
Power**	bis zu 20 Watt	(?)	bis zu 90 Watt	bis zu 140 Watt

Spezifikationen des M1 Apple Silicon * basierend auf Apples (verzerrten) Die-Shots ** gemessen

Dieses zu verdoppeln, würde einen enorm großen Chip erfordern, der sich nahe der Grenze des Machbaren bewegt oder gar darüber hinaus geht - das Limit für die Maske (Reticle) eines Steppers liegt bei 858 mm². Ergo hat sich Apple dafür entschieden, zwei M1-Max-Dies zu verknüpfen, indem diese auf einen gemeinsamen Träger gesetzt werden. Offiziell ist von einem Silizium-Interposer die Rede, welcher die Ultra Fusion möglich macht. TSMC als Fertigungspartner bietet zwei Optionen an, CoWoS-L (Chip on Wafer on Substrate samt LSI) und InFO-L (Integrated Fan-Out samt LSI), genutzt laut TSMC allerdings Letztere.

Wichtig ist hier der LSI (Local Silicon Interconnect), welcher kleine Brücken zwischen den einzelnen Dies bildet und diese mit äußerst hoher Geschwindigkeit verbindet - Apple gibt 2,5 TByte/s an. Basierend auf einem Hintergrundgespräch mit Apple und unserem Verständnis nach handelt es sich nicht um eine InFO-L-Standardlösung, sondern um eine modifizierte, da Apple laut eigener Aussage über ein exzellentes Inhouse-Packaging-Team verfügt. Vor allem ist der M1 Ultra der erste Grafikprozessor, der zwar aus zwei Dies besteht - von der Software aber wie ein monolithischer Chip angesprochen wird.

Schauen wir uns an, wie sich der M1 Ultra gegen x86-Hardware sowie schnelle Desktop-Grafikkarten schlägt und wie die Effizienz ausfällt.