挑戰傳統！Apple M1 Ultra詳解

目錄

🍎 簡介

• M1 芯片與 M1 Ultra Fusion

• Von Neumann 架構與多處理器系統

• 共享內存模型

• 多核處理器系統擴展

• 非均勻內存存取系統（NUMA）

• NUMA 架構中的記憶體存取

• M1 Ultra Fusion 的應用

• NUMA 系統的軟體優化

• Apple M1 Ultra Fusion 的優勢與限制

• 結語

🍎 簡介

近期蘋果舉行了一場典型的新品發布會，他們宣布了最新、也可能是最後一個版本的 M1 芯片，名為 M1 Ultra。其中值得注意的一點是，他們表示使用兩個 M1 Max 芯片進行設計，並使用 Ultra Fusion 將它們連接在一起。然而，Ultra Fusion 只是一個行銷詞眼，實際上只是兩個矽晶片之間的高速互連，用於在它們之間傳輸數據。

M1 芯片與 M1 Ultra Fusion

Von Neumann 架構與多處理器系統

為了理解蘋果的做法，我們需要回到基礎，思考計算機是如何工作的。 Von Neumann 模型是一個很好的起點，它將 CPU、記憶體和輸入/輸出設備放在中心位置。在多處理器系統中，我們通常使用的是共享內存模型，這意味著多個 CPU 連接到同一塊內存，並透過一個共享的匯流排相互連接。

共享內存模型

在共享內存模型中，多個 CPU 通過一個匯流排連接到同一塊內存。每個 CPU 通常配有自己的緩存，這使得它們可以從內存中快速提取數據。然而，當多個 CPU 同時訪問同一個內存位置時，可能會出現競爭問題，這就是需要匯流排仲裁邏輯的原因。

多核處理器系統擴展

通過添加更多的 CPU，我們可以擴展多核處理器系統。每個 CPU 都配有自己的緩存，並且可以獨立地訪問內存。然而，隨著 CPU 的增加，競爭訪問內存的可能性也會增加，這將導致性能下降。

非均勻內存存取系統（NUMA）

為了解決多核系統中的性能問題，可以使用非均勻內存存取系統（NUMA）。在 NUMA 系統中，多個 CPU 連接到不同的內存區域，並且可能存在分佈式共享內存連接。這使得每個 CPU 可以更快地訪問本地內存，但對於遠程內存的訪問時間則會增加。

NUMA 架構中的記憶體存取

在 NUMA 系統中，CPU 可以直接訪問本地內存，但對於遠程內存，則需要通過共享連接進行訪問，這將導致較長的訪問時間。這種存取方式使得在軟體設計時需要考慮內存位置，以最大程度地提高性能。

M1 Ultra Fusion 的應用

蘋果的 M1 Ultra Fusion 實際上就是一個 NUMA 系統。他們將兩個 M1 Max 芯片粘合在一起，每個芯片都連接到自己的內存區域，並通過 Ultra Fusion 連接在一起。這使得每個 CPU 可以快速地訪問本地內存，從而獲得高性能。

NUMA 系統的軟體優化

對於 NUMA 系統，軟體優化至關重要。軟體需要了解內存位置，並將數據和指令放置在最佳位置以實現最佳性能。這對於操作系統和應用程序來說都是一個挑戰，但可以通過仔細的設計和優化來實現。

Apple M1 Ultra Fusion 的優勢與限制

M1 Ultra Fusion 的優勢在於它提供了高性能的 NUMA 系統，同時無需軟體開發人員擔心內存訪問問題。然而，這種架構也有一定的限制，例如在多核 CPU 數量增加時，可能會出現性能下降的問