Apple M1 in ARM-Macs: weitere technische Details und erste Benchmarks analysiert

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Apple hat sehr vollmundige Versprechungen zur Leistungsfähigkeit und Effizienz des neuen System-on-Chip M1 verkündet, aber keine gängigen Benchmarks veröffentlicht. Nun sind erste Ergebnisse im Geekbench 5 aufgetaucht, die den M1 bei der Multi-Core-Performance deutlich vor den aktuell schnellsten x86-Mobilprozessoren mit 15 bis 30 Watt TDP zeigen, also Intel Core i7-1185G7 (4 Kerne) und AMD Ryzen 7 Pro 4750U (8 Kerne). Aber auch Erkenntnisse zum Apple A14 aus dem iPhone 12, der eng mit dem M1 verwandt ist, verraten mehr über die M1-Technik.

Acht Kerne, GPU und KI

Laut Apple enthält der M1 acht Rechenkerne, eine GPU mit ebenfalls acht Kernen beziehungsweise Shader-Clustern sowie eine Neural Engine mit 16 Kernen für KI- und Machine-Learning-Algorithmen. Die GPU lässt sich ebenfalls als Beschleuniger für manche Rechenaufgaben einspannen.

Im System-on-Chip (SoC) M1 stecken außerdem Controller für I/O-Schnittstellen (Thunderbolt/USB4, PCIe 4.0) sowie Funktionen, die zuvor der separate Sicherheitschip T2 mit eingebautem SSD-Controller erledigte, inklusive einer Secure Enclave (SE). Letztere ist für biometrische Authentifizierung (Face ID, Touch ID) und Bezahlfunktionen wichtig.

Zudem hat der M1 einen RAM-Controller, der bis zu 16 GByte Speicher anbindet, vermutlich mit zwei 64-Bit-Kanälen für LPDDR4 oder LPDDR4X.

Fire and Ice

Ein internes "Fabric" verknüpft die einzelnen Funktionsblöcke sowie einen zusätzlichen Cache, der Speicherzugriffe abfängt. Die CPU-Kerne sind in zwei Gruppen aufgeteilt, die jeweils einen eigenen L2-Cache haben. Jeder einzelne CPU-Kern hat wiederum L1-Cache, wie auch bei x86 üblich separat für Befehle (Instructions), abgekürzt L1I, und Daten (L1D).

ARM-Macs: Apples Umstieg auf eigene Prozessoren

Der Mac vollzieht den nächsten großen Wechsel der Prozessorarchitektur. Statt Intel-Prozessoren setzt Apple seit Ende 2020 auf hauseigene ARM-basierte SoCs (System on a Chip), den Anfang macht der M1. Der Umstieg zeichnete sich schon länger ab.

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Der M1 hat je vier besonders leistungsfähige und besonders effiziente CPU-Kerne. Apple hat es nicht offiziell bestätigt, aber laut Experten lauten die Codenamen für die starken Kerne "Firestorm" und für die effizienteren "Icestorm".

Jeder Firestorm-Kern hat laut Apple 192 KByte L1I-Cache und 128 KByte L1D-Cache. Diese Datenpuffer sind sehr viel größer als etwa bei Intels aktuellen „Tiger Lake“-CPUs (48 KByte L1I/32 KByte L1D) und AMD Zen 2 (je 32 KByte). Allerdings haben die x86-Prozessoren zusätzlich sogenannte Micro-Op-(µOP-)Caches, die besonders effizient arbeiten.

Apples unterschiedliche ARM-Kern-Gruppen können jeweils noch auf einen gemeinsamen L2-Cache zugreifen: Die vier Firestorms auf zusammen 12 MByte, die vier Icestorms auf 4 MByte. Hinzu kommt noch der Fabric-Cache, dessen Kapazität Apple nicht verraten hat und der aus Sicht der CPU-Kerne als L3-Cache dient.

Das "Apple Silicon" A14 Bionic ist sehr ähnlich aufgebaut wie der M1 und hat ebensoviele effiziente Icestorm-Kerne sowie eine Neural Engine mit ebenfalls 16 Kernen. Im A14 sitzen aber nur zwei starke Firestorm-Kerne mit kleinerem L2-Cache (8 MByte) und eine GPU mit 4 statt 8 Kernen. Außerdem takten die Rechenwerke im A14 wohl grundsätzlich niedriger, weil er in iPhones und im iPad Air 4 weniger Abwärme abführen kann und weniger Akkustrom ziehen kann als in den Macs.

Taktfrequenzen

Nominelle Taktfrequenzen von A14 und M1 verrät Apple nicht, ebensowenig wie die Thermal Design Power (TDP). Letztere liegt bei Smartphone-SoCs wie dem A14 üblicherweise um 5 Watt, aber schon dabei würde sich ein Smartphone auf Dauer stark erhitzen und ein 11-Wattstunden-Akku (3,7 Volt/3000 mAh) wäre in kaum mehr als 2 Stunden leer. Im Mittel liegt die Leistungsaufnahme des Chips also weitaus niedriger, zumal das Display meistens mehr Energie braucht und auch das Modem Strom schluckt.

Bei der Vorstellung des M1 hat Apple Vergleiche mit anderen Chips bei 10 Watt angestellt – vermutlich liegt er also zwischen 10 Watt im MacBook Air ohne Lüfter und 15 bis 20 Watt bei Lüfterkühlung. Prozessoren der „U“-Klassen von AMD und Intel haben 15 bis 28 Watt TDP, aber auch hier kommt es entscheidend auf die Qualität des Kühlsystems des jeweiligen Notebook-Herstellers an. Per configurable TDP (cTDP) lassen sich diese Prozessoren in einem weiten Bereich einstellen und liefern dann mehr oder weniger Rechenleistung, weil sie sich bei anhaltender Last rasch heruntertakten müssen. Das gilt auch für den M1, wie Apple bei der Vorstellung erklärte: Im MacBook Pro 13 Zoll mit Lüfter sei seine dauerhafte Rechenleistung (sustained Performance) höher.

Geekbench-Daten

Hinweise auf die Taktfrequenzen von A14 und M1 liefern aber Resultate aus der Online-Datenbank des Benchmarks Geekbench 5. Dort ist für einen A14 die Angabe 2,99 GHz zu finden und im M1-Resultat aus einem lüfterlosen MacBook Air ein Wert von 3,2 GHz. In einem MacBook Pro 13 Zoll oder Mac mini mit Lüfter taktet der M1 möglicherweise noch etwas höher.

Diese Taktfrequenzen sind jedoch deutlich niedriger als die Turbo-Frequenzen von Core i7-1185G7 (4,8 GHz) und AMD Ryzen 7 Pro 4750U (4,1 GHz). Für höhere Taktfrequenzen benötigen sowohl ARM- als auch x86-Kerne höhere Kernspannungen, was mit deutlich höherer Verlustleistung einhergeht. Je „breiter“ Datenpfade ausgelegt sind, also je mehr Rechenwerke und Transistoren mit höherer Spannung und Taktrate laufen, desto stärker wachsen die Verluste beim Hochtakten.

Umso beeindruckender sind die Ergebnisse, die A14 und M1 im Geekbench 5 erzielen. Im Single-Core-Lauf, der sicherlich auf einem starken Firestorm-Kern arbeitet, sind es 1596 (A14) beziehungsweise 1732 Punkte (M1). Der Vorsprung des M1 von 8,5 Prozent beruht weitgehend auf dem höheren Takt, der größere L2-Cache hat keinen großen Einfluss.

Apple M1 und A14 im Geekbench 5
CPU	Angaben laut Geekbench-Datenbank			Benchmark-Ergebnisse
	Gerät	Takt	Betriebssystem	Single-Core	Multi-Core
Apple M1	MacBook Air	3,19 GHz	macOS 11.0	1732	7545
Apple A14	iPhone 12 Pro	2,99 GHz	iOS 14.1	1596	4008
Intel Core i7-1185G7	MSI MS-14C4	4,79 GHz	Windows 10	1610	6113
AMD Ryzen 7 Pro 4750U	Lenovo ThinkPad T14	4,19 GHz	Windows 10	1162	6509
Intel Core i7-1165G7	Dell XPS13	4,70 GHz	Linux 5.8	1726	5313

Im Vergleich zu einem Core i7-1185G7 in einem MSI-Notebook liegt der M1 in der Multi-Core-Wertung um 23 Prozent vorne, bei Single-Core ist er 7,5 Prozent schneller. Es gibt aber auch Geekbench-5-Werte eines Core i7-1165G7 unter Linux, die ihn in der Single-Core-Performance fast gleichauf zeigen – aber hier ist er bei Multi-Core viel schwächer.

Intels Tiger Lakes wie die genannten Core i7-1185G7 und 1165G7 haben allerdings auch nur je vier Kerne und Simultaneous Multi-Threading (SMT alias Hyper-Threading), während beim M1 alle acht Kerne gleichzeitig arbeiten – schnelle und effiziente gemeinsam. Daher ist ein Vergleich mit dem bisher Multithreading-stärksten 15-Watt-Notebookprozessor spannend, dem AMD Ryzen 7 Pro 4750U mit acht Kernen und SMT, also insgesamt 16 Threads. Doch selbst der liegt im Geekbench 5 Multi-Core um rund 15 Prozent hinter Apples M1 – denn seine Zen-2-Kerne liefern 33 Prozent weniger Single-Core-Performance als ein Apple Firestorm bei 3,2 GHz. Mit dem Ryzen 5000U (Cezanne) mit Zen 3 könnte sich das aber 2021 verschieben.