Kühler Kaventsmann

Apples Mac Studio mit M1-Max- und -Ultra-Chips im Test

Unerwartet wuchtig, aber nicht prahlerisch, so thront der neue Mac Studio auf dem Schreibtisch. Das eigentlich Spannende ist aber nicht Apples neues Gehäuseformat oder der flüsterleise Lüfter, sondern der neue Chip M1 Ultra mit seiner überraschenden Interposer-Architektur, auf die Apple viel Mühe verwendet hat. Das Niveau hält der Mac-Hersteller aber nicht konsequent durch.

Von Wolfgang Reszel, Johannes Schuster und Dušan Živadinović

Seit seiner Vorstellung im März zieht Apples neue Workstation, der Mac Studio mit hauseigenem M1-Chip, viel Aufmerksamkeit auf sich: In ersten Prüfungen mit der Testsuite Geekbench ließ er PCs mit Intels Top-Prozessor Core i9-12900K hinter sich. Und auch Apples Primus, der erst ab 6500 Euro erhältliche Mac Pro mit dem Intel-Prozessor Xeon W, schaut in manchen Testdisziplinen nur mit dem Fernglas hinterher.

Die Geekbench-Suite fasst viele synthetische Tests zusammen, liefert aber kein vollständiges Bild, weil sie manche Prozessorspezialitäten ungenutzt lässt. Deshalb erkunden wir Apples erste M1-Workstation hier umfassend.​

Der Mac Studio ist Apple-typisch nicht billig, die Preise starten bei 2300 Euro. Somit ist die kompakte Workstation sicher nicht der erste Kaufkandidat für jedermann – allein mit Office-, Mail- und Surf-Anwendungen wäre sie weit unterfordert. Dennoch dürfte die folgende Einordnung nicht nur Video- und Audio-Producer oder Animationsspezialisten interessieren. Beispielsweise können langfristig planende Entwickler und Anwender daran ablesen, welche Leistung man in einigen Jahren ein, zwei Preisstufen darunter auf dem Schreibtisch erwarten kann.

Umso gespannter waren wir auf die Messergebnisse, denn um in der Workstation-Liga leistungsmäßig ganz oben mitzuspielen, war Apple gezwungen, sein Chip-Konzept aufzubohren. Normalerweise buttert man für mehr Leistung gerne mehr Transistoren hinzu. Das ist schwierig, denn bei einfacher Die-Vergrößerung schrumpft die Wirtschaftlichkeit: je größer die Die-Fläche, desto mehr Produktionsausschuss und desto geringer die Ausbeute (Yield). Alternativ könnte man zwei kleine Chips über das Mainboard koppeln, doch das geht auf Kosten der Latenz, Bandbreite und Energieaufnahme.

Workstation-Wettstreit

Aus diesem Dilemma fand Apple zusammen mit dem Auftragsfertiger TSMC mit der Verknüpfung von zwei M1-Max-Einheiten einen eleganten Ausweg: Sie kommunizieren über eine rasend schnelle Vermaschung mit 2,5 TByte/s (Die-to-Die-Interconnect) und stecken in einem gemeinsamen Gehäuse, das Apple M1 Ultra nennt.

So bietet der Ultra doppelt so viele CPU-, GPU- und KI-Kerne wie der M1 Max. Auch ist die Anzahl der Speicherkanäle auf acht verdoppelt, sodass er mit 800 GByte/s doppelt so schnell auf das RAM zugreift wie der M1 Max. Für die Software sieht der Ultra aber wie ein einziger Chip aus, Entwickler müssen keinen Finger rühren, um die Mehrleistung zu nutzen.

Gegenüberstellung

Im günstigsten Mac Studio für 2300 Euro stecken ein M1 Max mit 10 CPU- und 24 GPU-Kernen sowie 32 GByte RAM. Acht weitere GPU-Kerne kosten 230 Euro Aufpreis, 64 GByte RAM fordern zusätzliche 460 Euro.

Ein Mac Studio mit M1 Ultra kostet mindestens 4600 Euro. Dafür bekommt man 20 CPU- und 48-GPU-Kerne und gleich 64 GByte RAM. Für das Modell mit 16 zusätzlichen GPU-Kernen sind mindestens 5750 Euro fällig. Im Maximalausbau mit 128 GByte RAM und 8 TByte Massenspeicher kostet der Mac Studio 9200 Euro.

Für diesen Test standen uns zwei Geräte zur Verfügung: ein Mac Studio mit M1 Max (10 CPU- und 32 GPU-Kerne, 64 GByte RAM) für 3680 Euro und ein Mac Studio mit M1 Ultra (20 CPU-, 64 Grafikkerne, 128 GByte RAM) für 7130 Euro. Beide sind mit je einer SSD von 2 TByte Kapazität bestückt.

Ausgehend davon, dass Audio- und Video-Profis bei Neuanschaffungen ihren teuren Software-Park von einem älteren auf ein schnelles Modell mit gleichem Betriebssystem umziehen wollen, stellen wir die beiden Testmuster allen bisher erhältlichen M1-Macs sowie dem aktuellen Mac Pro mit der Intel-CPU Xeon W gegenüber. Die Ergebnisse finden Sie in der Tabelle „Benchmarks“. Zusätzlich ordnen wir ein, welche Leistung der Mac Studio im Vergleich zu x86-Architekturen von AMD und Intel erreicht (siehe auch Diagramm „Apples M-Serie versus x86-Prozessoren“).

Schnittstellen und Gewicht

Für das Mac-mini-gewohnte Auge erscheint der Mac Studio wie ein Trumm, denn er belegt die gleiche Grundfläche bei fast dreifacher Höhe; das hat Apple in den Präsentationen geschickt kaschiert.

Der Mac Studio mit dem Ultra-Chip wiegt mit 3,6 Kilogramm ganze 900 Gramm mehr als der mit der Max-Variante. Das liegt in erster Linie an unterschiedlichen Kühlkörpern: Beide Chips vereinen zwar CPU- und GPU-Kerne, sodass ein Mac Studio mit einem Kühlkörper auskommt. Aber beim M1 Ultra entsteht mehr Abwärme, die eine leistungsfähigere Kühlung erfordert.

Mit einem größeren Kühlkörper hätte Apple für den M1 Ultra ein größeres Gehäuse und ein eigenes Kühlsystem konzipieren müssen. Das haben sich die Ingenieure gespart und stattdessen den Kühlkörper für den M1 Ultra aus Kupfer gefertigt. Kupfer besitzt eine um den Faktor 1,7 höhere Wärmeleitfähigkeit als das beim M1 Max verwendete Aluminium und wiegt 8,9 Gramm pro Kubikzentimeter; Aluminium wiegt hingegen rund 2,7 g/cm³ – daher der Gewichtsunterschied der beiden Mac-Varianten. Das interne Netzteil liefert in beiden Modellen 370 Watt.

Von außen sehen alle Mac-Studio-Varianten gleich aus: An der Front sind zwei USB-C-Buchsen, ein Slot für eine SD-Karte gemäß UHS-II-Spezifikation und eine weiße Status-LED angebracht. An der Rückseite findet man vier Thunderbolt-4- und zwei USB-A-Buchsen, dazu HDMI 2.0, eine Audio-Klinkenbuchse, 10-Gigabit-Ethernet und eine dreipolige Kaltgerätebuchse zur Stromversorgung

Am Audioausgang lässt sich beispielsweise das von Apple gefertigte EarPod-Headset mit In-Ear-Kopfhörern und Monomikrofon anschließen. Die Buchse liefert aber genügend Signalspannung für hochohmige Studiokopfhörer und dann mit 127 dBA einen exzellenten Rauschabstand; mit niederohmigen Schallwandlern sind es immer noch sehr gute 116 dBA. Mikrofon und Stereo-Lautsprecher fehlen. Alternativ kann man einen Monitor mit Mikro und Lautsprecher anschließen, etwa Apples neues Studio Display.

Jeder der vier Thunderbolt-4-Ports auf der Rückseite kann ein Pro Display XDR mit 6K-Auflösung und 60 Hertz Bildwiederholrate ansteuern oder zwei 4K-Displays (in Reihe respektive per Thunderbolt-Hub/Dock). An denselben Buchsen lassen sich auch USB-C-Bildschirme mit 4K-Auflösung per integriertem DisplayPort nutzen. Der Mac Studio kann bis zu fünf Monitore gleichzeitig antreiben. Der HDMI-2.0-Port gibt 4K-Auflösung mit 60 Hertz aus. Aktuell ist jedoch HDMI 2.1 für Auflösungen bis zu 8K.

Die Thunderbolt-4-Buchsen liefern wie Thunderbolt 3 jeweils bis zu 40  Gbit/s brutto und sind für die gleichzeitige Übertragung von Video- und anderen Daten ausgelegt. Die Thunderbolt-SSD G-Drive Pro erreichte im Test Durchsatzraten bis 2,6 GByte/s – das ist mehr, als bei USB 3.2 Gen 2 mit 10 Gbit/s geht.

Die beiden vorderen USB-C-Buchsen sind beim Ultra-Modell mit Thunderbolt bestückt, beim Max-Modell nur mit USB 3.2 Gen 2. Auch die zwei USB-A-Buchsen an der Rückseite arbeiten je nach Modell unterschiedlich schnell: Die Ultra-Variante rüstet Apple mit USB 3.2 Gen 2 aus (10 Gbit/s, gemessen max. 790 MByte/s), die Max-Variante nur mit USB 3.2 Gen 1 (5 Gbit/s, gemessen max. 430 MByte/s).

Der SD-Slot für Speicherkärtchen sollte gemäß UHS-II bis zu 300 MByte/s liefern. Im Test mit einer Kingston Canvas React Plus kamen aber weniger als 100 MByte/s zustande. Hier wie auch bei den USB-3.2-Ports scheint Apple noch reichlich Potenzial ungenutzt zu lassen.

Der Ethernet-Port arbeitet gemäß der NBase-T-Spezifikation und eignet sich für 0,1, 1, 2,5, 5 und 10  Gbit/s. Im Test beförderte er mit der üblichen Paketgröße von 1500 Bytes bis zu 9,4 Gbit/s, mit Jumbo-Frames (9000 Bytes) sogar 9,9 GBit/s – mehr geht nicht.

Das WLAN-Modul funkt gemäß Wi-Fi 6 (IEEE-Spezifikation 802.11ax), doch bei Messungen im 2,4-GHz-Band blieb es selbst im Nahbereich teils unter 100 Mbit/s. Mancher angestaubte Laptop der Vorgängergenerationen war auf unserer Teststrecke schneller. Gute Durchsatzraten erreichte das WLAN-Modul hingegen im 5-GHz-Band (bis 600 Mbit/s auf 5 Meter Distanz, bis 250 Mbit/s auf 20 Meter).

Massenspeicher und Innenleben

M1-Macs enthalten keine klassischen Solid State Disks (SSD), denn der Controller ist Bestandteil des System-on-Chip (SoC). In Durchsatzmessungen erreichte der Mac Studio mit dem M1 Ultra über 6 GByte/s und folgt so den schnellsten M.2-SSDs mit PCIe 4.0 x4, die bis zu 7 GByte/s liefern. Der kleinste erhältliche Flash-Massenspeicher mit 500 GByte ist langsamer, vermutlich weil weniger Flash-Chips parallel angesprochen werden.

Apple rüstet den Mac Studio mit zwei Steckplätzen für Flash-Bausteine aus, von denen aber nur einer bestückt ist. Bisher spricht der Mac Studio nur einen davon an und akzeptiert keine größeren Kapazitäten als ab Werk konfektioniert. Kollegen von iFixit gelang es lediglich, einen gleich großen Baustein eines anderen Macs darin zu betreiben. Es ist unklar, weshalb der zweite Slot brach liegt. Möglicherweise hält sich Apple so wie beim Mac Pro einen Weg für hauseigene Massenspeicheraufrüstungen frei.

Kernobst

Der M1 Max enthält zwar nur zwei CPU-Kerne mehr als Apples erster M1 (10 statt 8), ist aber überproportional schneller. Das liegt daran, dass der M1 nur je vier Performance- und Effizienzkerne enthält. Beim M1 Max sind es acht Performance- und nur zwei Effizienzkerne.

Die Performance-Kerne sind in allen bisher erschienenen vier Varianten des M1 identisch und mit maximal 3,2 GHz getaktet. Dementsprechend fallen die Einzelkernleistungen der M1-Macs gleich aus. Sie sammeln im Geekbench-Test rund 600 Punkte mehr als der Mac Pro (siehe Tabelle Benchmarks). Dasselbe Leistungsniveau der M1-Einzelkerne wird auch bei und Cinebench R23 sichtbar.

Doch die M1-Chips führen diese Disziplinen nicht mehr an wie noch Ende 2020. Das deckt der Cinebench-Test auf, der anders als Geekbench auch Spezialfunktionen der CPUs nutzt. Beispielsweise rechnet Intels Top-Modell Core i9-12900K (je acht Performance- und Effizienzkerne) im Single-Thread-Test schneller als Apples M1-Serie (siehe Vergleich mit x86-Prozessoren).

Wenn es um die Multi-Core-Leistung geht, gilt die Daumenregel „viel hilft viel“: Je aufwendiger die Aufgabe, desto mehr profitiert man von vielen Kernen. Deshalb sind der M1 Pro und M1 Max fast doppelt so schnell wie der M1 und der M1 Ultra wiederum fast doppelt so schnell wie Pro und Max (siehe Cinebench-R23-Messungen). Besonders erfreut, dass die CPU-Leistung trotz Doppel-Die und Interposer-Kanal linear mit der Anzahl der Kerne zunimmt. Aber anders als bei Intels Core i-12000K tragen die Effizienzkerne des M1 nur wenig zur Multithreading-Leistung bei.

Dennoch schiebt sich der M1 Ultra in die Liga der Workstation-CPUs vor und folgt den PC-Prozessoren AMD Ryzen 9 5950X und Intel Core i9-12900K auf dem Fuß. Das Feld oberhalb dieser Leistungsklasse muss Apple vorerst anderen überlassen: AMD mit dem Ryzen Threadripper (64 Kerne) und Intel mit dem Xeon W-3000 (38 Kerne) haben noch deutlich schnellere CPUs im Programm. Die schlucken allerdings leicht bis zu 270 Watt.

Besser als Mac-Pro-Doppelgrafik

Anders als bei herkömmlichen Computern mit PCI-Express-Grafikkarten unterscheiden die M1-Rechner nicht zwischen Arbeits- und Grafikspeicher, sondern ihr RAM dient als „Unified Memory“ für beides. Der LPDDR5-Speicher des M1 Max und M1 Ultra ist zwar etwas langsamer als jener der schnellsten Grafikkarten mit GDDR6- oder gar HBM-RAM, aber viel schneller als die beiden DDR4- oder DDR5-Speicherkanäle vieler x86-Prozessoren.

Apple hat das RAM fest aufgelötet, sodass es nicht erweiterbar ist. Das Ultra-Modell erhält man auf Wunsch mit 128 GByte RAM, beim M1 Max sind es höchstens 64 GByte. 64 GByte RAM können unter anderem für Audio-Producer zu wenig sein, wenn sie extrem viele Tonspuren gleichzeitig bearbeiten. Dann sind 128 GByte sinnvoll.

Die GPU-Kerne sind bei allen M1-Varianten identisch, nur die Anzahl variiert: Von 7 oder 8 beim M1 bis zu 48 oder 64 beim M1 Ultra. Die Leistung der meisten Anwendungen nimmt jedoch nicht linear mit der Zahl der Grafikkerne zu. Besonders bei 3D-Spielen verläuft die Kurve flacher als wünschenswert. Der Grund dafür dürfte in Saturierungseffekten im Interconnect liegen.

Im Geekbench-Metal-Test schaffte der M1 Ultra rund 60 Prozent mehr als der M1 Max. Bei Luxmark kamen zwar nur 30 Prozent mehr heraus, aber dieser Test ist noch für x86-CPUs ausgelegt, sodass der Code einen Umweg durch Apples Rosetta-Emulationsschicht nimmt. Bei Spielen, für die kurze Latenzen wichtig sind, lieferte der M1 Ultra höchstens 20 Prozent mehr als der M1 Max.

Im Metal-Test sammelte der M1 Ultra doppelt so viele Punkte wie ein mit zwei leistungsstarken Grafikkarten und 24-Core-Intel-Xeon aufgerüsteter Mac Pro. Auch die meisten 3D-Ballerspiele, die für Intels x86-Architektur geschrieben sind, laufen auf dem M1 Ultra schneller als auf dem Mac Pro – obwohl sie nur der Mac Pro nativ ausführt, während sie der M1 Ultra mittels Apples Rosetta-Methode emuliert.

Praxistest Bildbearbeitung

Bereits der Mac Studio mit dem M1 Max und seinen 64 GByte RAM eignet sich vorzüglich für die Bearbeitung auch großer Bilder. Die Leistungsunterschiede der CPU und GPU zum M1 Ultra mit 128 GByte zeigten sich im Test erst bei besonders rechenintensiven Aufgaben wie Machine-Learning-Algorithmen.

Ein 100-Megapixel-Bild in Pixelmator Pro 2.3.6 vergrößerte der M1 Ultra mittels „ML Super Resolution“ in rund 86 Sekunden auf 751 Megapixel. Der M1 Max brauchte 132 Sekunden. Bei der Machine-Learning-gestützten Funktion zum automatischen Freistellen von Objekten fiel der Unterschied von 6 (M1 Ultra) zu 8 Sekunden (M1 Max) weit kleiner aus.

Das erste MacBook Pro mit M1-CPU und 16 GByte RAM hakt die ML-Bildskalierung in 142 und den Freisteller in 9 Sekunden ab und folgt dem M1 Max mit knappem Abstand. Das ist ein Beispiel dafür, dass nicht jede Software proportional mit der Anzahl der CPU-Kerne, insbesondere der Performance-Kerne, schneller wird.

Video rasant

Mittels einer speziellen Media Engine beschleunigt schon der M1-Chip die Videobearbeitung extrem, begnügt sich aber mit wenig Energie. Die Engine hat Apple für die Bearbeitung von Videos im hauseigenen Format ProRes ausgelegt. Beim M1 Pro und M1 Max kommt eine weitere Einheit hinzu und der M1 Ultra enthält doppelt so viele, nämlich vier. Um ein 4K-Video von 2:35 Minuten Länge zu rendern, benötigt ein MacBook Pro mit Intels Core i9 457 Sekunden. Der Mac Studio mit M1 Max erledigt das in 31 Sekunden und der mit M1 Ultra in 27 Sekunden – also 17-mal so schnell wie ein MacBook mit Intel-CPU. Aber auch hier ist der Unterschied zwischen M1 Max und M1 Ultra enttäuschend, wenn man bedenkt, dass letzterer doppelt so viel Silizium ins Rennen schickt.

Kommen Arbeitsspeicher und Ladevorgänge ins Spiel, verschiebt sich die Reihenfolge ein wenig, wie unser Test mit mehreren 8K-Videospuren in Final Cut zeigt (Redcode-Raw-Material mit Plug-in von RED). Mit dem Export in 4K mühte sich das MacBook Air M1 mit rund einer halben Stunde am längsten (1835 Sekunden). Der hochgerüstete Mac Pro mit 384 GByte RAM erledigte das in 227 Sekunden. Der M1 Ultra war schon nach nur 74 Sekunden frei für andere Aufgaben. Bei der Videoverarbeitung zeigt er seine Überlegenheit am deutlichsten.

Mit Apples ProRes-Raw-Codec bearbeitet der Chip Videodaten noch flinker. Ein Projekt mit acht 8K-Streams ließ sich flüssig abspielen und die Rendergeschwindigkeit war höher als die Abspielgeschwindigkeit: Der M1 Ultra exportiert den Clip von 34 Sekunden Länge in gerade mal 23 Sekunden, der Mac Studio mit M1 Max braucht auch nur 36 Sekunden. Einen Test mit vier 8K-Spuren in ProRes RAW bewältigte der M1 Ultra sechsmal schneller als der Mac mini mit M1.

Hingegen dürfte schon eine einzige Spur 8K-Video den meisten Intel-Macs zu viel für die Echtzeit-Bearbeitung sein, sie berechnen weniger Frames pro Sekunde, als sie anzeigen sollten; selbst ein Mac Pro mit dem Video-FPGA hinkt hinterher.

Positiv auffällig

Die Spatzen pfeifen von den Dächern, dass Apples M1-Chips deutlich weniger Wärme produzieren und daher weniger Kühlung brauchen als die Top-Prozessoren von AMD und Intel. Dennoch überrascht, dass der Mac Studio mit M1 Max selbst bei parallelen CPU- und GPU-Benchmarks nicht mehr als 70 Watt verheizt. Sogar das Modell mit M1 Ultra kommt auf nur 117 Watt. Das ist bedeutend weniger als bei Intel-Macs oder PCs ähnlicher Leistungsklasse.

Dabei belegt gut die Hälfte des Gehäuses das Kühlsystem mit zwei großen Radiallüftern. Nach dem Einschalten blasen sie kaum hörbar die Warmluft nach hinten aus. Die Lautstärke blieb bei beiden Testgeräten selbst unter Volllast stets bei sehr guten 0,2 sone.

Fazit

Theoretisch konkurriert der Mac Studio mit dem Mac Pro: Beide sind für aufwendige und datenintensive Anwendungen gedacht, besonders für hochauflösende Video- und Audioproduktionen. Praktisch spielt der Mac Studio in einer eigenen Liga, der Mac Pro kann ihm nicht das Wasser reichen.

Dabei ist das kleine Trumm deutlich billiger, flüsterleise und vergleichsweise sparsam. Besonders der M1 Ultra dürfte für Profis wegen der zusätzlichen CPU-Kerne, Video-Engines und der 128-GByte-RAM-Option attraktiv erscheinen.

Wer mit der Leistung eines M1-Max-Chips auskommt, sollte aber auch das MacBook Pro mit M1 Max in die engere Wahl ziehen. Es kostet zwar mehr als ein gleich ausgestatteter Mac Studio, enthält aber Bildschirm, Tastatur und Trackpad und lässt sich dank Akku mobil einsetzen. Für den Mac Studio mit M1 Max spricht die größere Menge an Anschlüssen.

Unterm Strich kannibalisiert Apple die Intel-basierten Mac-Pro-Maschinen zugunsten der Mac-Studios: Bei dem weit günstigeren Einstiegspreis und der teils eklatant höheren Leistung dürfte sich kaum noch jemand für den Mac Pro erwärmen – es sei denn, interne Aufrüstungen sind ein Muss. In diesem Fall sollte man aber Apples ersten Mac Pro mit M1-Architektur abwarten, den Apple-Mitarbeiter unter der Hand angekündigt haben. Die spannenden Fragen: Wie will der Mac-Hersteller die Chipleistung noch weiter in die Höhe treiben und wird der neue Mac Pro trotz M1-Architektur PCI-Express-Erweiterungssteckplätze enthalten?

Dieser Beitrag gründet auf einer Kooperation mit unserer Schwesterzeitschrift Mac & i. (dz@ct.de)