MacBook Air, MacBook Pro und Mac Mini mit Apples ARM-Prozessor M1

Apple hat den Mitte des Jahres angekündigten Übergang von Intel-CPUs mit x86-Technik hin zu hauseigenen ARM-Prozessoren gestartet: Seit Mitte November sind MacBook Air, MacBook Pro und Mac Mini in neuen Varianten ­erhältlich, die allesamt Apples M1-Chip nutzen.

Der M1 ist eng mit dem neuesten iPhone- und iPad-Prozessor A14 verwandt: Es gibt ebenfalls vier auf Energieeffizienz getrimmte Icestorm-Kerne (4 MByte gemeinsamer L2-Cache), aber auch vier (statt im A14 zwei) leistungs­starke Firestorm-Kerne (12 MByte gemeinsamer L2-Cache). Alle acht CPU-Kerne können gemeinsam an anliegenden Aufgaben werkeln; bei geringer CPU-Last bleibt Firestorm zugunsten der Energiebilanz außen vor. Dieses unter den Bezeichnungen big.LITTLE oder DynamiQ bekannte Prinzip ist bei ARM-Prozessoren seit Jahren Standard – anders als in der x86-Welt [1].

Als System-on-Chip (SoC) hat der M1 noch etliche weitere Funktionsblöcke an Bord. Es gibt eine GPU mit ebenfalls acht Cores à 128 Ausführungseinheiten, einen Block mit 16 Spezialkernen für KI-Berechnungen, einen großen systemweiten Cache (vermutlich 16 MByte), Controller für PCIe 4.0 und Thunderbolt 3 [2] sowie den vormals als separaten Chip in Macs eingebauten T2-Controller. Letzterer agiert nicht nur als Sicherheitsprozessor für TouchID-Authentifizierung und SSD-­Verschlüsselung, sondern auch generell als SSD-Controller, Signalprozessor für die Webcam und als Audio-Codec – Funktionen, die er auch in bisherigen Intel-­Macs schon übernommen hat. Bei M1-Macs entfällt Broadcom als Zulieferer der WLAN-Adapter; die Geräte funken nun gemäß Wi-Fi 6 (11ax) statt vormals nur Wi-Fi 5 (11ac).

M1-Varianz

Obwohl in allen drei neuen Macs der M1 steckt, gibt es kleinere Unterschiede. So verwendet Apple im MacBook Air standardmäßig einen M1, bei dem nur sieben statt acht GPU-Cores freigeschaltet sind – das verringert die 3D-Leistung etwas. Deutlich stärkere Auswirkungen auf die Performance hat aber die Tatsache, dass der M1 im MacBook Air lüfterlos gekühlt wird, während im MacBook Pro und im Mac Mini Lüfter die Abwärme aktiv aus dem Gehäuse befördern. Deswegen darf der M1 dort mehr Energie verheizen und kann dadurch seine hohen Turbo-Takt­raten länger halten, statt bei Dauerlast einzuknicken.

Generell ist die Performance hoch: Intels Notebook-Standardprozessoren mit vier Kernen, die Apple bislang verwendet hat, müssen sich durch die Bank geschlagen geben – selbst dann, wenn x86-Code mittels der in macOS 11 enthaltenen Rosetta-2-Zwischenschicht erst auf ARM umgesetzt werden muss. Bei Anwendungen, die bereits als nativer ARM-Code (von Apple Universal Binary genannt) vorliegen, dreht der M1 dann richtig auf und lässt mitunter Desktop-Prozessoren alt aussehen [1]. Wie sich das auf populäre Anwendungen auswirkt, lesen Sie ab Seite 102.

Die hohe Performance liegt nicht (nur) an einem tollen CPU-Design und TSMCs branchenführender 5-Nano­meter-Fertigung, sondern daran, dass Apple gnadenlos die Vorteile seines Alles-aus-­einer-Hand-Mantras ausspielt: Die einzelnen Funktionsblöcke des M1 werden durch den Code des hauseigenen Xcode-­Compilers optimal ausgelastet. Das ist ein krasser Gegensatz zur x86-Welt: Intel hat zwar auch einen optimierenden Compiler und in neueren CPU-Generation Zusatzblöcke zur KI-Beschleunigung oder für AVX512-Befehle, doch das Software-Ökosystem hält nicht mit. Es dauert etliche Jahre, bis gängige Windows-Software Hardware-Neuerungen tatsächlich ausnutzt.

Hinzu kommt, dass Optimierungen auf die x86-CPUs eines bestimmten Herstellers mitunter gar nicht gewünscht sind: AMD hat keinen eigenen Compiler, aber es durch geschicktes CPU-Design trotzdem geschafft, Intel-Prozessoren bei der Performance zu überholen. Freilich spielen dabei auch Intels anhaltende 10-Nanometer-Fertigungsprobleme eine Rolle: Intel wird anno 2021 nochmals neue 14-Nanometer-Prozessoren bringen (müssen), während AMD bereits seit dem Frühjahr 2020 flottere 7-Nanometer-­Chips mit mehr Kernen verkauft. Auch das spricht dagegen, auf Teufel komm raus ausschließlich Intel-Optimierungen in x86-Windows-Anwendungen einzubauen.

Momentum

Apple kann seine Karten auch deshalb ausspielen, weil klar ist, dass bis Ende 2022 alle Macs auf hauseigene ARM-­Prozessoren umgestellt werden. Wer im lukrativen Apple-Kosmos mit zahlungskräftiger Kundschaft weiterhin Software verkaufen will, hat also gar keine andere Wahl, als mitzuziehen – weshalb es alle tun. Das Abschneiden alter Kompatibilitätszöpfe tut zwar weh und sorgt für Missmut, doch es gehört irgendwie auch zu Apple dazu. Microsoft hingegen kann es sich nicht leisten, großen Firmen die Umstellung ihrer IT-Landschaft kurzerhand vorzuschreiben – man denke nur an die unzähligen weiterhin in Betrieb befind­lichen Windows-7-PCs in Behörden, Banken und Unternehmen, auf denen teure Spezialsoftware läuft, die im Tages­geschäft unerlässlich ist.

Es ist nicht so, dass Microsoft den Wechsel hin zu ARM-Prozessoren nicht ebenfalls auf dem Schirm hätte: Es gibt bereits seit 2016 eine ARM-Version von Windows 10 (WoA, Windows on ARM) und Mobilgeräte mit Qualcomms Snapdragon-Prozessoren. Diese Tablets und Notebooks tummeln sich aber weiterhin in einer unattraktiven Nische samt ungelöster Henne-Ei-Problematik: Ohne ausreichend Geräte im Markt macht sich kein Programmierer an die Arbeit, seine Anwendung für WoA herauszubringen – und ohne Anwendungen mag man sich ein WoA-Gerät nicht kaufen. Microsoft selbst hat bis dato noch nicht einmal eine ARM-Version von Office veröffentlicht, obwohl man mit dem Surface Pro X selbst ein WoA-Gerät verkauft [4]. Für M1-Macs steht hingegen schon jetzt eine Beta-Version des M1-optimierten Mac-Office-Pakets bereit; Gleiches gilt für andere Profi-­Software wie etwa Adobes Photoshop.

Ob sich an der WoA-Situation durch Apples ARM-Umstieg etwas ändert, ist schwer zu sagen, weil die Konzepte in unterschiedliche Richtungen gehen: Microsoft baut schicke Clients für seine Clouddienste, während SoC-Lieferant Qualcomm die Mobilfunkintegration in möglichst viele und günstige Geräte pushen will. Apple setzt hingegen weiterhin auf viel lokal vorhandene Performance; LTE oder 5G ist bei den M1-MacBooks nicht vorgesehen.

Eingeengt

Umgekehrt bedeuten die neuen M1-Macs aber auch, dass man den Entscheidungen Apples noch stärker ausgeliefert ist als bislang. Sie kommen beispielsweise mit macOS 11 daher, welches dahingehend für Aufsehen sorgte, dass man nicht mehr alle Netzwerkverbindungen zu Gesicht bekommt: Im Betriebssystem ist eine Liste von Systemprozessen hinterlegt, die jederzeit nach Hause telefonieren dürfen, ohne dass Firewalls oder Netzwerksniffer dies mitbekommen [5].

Und nicht zuletzt fällt „das Beste aus zwei Welten“ weg: Auf Intel-Macs konnte man mittels Boot Camp Windows 10 parallel zu macOS installieren oder unter macOS virtualisierte Windows-Anwendungen nutzen. Letzteres half, etwa nach einem Wechsel zu Apple hin weiterhin liebgewonnene oder benötigte Anwendungen auszuführen. Ersteres ergab wegen wenig optimierten Treibern – allen voran beim Touchpad – zwar wenig Sinn im Alltag, war aber für Entwickler eine beliebte Möglichkeit, mit einem statt zwei Systemen auszukommen – oder man konnte ein Gadget mit neuer Firmware ausstatten, wenn es den Updater nur für Windows gab.

Apple sperrt sich nicht grundsätzlich gegen Windows auf M1-Macs, doch für x86-Windows und -Anwendungen ist der Zug abgefahren. Wenn, dann funktioniert bestenfalls die oben genannte Windows-on-ARM-Version. Der Haken: Deren Lizenzen verkauft Microsoft bislang nicht im freien Handel an Endkunden, sondern stellt sie nur OEMs zur Vorinstallation auf WoA-Geräten zur Verfügung. Auch Virtualisierer wie Parallels haben schon abgewunken: Man müsste schließlich nicht virtualisieren, sondern aufwendig emulieren. Wer nicht ohne Windows-Anwendungen auskommt, findet M1-Mac-Alternativen ab Seite 106.

To-Dos

Dem Problem der anderen CPU-Architektur begegnet man übrigens auch, wenn man Peripheriegeräte an M1-Macs anschließt. Mäuse, Tastaturen und USB-Sticks nutzen generische USB-Profile und können deshalb ohne Einschränkung verwendet werden. Für andere Peripherie wie LTE-Modems, TV-Sticks oder Audio-­Interfaces gilt das nicht: Wenn der Hersteller keine ARM-­macOS-Treiber liefert, kann man solche Komponenten nicht verwenden. Besonders das Feld der bei Macs beliebten externen GPUs im Thunderbolt-Dock (eGPU) liegt erst mal brach, solange AMD und Nvidia keine passenden Treiber liefern.

Ob solche kommen, dürfte nicht zuletzt davon abhängen, wie es bei Apple weitergeht: Die M1-Macs sind der erste Schritt, aber mit allen Komponenten in einem SoC-Prozessor auch der einfachste. Im bisherigen MacBook Pro 16 steckt hingegen wie im iMac bislang ein Grafikchip zusätzlich zur Intel-CPU; den Mac Pro kann man mit gängigen PCIe-Grafikkarten erweitern. Ob Apple für diese Baureihen künftig potentere ARM-CPUs mit zugekaufter Radeon-GPU vorsieht oder sich wie Intel neuerdings ebenfalls an leistungsstarken eigenen Grafikchips versuchen will, ist derzeit nicht bekannt. Gleiches gilt für konzeptionelle Änderungen: Touchscreen, Stiftbedienung oder FaceID gibt es weiterhin nur bei iPads, aber nicht bei MacBooks – obwohl die Pendants bei Windows-Notebooks weit verbreitet sind.

Fazit

Dass gleich der erste ARM-Prozessor für Macs, der M1, ein so großer Wurf werden würde, wurde wohl selbst Apple erst bewusst, als nach langer Entwicklung alle Fäden zusammengelaufen sind. Nach den Ryzen-4000-Prozessoren für Notebooks ist das wiederum das zweite Mal, dass Intel anno 2020 aufgezeigt bekommt, welche Auswirkungen jahrelange eher kleine Fortschritte und Verzögerungen durch einen an die Wand gefahrenen Fertigungsprozess haben. Allerdings hat sich Apple für das noch kommende restliche Mac-Lineup mit leistungsstärkeren Komponenten die Latte nun selbst ziemlich hoch gelegt. Zudem ist abzusehen, dass die Compiler-Trumpfkarte und andere Aspekte nur einmal einen Boost bringen: Der zu erwartende Performance-Gewinn beim kommenden Generationswechsel von M1 auf „M2“ dürfte kleiner ausfallen als von Intel zu M1.

Early Adopter müssen sich der anfänglichen Einschränkungen bewusst sein; einen echten Showstopper gibt es aber nicht. Wer schon jetzt den Umstieg wagt, bekommt mit den ersten drei ARM-Macs alle M1-Neuerungen in bekannten Bauformen und stimmigen Zusammenstellungen serviert. Im MacBook Pro und im Mac Mini liefert der M1 zwar eine höhere Leistung als im MacBook Air, dennoch ist letzteres der heimliche Star: So viel Performance bei gleichzeitig durchgängig lautlosem Betrieb sucht man bei Windows-Notebooks vergeblich. (mue@ct.de)