Appleが開発した「M1」チップはなぜ高性能なのか

Appleが独自開発したMac向けチップ「M1」を搭載したMacBook Air・Mac mini・MacBook Proは、「コンピューティング革命」や「信じられない偉業」といった評価を得たり、Mac miniが日本のデスクトップPCの販売シェアでトップに君臨したりと、その省電力・高性能さが高く評価されています。そんな「M1」チップがなぜ高い性能を得ることができたのかを、テクノロジー関連の教育者であるエリック・アンギャン氏が解説しています。

Why is Apple’s M1 Chip So Fast?
https://erik-engheim.medium.com/why-is-apples-m1-chip-so-fast-3262b158cba2

Appleが開発した「M1」はSystem-on-a-chip(SoC)と呼ばれるもので、一般的な計算を行うCPUやグラフィックに関する計算を担うGPU、画像エンジン、機械学習エンジン、セキュリティ用の「Secure Enclave」といった、さまざまな専用チップをひとつにまとめたものです。動画や画像編集に関する処理は専用チップ上で行われるため、一般的な計算を目的としたCPUだけで処理する場合と比べて高速に編集作業を完了することができるというわけです。

「M1」が高速な理由はメモリにもあります。既存のシステムではCPUとGPUのメモリが共有されていないため、GPUがデータを使用する際にメインメモリからGPUのメモリへとデータをコピーする必要があり、バスの帯域が処理速度のボトルネックとなっていました。しかし、「M1」が搭載するユニファイドメモリではCPUとGPUのメモリが統合されているため、データをコピーせずGPUが直接データにアクセス可能。他の専用チップでも、GPUと同様に高速なデータ処理が可能となっています。

M1が高速な理由は専用チップやユニファイドメモリだけではありません。M1に搭載されたCPUコアである「Firestorm」のシングルコア性能は、ほとんどのIntel製CPUより高く、AMDのRyzen9 5950Xに匹敵する性能を持ちます。

CPUでは並列計算を行う際、Reorder Buffer(ROB)と呼ばれるバッファーに命令を変換して格納します。「M1」のFirestormコアは、IntelやAMD製CPUと比較して3倍のROB容量を持っているため、ROBからより多くの命令を取得して並列処理することが可能。さらに命令をROBに格納する際の変換処理を行うデコーダー数も2倍となっており、命令を高速にROBに格納できます。

「M1」がデコーダーの数を増やせたのは、採用する命令セットが理由です。IntelやAMDのx86命令セットを採用したCPUでは、命令が可変長であるためデコーダーによる変換処理が複雑になるとのこと。これに対して「M1」が採用するRISCは、命令が固定長であるため命令の開始地点を分析する必要がなく、デコーダーの構造がシンプルになります。そのため「M1」チップではより多くのデコーダーを搭載できるわけです。

CPUのベンチマークスコアを見ると、Firestormのシングルコア性能はAMDのRyzen9 5950Xよりも高いスコアを記録しています。しかし、動作クロック周波数に着目すると、Ryzen9 5950Xが最大4.9GHzで動作しているのに対して、Firestormコアは3.2GHzで動作しているのがわかります。つまり、Firestormは低周波数でRyzen9 5950Xと同等の性能を発揮しているわけです。また、新型MacBook Airがファンを搭載していないことからもわかるように、低周波数で動作しているFirestormコアは発熱の面でも有利です。

IntelやAMDのビジネスモデルはマザーボードに、CPU、グラフィックボード、メモリなどさまざまな部品を搭載してPCを完成させることに基づいていますが、PCのさまざまな機能をひとつのチップで担うを担うSoCを採用する場合、それぞれの部品に関する技術や知的財産に関する問題が生じます。また、仮にIntelやAMDがSoCを開発したとしても、PCの構成によって必要なハードウェアやソフトウェアは変化するという問題があります。その点、Appleはソフトウェアとハードウェアの両方を自社で設計・開発しているため、他社よりもスムーズなSoCの開発が可能となります。

最後にアンギャン氏は「IntelやAMDにとって幸いなことに、Appleは『M1』を自社の製品にのみ使用しているため、PCユーザーの需要が『M1』チップに流れることはないでしょう。これまで多くの費用をかけてPC環境を構築してきたユーザーはAppleの製品に簡単には移行しませんが、どのプラットフォームにもあまり投資していない若いユーザーは「M1」チップを搭載するApple製品の採用に積極的であるため、AppleのPC市場における影響力はますます大きくなるでしょう」と締めくくりました。