M1 und M1 Pro/Max: So optimiert Apple die Performance- und Effizienz-Kerne

Apple hatte mit der M1 Chip-Serie die erste Generation von Apple Silicon Macs erfolgreich gestartet. In erster Linie ist der M-Chip keine einfache CPU. Es handelt sich um ein System-on-a-Chip (SoC), d. h. eine Reihe von Chips, die alle zusammen in einem Silizium-Paket untergebracht sind. Der Erfolg ist groß – Apples Chip ist nicht nur oft leistungsfähiger, sondern auch energieeffizienter als x86-Prozessoren. Zu verdanken ist das unter anderem einem geschickten Zusammenspiel von Performance-Kernen mit hoher Rechengeschwindigkeit und Effizienz-Kernen, welche für weniger aufwendige Aufgaben entsprechend weniger Energie verbrauchen. Entwickler Howard Oakley hat sich dieses Zusammenspiel genauer angeschaut und zeigt, wie sich der M1 vom M1 Pro/Max unterscheidet.

Taktfrequenzen der einzelnen Kerne

Es gibt einen großen Unterschied zwischen den beiden Versionen der M1 Chips von Apple: Das Standard-Modell hat vier Effizienz (E) und vier Performance (P) Kerne, während der M1 Pro bzw. M1 Max zwei E-Kerne und acht P-Kerne hat. Daraus folgt, dass letztere die doppelte Leistung des ursprünglichen Designs liefern sollten, wenn sie Threads mit höherem „Quality of Service“ (QoS) auf ihren P-Kernen ausführen.

Mit diesem Aufbau im Hinterkopf, könnte dies theoretisch auch bedeuten, dass ein Mac mit M1 Chip bei einer einfachen Aufgabe doppelt so schnell arbeitet wie ein Mac mit einem M1 Pro/Max Chip. Das ist in der Praxis natürlich nicht der Fall. Howard Oakley zeigt auf seinem Blog, warum dies so ist.

Zusammengefasst erklärt Oakley, dass das Geheimnis in unterschiedlichen Taktraten der E-Kerne begründet liegt. Auf dem Standard M1 werden alle vier E-Kerne mit einer Frequenz von etwa 1000 MHz betrieben, wenn Threads im niedrigsten QoS-Level ausgeführt werden, was ihre Stromersparnis erhöht. Wenn dieselben Kerne jedoch für die Ausführung von Threads mit höheren QoS-Ansprüchen verwendet werden, laufen sie normalerweise mit höherer Frequenz und opfern so die Energieeffizienz für eine bessere Leistung.

Die E-Kerne in den M1 Pro/Max Chips werden mit maximaler Frequenz betrieben, wenn sie mit zwei oder mehr Threads mit minimaler QoS belastet werden, wobei sie etwas Energieeffizienz aufgeben, um eine Leistung zu erzielen, die mindestens so gut ist wie die der E-Kerne im herkömmlichen M1. Werden Threads mit höherer QoS den E-Kernen in einem M1 Max/Pro zugewiesen, werden die Kerne mit maximaler Frequenz ausgeführt, um eine bessere Leistung zu erzielen, die näher an der von den P-Kernen liegt.

macOS weist den Kernen nicht nur Threads zu, sondern steuert auch ihre Frequenz in Abhängigkeit von der Anzahl der verfügbaren E-Kerne und der Thread-QoS. Und genau an dieser Stelle, ist es wichtig, dass Entwickler ihren Beitrag leisten, so Oakley. Denn die Vorzüge der Zuweisung können sich nur ausspielen, wenn die Tasks einer Anwendung nicht immer die höchste Priorität anfordern.