Apples M1 Chip: Die Sache mit dem Arbeitsspeicher

«Unified Memory Architecture» verändert unser Verständnis von RAM.

Stefan Rechsteiner

Als «System on a Chip», kurz «SoC», umfasst der neue Apple-Chip «M1» mehrere bisher separat in einem Mac verbaute Komponenten. Er kombiniert CPU und GPU, bringt die «Neural Engine» auf die Mac-Plattform, umfasst die einzelnen Komponenten des Sicherheits-Chips «T2» und bündelt verschiedene weitere Controller und integriert zu all dem auch den Arbeitsspeicher in einem einzigen Chip.

Der M1 kombiniert all diese Chips und Controller in einem Design, weil diese Bauart direkt immense Vorteile betreffend Performance bringt. Exemplarisch zeigt sich das beim Arbeitsspeicher.

Die RAM-Bausteine sind beim M1 direkt in den Chip integriert. Das bedeutet, dass der Arbeitsspeicher nachträglich nicht mehr aufgerüstet werden kann. Man ist also auf die Lebensdauer des Mac auf diese Menge an RAM gebunden. Apple verbaut in vielen Mac-Modellen seit Jahren fix verlötete RAM-Bausteine, entsprechend neu ist diese Limitierung also nicht.

Gleichzeitig hat die Integration des RAM in das SoC aber sehr grosse Vorteile. Derart immense Vorteile sogar, dass unser Konzept des «Arbeitsspeichers» neu gedacht werden muss. Wie wir bisher mit RAM umgegangen sind und was wir darüber gelernt haben, gilt in vielerlei Hinsicht bei mit M1 ausgerüsteten Macs nicht mehr.

Die Integration des Arbeitsspeichers in das M1-SoC hat den Vorteil, dass diejenigen Chips, die auf eben die im RAM zwischen-gespeicherten Daten zugreifen müssen, neu nicht mehr über einen Bus und einen Memory-Controller auf einen externen Speicher zugreifen müssen, sondern neu direkten und dadurch superschnellen Zugriff auf diese Daten haben. Jeder Core des M1 hat sogar seine eigene direkte Verbindung zum integrierten Arbeitsspeicher – es wird kein Memory-Controller mehr benötigt und es kommt auch nicht mehr zu zusätzlich aufwendigem Hin- und Her-Kopieren von Daten.

Dieses Prinzip des im Chip integrierten Arbeitsspeichers hört bei Apple auf den Namen «Unified Memory Architecture» und ist auch in den Chips des iPad und iPhone zu finden.

Als die neuen Mac-Modelle mit M1 vorgestellt wurden, sorgte vor allem die Auswahl von «nur» 8 und 16 GB RAM für Verunsicherungen. Zwar hatten sowohl das MacBook Air wie auch das nun mit dem M1-Modell ersetzte 13-Zoll MacBook Pro mit zwei Thunderbolt-Anschlüssen ebenfalls nur entweder 8 oder 16 GB RAM, aber beim potenteren 13-Zoll MacBook Pro mit vier Thunderbolt-Anschlüssen und auch beim Mac mini gehen die Konfigurationsmöglichkeiten bis zu 32 respektive sogar 64 GB RAM. Womöglich mit aus diesem Grund behielt Apple auch noch Intel-Modelle mit diesen Konfigurations-Möglichkeiten weiterhin im Sortiment.

Ausser beim Mac mini verliert man also bei den neuen M1-betriebenen Mac-Modellen keine RAM-Optionen. Dennoch sorgte die Limitierung auf maximal 16 GB für Ängste, die M1-Chips hätten hier eine gewichtige Barriere.

Durch die neue Unified Memory Architecture kommt der Grösse des Arbeitsspeichers eine neue Bedeutung zu. Galt beim traditionellen Chip- und Computer-Design noch klassisch in den meisten (aber nicht allen) Fällen «mehr RAM = mehr Leistung», ist die Geschichte nun eine andere.

Mehr RAM resultierte deshalb bisher oft in mehr Leistung, weil der verfügbare Arbeitsspeicher durch den Memory Controller auf die verschiedenen Komponenten aufgeteilt werden musste. CPU und GPU verfügten zudem über eigene Zwischenspeicher. Damit die beiden Komponenten Zugriff auf die Daten hatten, mussten diese stetig hin und her kopiert werden. Dieses Prozedere erhöht die Anforderungen an den Arbeitsspeicher und hat Auswirkungen auf die Antwortzeit wie auch auf die Leistung, die für die Abwicklung dieses Prozesses notwendig ist. Dadurch war es sehr vorteilhaft, wenn man mehr Arbeitsspeicher zur Verfügung hatte.

Bei der UMA nun haben alle einzelnen Komponenten wie CPU oder GPU direkten Zugriff auf den Arbeitsspeicher. Da sie die gleichen Daten nutzen können, ist es neu nicht mehr notwendig, diese stets zu kopieren. Durch den direkten Zugriff ist auch die Latenz viel niedriger. Alle 16 Kerne der CPU und GPU können gleichzeitig und durch dedizierte Memory-Lanes auf die Daten im Arbeitsspeicher zugreifen.

Auf UMA setzt Apple auch bei den Chips für iPhone und iPad. Neben anderen Faktoren ist diese Architektur mitverantwortlich dafür, dass das iPhone seit Jahren auch die best-ausgestatteten Android-Smartphones abhängen, obwohl das Apple-Gerät über massiv weniger Arbeitsspeicher verfügt.

Für eine Vielzahl an Aufgaben und Workflows, für die man bisher traditionell möglichst viel Arbeitsspeicher benötigte, sollte man nun dank der UMA mit viel weniger RAM auskommen können. Das variiert aber natürlich von Arbeitsablauf zu Arbeitsablauf und auch von Programm zu Programm (und wie optimiert diese für die verfügbare Architektur sind). Wo bisher 8 GB oder 16 GB zu wenig RAM waren, könnte das neu je nach Tätigkeit durchaus genug Arbeitsspeicher sein.

Es gilt also natürlich je nach Tätigkeit, Workflow und Programm das Mantra «mehr RAM = mehr Leistung» weiterhin. Wer mit richtig heftigen Dateien die mehrere Gigabyte gross sind arbeitet, wird auch mehr RAM benötigen. Für derartige Arbeiten ist dann aber wohl auch eher ein potenteres Gerät angebracht, als eines von Apples neuen Einsteiger-Maschinen. Künftige Apple-Chips für die Maschinen aus der Mittelklasse und für die Top-Modelle werden bestimmt auch grössere Arbeitsspeicher aufweisen.

Mehr Details

In unserem ausführlichen Testbericht zum neuen 13-Zoll MacBook Pro mit Apple-Chip «M1» haben wir das neue Pro-Notebook auf Herz und Nieren getestet und sind noch detaillierter auf die technischen Finessen des M1 eingehen.

2 Kommentare

Profilfoto von Grumbl-fyx

Kommentar von Grumbl-fyx

Im heute erhaltenen neuen Mac & i haben sie ein M1 MacBook Pro mit 8 GB getestet - der kleinere Speicher bringt das System bei grossen Daten schon an die Grenze, z.B. in Logic Pro, wo weniger Spuren gleichzeitig gespielt werden. Wenn aber alles irgendwie ins RAM passt, dann ist der M1 ziemlich flotter. Daher sind wohl die CHF220 für 8 –> 16 GB gut investiert!

Aber Achtung: ” Alle 16 Kerne der CPU und GPU können gleichzeitig und durch dedizierte Memory-Lanes auf die Daten im Arbeitsspeicher zugreifen.” - ja, das stimmt wohl, aber dies gilt nur fürs “LESEN” - ich kann mir nicht vorstellen, dass CPU und GPU nur lesen wollen und nicht schreiben - und schreiben kann jeweils nur eine Komponente - die dazu den entsprechenden RAM-Bereich ‘sperren’ muss, ansonsten führt dies zu Dateninkonsistenz. Natürlich gibt es Algorithmen, die ganz viele Daten lesen und sehr wenig schreiben (z.B. Addition vieler Zahlen), aber die sind wohl seltener als Algorithmen, die plusminus gleichviel lesen wie schreiben (z.B. Verschlüsselung, Grafikfilter, Soundeffekte, etc.)

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