Was wir von Apples M3-Chip erwarten

Mit dem M2 Ultra im neuen Mac Pro und im aktualisierten Mac Studio hat Apple im Juni 2023 die drei Jahre zuvor angekündigte Abkehr von Intel abgeschlossen und die M2-Prozessorfamilie komplettiert.

Jetzt richten sich alle Augen auf die nächste Generation des System-on-Chip (SoC) M3. Berichten zufolge testet Apple bereits neue Laptops mit M3-Chips, die ersten könnten schon in diesem Jahr auf den Markt kommen. Viel ist über den M3 noch nicht bekannt, nur dass TSMC einen 3-nm-Fertigungsprozess verwendet, dürfte sicher sein.

Um eine Vorstellung davon zu bekommen, was uns beim M3 erwartet, können wir uns die Entwicklung der Prozessoren der M-Serie ansehen und wie sie sich zu der in iPhones und iPads verwendeten A-Serie verhalten. Niemand weiß wirklich, was der M3 bringen wird, bis Apple die Katze aus dem Sack lässt, aber wir können aus der Vergangenheit in die Zukunft extrapolieren.

Wie sich der M3 zum A16 verhält

Als wir zu Beginn des Jahres 2022 die Leistung des M2-Prozessors schätzten, basierten unsere Annahmen auf einem einfachen Konzept: So wie der M1 im Wesentlichen ein großer A14 mit einigen Verbesserungen ist, wäre der M2 ein großer A15. Wenn Sie sich den Leistungsunterschied zwischen dem A15 und dem A14 ansehen, können Sie den Leistungsunterschied zwischen dem M2 und dem M1 abschätzen.

Das hat sich als ziemlich gut herausgestellt – unsere Vorhersagen lagen nicht weit daneben. Gehen wir zunächst davon aus, dass der M3 auf denselben architektonischen Aktualisierungen wie der A16 basieren wird, nur mit mehr Kernen und einigen anderen Anpassungen.

Bringt also der M3 den gleichen Leistungsvorsprung gegenüber wie der A16 gegenüber dem A15? Das ist wahrscheinlich zu stark vereinfacht, aber wir nehmen das als Ausgangsargument für unsere Diskussion über einen Prozessor, den wir frühestens in einigen Monaten genauer betrachten können.

Der 3-nm-Prozess von TSMC

Alle bisherigen Gerüchte besagen, dass der M3 ein 3-nm-Chip sein wird, den TSMC für Apple herstellt. Das ist ein Grund, warum die ersten M3-basierten Produkte frühestens gegen Ende 2023 kommen. Das 3-nm-Verfahren von TSMC steckt noch in den sprichwörtlichen Kinderschuhen und verfügt daher über eine vergleichsweise geringe Produktionskapazität, zunächst soll der A17, der diesen Herbst in den neuen iPhones stecken soll, damit gefertigt werden. Die größeren (und in geringeren Stückzahlen hergestellten) Chips der M-Serie müssen warten, bis TSMC die Fertigungskapazität erhöht, was auch noch bis Anfang 2024 dauern kann.

Unabhängig vom Zeitplan wirft diese Verschiebung in der Fertigung jedoch einen kleinen Schatten auf unsere Leistungsschätzungen. Die SoCs A14, A15, A16, M1 und M2 wurden alle auf verschiedenen Versionen des 5-nm-Prozesses von TSMC hergestellt. Der Sprung zu 3 Nanometern ist großer Schritt – der neue Fertigungsprozess bringt eine weitaus höhere Dichte mit sich und sollte entweder zu höheren Taktraten, geringerem Stromverbrauch oder vielleicht ein bisschen von beidem führen.

Die höhere Dichte bedeutet, dass Apple den Platz für mehr Kerne, mehr Cache oder andere Funktionen hat, die den M3 stärker vom A16 unterscheiden als den M2 vom A15. Man müsste also eher den M3 mit dem A17 in Beziehung setzen, aber den neuen iPhone-Chip sehen wir auch erst ab September in Aktion.

M3: Schätzungen der CPU-Leistung

Werfen wir zunächst einen Blick auf die Entwicklung der Single-Core-CPU-Leistung bei den aktuellen Chips der A-Serie. Im Geekbench 6.1 sehen wir einen Zuwachs von etwa 9–10 Prozent im Vergleich zum Vorjahr.

Die Verbesserungen bei der Multicore-Leistung waren höher, im Bereich von 15–20 Prozent jedes Jahr, obwohl alle drei Chips die gleiche Anzahl an Kernen haben: zwei Hochleistungskerne und vier Effizienzkerne.

Wie wird sich das auf die M3-Leistung auswirken? Wir beginnen mit den M2-Ergebnissen und addieren dann denselben Leistungsunterschied, den wir zwischen dem A15 (auf dem der M2 basiert) und dem A16 (auf dem der M3 basieren könnte) gesehen haben. Und das ist das Ergebnis…

Ein Single-Core-Ergebnis von etwa 2900 würde den M3 in dieselbe Liga wie Intels CPUs der 13. Generation (Raptor Lake) stellen. Die schnellsten Desktop-CPUs von Intel und AMD erreichen heute rund 3.000 Punkte oder etwas darunter und die leistungsstärksten Chips für dünne und leichte Laptops liegen im Bereich von 2.500 bis 2.600. Intel und AMD haben große Fortschritte gemacht, seit der M1 die Prozessorindustrie mit seiner Leistung und Effizienz schockiert hat, und Apple wird mit dem M3 einen großen Leistungssprung bei der Single-Core-Leistung vollziehen müssen, um vorn zu bleiben.

Ein Multi-Core Geekbench-Score von über 11.000 für den M3 setzt voraus, dass Apple den gleichen Multi-Core-Leistungsschub liefert wie beim A16, geht aber nicht von einer Erhöhung der Kernanzahl gegenüber dem M2 aus. Das Gleiche gilt für den Score des M3 Max von über 16.000. Das sind zwar gute Werte, aber die besten Desktop-CPUs von Intel und AMD erreichen derzeit rund 20.000 Punkte.

Der Wert von 16.000 entspricht den besten Intel/AMD-Laptop-Chips von heute und 11.000 ist nur dann konkurrenzfähig, wenn man sich die sehr leistungsschwachen Konkurrenten ansieht.

Bloombergs Mark Gurman berichtete jedoch, dass eine Version des M3 Pro in der Testphase 12 Kerne nutzt: sechs Hochleistungs- und sechs Hocheffizienzkerne. Jeder M2 hat vier Effizienzkerne, es könnte also sein, dass Apple zumindest dem M3 Pro/Max und vielleicht der gesamten M3-Reihe zwei Effizienzkerne mehr spendiert. Sollte dies der Fall sein, könnte sich die Multicore-Leistung um etwa 1.000 Punkte erhöhen.

Intel und AMD dürften bis zur Markteinführung der M3-Produkte neue Prozessorgenerationen auf den Markt bringen, welche die Leistungs- und Effizienzmesslatte noch höher legen werden. Was die Multicore-Leistung betrifft, müsste die M3-Generation größere Verbesserungen als erwartet erzielen, um die Fortschritte von Intel und AMD zu übertreffen.

Schätzungen der GPU-Leistung von M3 und M3 Max

Bei der Vorhersage der GPU-Leistung ändert sich die Situation ein wenig. Apple hat die GPU-Kerne des M2 erhöht und wird dies wahrscheinlich auch bei der M3-Generation tun. Beim M2 wurden die maximalen GPU-Kerne von acht auf zehn erhöht, beim M2 Pro von 16 auf 19 und beim M2 Max von 32 auf 38 (der M2 Ultra besteht aus zwei zusammengesetzten M2 Max-Chips)

Mark Gurmans Quellen wollen wissen, dass das Basismodell des M3 Pro 18 GPU-Kerne hat, was eine Steigerung von zwei Kernen gegenüber dem Basismodell des M2 Pro bedeutet, der voll ausgestattete M3 Pro könnte also 20 bis 24 GPU-Kerne bekommen. Daraus können wir ableiten, dass der M3 zehn bis zwölf und der M3 Max 40 bis 48 GPU-Kerne haben werden.

So sieht die GPU-Rechenleistung in Geekbench 6 bei den Chips der A-Serie von Apple aus:

Wie wird sich das auf die GPU-Leistung auswirken? Unsere Schätzung nimmt den Sprung von A15 zu A16 und wendet ihn auf die M-Serie an:

Für die GPU-Rechenleistung unter Verwendung der Metal-API bedeutet das, dass der M3 fast 45.000 Punkte und der M3 Max über 155.000 Punkte erreicht. Das sind respektable Werte, die jedoch weit hinter den besten Grafikkarten von AMD und Nvidia zurückbleiben, die bei der OpenCL-Version dieses Benchmarks zwischen 250.000 und 300.000 Punkte erreichen. Die besten Radeon-Grafikkarten, die mit Intel-basierten Macs verwendet werden, kommen auf über 200.000 Punkte. Diese Werte dürften um etwa zehn Prozent steigen, wenn Apple die Anzahl der Kerne wie erwartet erhöht.

Natürlich passt keine dieser Karten in einen Laptop. Apples Ansatz ist es, so viel GPU-Leistung wie möglich in ein einziges SoC mit gemeinsamem Speicher zu pressen. Je mehr Kerne, desto höher ist der Energiebedarf und damit die Abwärme. Stromhungrige Desktop-Komponenten liefern daher die besten Ergebnisse, können aber Hunderte von Watt für die CPU und die GPU aufwenden – das ist jetzt ausschließlich die Domäne von Windows- und Linux-PCs.

Die Geschwindigkeit, mit der ein Grafikprozessor Berechnungsalgorithmen ausführen kann, ist die eine Sache, aber für wirklich relevant ist die 3D-Grafikleistung für die meisten für High-End-Spiele. Die Grafikleistung hat sich beim Übergang vom A14 zum A15 dank eines fünften GPU-Kerns erheblich verbessert, doch der A16 konnte bei gleicher Kernzahl mehr als 12 Prozent mehr Leistung herausholen, was vor allem auf einen schnelleren Speichers zurückzuführen ist.

In die M-Serie hat Apple immer wieder weitere Kerne eingebaut, was auch in Zukunft der Fall sein sollte. Unsere Schätzung zeigt einen respektablen Leistungszuwachs, aber auch damit reicht der M3 nicht an die leistungsfähigsten Grafikkarten heran, selbst wenn man zu unseren Schätzungen für zusätzliche Kerne noch 10 Prozent hinzufügen würde.

Mit einer Punktzahl von 28.000 liegt der M3 Max in der gleichen Größenordnung wie eine GeForce RTX 3070. Beeindruckend für ein großes SoC, das in einen Laptop eingebaut werden kann – aber die besten Desktop-GPUs von heute leisten weit mehr.

Apple könnte uns noch überraschen

Unsere Annahmen zur Leistungsfähigkeit beziehen sich natürlich auf den Sprung vom A15 zum A16 und gehen von demselben Sprung vom M2 zum M3 aus. Aber wenn alle Gerüchte wahr sind, wird der M3 auf einen neuen 3-nm-Fertigungsprozess umgestellt, der möglicherweise eine große Steigerung der Transistoranzahl ermöglicht. Der M3 wird für den M2 mindestens das sein, was der A16 für den A15 war, aber wir dürfen auf mehr hoffen.

Das könnte sich auf viele Arten manifestieren: mehr Kerne, mehr Cache oder sogar grundlegende Designänderungen zur Steigerung des Durchsatzes. Die Gerüchte über ein paar zusätzliche Effizienzkerne sind stimmig, aber es wäre auch noch Platz für ein oder zwei weitere Hochleistungskerne. Vielleicht folgen die Hochleistungskerne auch gar nicht der Architektur des A16 – wie erwähnt könnte Apple die Zeit genutzt haben, um den M3 auf ein neues Design des A17 aufzubauen.

Die GPU-Architektur ist schließlich etwas in die Jahre gekommen und hat sich in der A16-Generation nicht wirklich verändert. Vielleicht wird der M3 auf A17-Basis ein völlig neues GPU-Kerndesign haben? Ist es zu viel verlangt, auf Raytracing-Beschleunigung zu hoffen? Und natürlich sind KI und maschinelles Lernen sehr wichtig für Apple. Eine aufgerüstete Neural Engine (bisher 16 Kerne) ist keineswegs ausgeschlossen.

Ich habe mich darüber beschwert, dass der A16 im Wesentlichen ein A15+ ist, ein Chip, der nicht viel mehr zu bieten hat als höhere Taktraten und schnelleren Speicher. Schon der A16 hätte stärker vom A15 abweichen und ein 3-nm-Chip werden sollen. Aber TSMC war mit dem neuen Prozess nicht rechtzeitig fertig geworden, um vergangenen Herbst die Chips für Millionen von iPhones zu produzieren, also bekamen wir stattdessen einen aufgemotzten A15. Der M3 könnte einige der Designänderungen und Verbesserungen nutzen, die ursprünglich für den A16 vorgesehen waren.

Der M1 stellte im November 2020 die komplette Chip-Industrie auf den Kopf. Der M3 hatte gut drei Jahre zur weiteren Reifung, aber auch Intel und AMD hatten Zeit, Anpassungen vorzunehmen und die Leistung und Effizienz auf ein neues Niveau zu heben. Wenn Apple weiterhin mit seiner Leistung und Effizienz beeindrucken will, muss der M3 mehr bieten als den gleichen Leistungssprung, den wir beim M2 beobachtet haben.

Es muss mehr sein als der Übergang von A15 zu A16, auf Laptop- und Desktop-Chips extrapoliert. Der Sprung zu einem 3-nm-Prozess bietet Apple die Möglichkeit, den M3 sehr viel stärker von seinem Vorgänger abzusetzen, als es beim 5-nm-Prozess der Fall war, und um seinen Ruf zu schützen, muss es das auch.