Apple Silicon: Das ändert sich unter der Haube

Am Dienstag kommender Woche ist es soweit: Apple präsentiert auf dem Event “One more thing.” seine ersten Macs mit Apple Silicon präsentieren.

Wie bei seinen iPhones und iPads wird Apple also auch bei seinen Macs eigene CPUs verwenden – neue Prozessoren der ARM-Architektur und Zusatz-Chips, die selbst produziert werden bzw. vom Haus-Produzenten TSMC. Der Wechsel bringt aber nicht nur eine komplett neue Software mit sich, sondern auch viele Neuerungen auf der Ebene der Hardware und des Systems . Viele Informationen hatte Apple im Rahmen der WWDC weitergegeben, aber seitdem sind einige weitere Informationen veröffentlicht worden.

5nm-Prozess

Erstmals wurde der neue Chip des iPhone 12 im 5nm-Prozess hergestellt, was eine Premiere war. Das neue Verfahren soll höhere Performance bei niedrigerer Leistungsaufnahme ermöglichen und sicher auch bei den Macs zum Einsatz kommen. Der Intel-Prozessor im Macbook Pro wird etwa immer noch im 10nm-Verfahren gefertigt, Unzufriedenheit mit Intels-Fortschritten soll ein Grund für den Wechsel gewesen sein. Allerdings sollte man nicht vergessen, dass auch Intel hier ab den Tiger-Lake-CPUs auf eine neue Technologie namens 10nm SuperFin setzt, die viele Verbesserungen bringen soll.

Schnelle und langsame CPUs

Die Intel-CPUs in den aktuellen Mac haben mehrere Kerne, diese sind aber gleich schnell. Strom sparen sie durch Heruntertakten auf niedrigere Taktraten. In Apple-Chips wie dem A14 stecken dagegen zwei schnelle und mehrere stromsparende langsame Kerne für Hintergrundaufgaben. Die beiden Hochleistungskerne (Firestorm) des A14 takten etwa mit 3 GHz, die vier energieeffizienten Kerne (Icestorm) deutlich niedriger. Die hohe Taktung von bis zu 3,01 GHz wird aber nur kurze Zeit erreicht, bei schwachen Akkus wird die ” Hochleistungsfähigkeit ” bekanntlich sogar deaktiviert. Dieses sogenannte Asymmetric Multiprocessing sollte für optimale Laufzeiten bei den Mobil-Macs sorgen.

Günstigere Preise (für Apple)

Auch finanziell sollen die neuen ARM-CPUs günstiger sein. Nach Einschätzung des Analysten Kuo könnte Apple etwa 60 Prozent sparen, genaue Zahlen wird man aber wohl nie erfahren. Wir sind gespannt, ob dies auch zu günstigeren Macs führen wird.

Spezial-Chips für KI und Video

Intel-CPUs sind in gewisser Weise Allzweck-CPUs, die so gut wie alle Rechenaufgaben erfüllen. Bei Apples Chips gibt es dagegen zahlreiche Spezial-Chips für bestimmte Aufgaben wie Machine Learning. Es gibt etwa die auf spezielle Berechnungen wie KI optimierte Neural Engine, der solche Aufgaben wie CoreML-Modelle schneller und energiesparender durchführt als die CPU. Bei vielen neueren Mac übernimmt bereits der T2-Chip Aufgaben wie Video-Decoding und Verschlüsselung, dies wird Apple aber wohl weiter ausbauen.

Was ist die Aufgabe dieser Neural Engine und “AMB Blocks”?

Auf der Platine des kompletten A14 belegt die Neural Engine mit 16 Kernen den gleichen Raum wie die CPU-Kerne. Zusätzlich bietet der A14-Chip noch „matrix multiplication accelerators“ oder AMB Blocks, die auf Aufgaben aus dem maschinellen Lernen spezialisiert sind. Schnittstelle für diese hochspezialisierten Recheneinheiten ist Core ML. Core ML bietet einem App-Entwickler den Zugriff auf Frameworks wie Vision (Bildanalyse), Natural Language (Textanalyse) und Speech (Audio-zu-Text) und Sound Analysis. Bisher ist nicht bekannt, wie Apple dies bei den Macs umsetzt, vermutlich werden aber auch die neuen ARM-Macs diese Spezial-Chips erhalten.
Wie während der iPhone-Keynote gezeigt wurde, ermöglicht beispielsweise “Vision” einer iPhone-App wie Pixelmator Pro völlig neue Funktionen. In Sekunden kann das Tool hochwertigste Skalierungsfunktionen durchführen, die bei Berechnung durch die CPU weit länger dauern würden. Als Beispiel wurde gezeigt, wie eine stark vergrößerte Stelle eines Bildes in Sekunden hochskaliert und geglättet wird – eine Aufgabe, für die Desktop-Software wie Photolemur oft längere Zeit braucht. Sprach- und Soundanalyse wird ebenfalls beschleunigt. Auch die CPU kann solche Berechnungen durchführen, wenn auch mit höherem Energieberbrauch und längerer Arbeitszeit. Vorteil der Intel-CPU ist dabei die höhere Vielseitigkeit.

Unified Memory

Neu ist auch die Technologie Unified Memory oder auch UMA. Grafikkarte und CPUs teilen sich einen gemeinsamen Speicher. Der Unterschied zu den integrierten Grafiklösungen von Intel: Bei diesen erhält die Grafikkarte einen Teil des Speichers fest zugewiesen – hier spricht man von Shared Memory, die dem System dann nicht mehr zur Verfügung steht. So können etwa CPU und GPU bei einer Aufgabe auf das gleiche Foto im Speicher zugreifen und es schneller bearbeiten.

Neue Grafikkarten

Intel ist dank seiner integrierten Grafiklösungen eigentlich der größte Grafikkartenhersteller der Welt, auch in vielen Macs stecken integrierte Grafiklösungen des Konzerns. Nicht nur neue CPUs auch neue Grafikkarten von Apple landen in den neuen Macs. Das neue iPhone Pro erhielt etwa einen neuen Grafik-Chip mit vier Grafik-Cores, Macbooks sollten noch leistungsfähigere Grafikkarten erhalten.

Video-Encoder und Decoder

Das Abspielen von HD- oder 4K-Videos ist auf Mobilgeräten durch spezialisierte Chips möglich – nur so kann man auf einem Mobilgeräte über Stunden ein 4K-Video streamen. Auch die Macs erhalten diese Hardware und werden dann ohne hohe CPU-Last Videos abspielen können oder Videos in ein anderes Format umwandeln können. Das setzt allerdings voraus, dass das Video in einem bestimmten Format wie AVC oder HEVC vorliegt. Aktuell übernimmt bei einem Macbook die Grafikkarte diese so genannte Hardwarebeschleunigung.

Mehr Sicherheit

Zu den Neuerungen gehören neue Sicherheitsfunktionen, so führt Apple mit der neuen ARM-Architektur einen geschützten Speicherbereich ein – etwa für den sogenannten Kernel. Diese Kernel Integrity Protection verhindert Änderungen des Kernels. Pointer Authentication und die sogenannte Device Isolation sichern den Mac ebenfalls ab. Aber auch die neue Technologie Rosetta, die alte Mac-Software nutzbar macht, ist speziell abgesichert.

Neuer Boot-Prozess

EFI entfällt, der Boot-Prozess basiert auf iOS und iPadOS: Es startet das Boot ROM, dann der Bootloader und dann macOS. Das System wurde für den Mac aber erweitert und unterstützt weiter mehrere macOS-Installationen, mehrere Versionen von macOS und macOS Recovery-Bootsysteme. Auch der Start von externen Laufwerken wird weiter möglich sein.

Offenbar kann jedes System außerdem in mehreren Sicherheitsstufen gestartet werden: Bei höheren Sicherheitsstufen sind dann etwa keine Kernel Extensions erlaubt, und nur signierte macOS-Versionen.

Kein Boot Camp

Boot Camp wird nicht unterstützt, eventuell ist eine ARM-Version von Windows 10 kompatibel. Auch die Virtualisierung von Windows mit Fusion oder Parallels wird wohl nur mit einer ARM-Version von Windows möglich sein. Das ist aktuell aber noch nicht bekannt. ARM-Versionen von Windows sind außerdem bisher nicht im freien Handel erhältlich.

Keine Tastenbefehle beim Start

Hält man beim Start eines Macs bestimmte Tasten gedrückt, löst dies bestimmte Aktionen aus – etwa den Start des Rettungssystems. Bei den neuen Macs entfällt dies (mangels EFI), man kann aber mit langen Drücken der Starttaste ein Spezialmenü öffnen – hier kann man dann Sonderaktionen wie den Start des Rettungssystems auslösen – mit Maus und Tastatur.

Target Disk Mode

Der Target Disk Mode entfällt. Eine Netzfreigabe soll die nützliche Funktion ersetzten.

macOS Recovery

Für Reparaturen gibt es weiterhin eine Rettungs-Partition für Reparaturen und Neu-Installation. Es gibt aber noch eine zweite neue Version: Dieses „System Recovery“ ist eine Mini-System in einem versteckten Container, mit dem man macOS neu installieren kann – und macOS Recovery.