Apple dokumentiert: Die Besonderheiten der ARM-Macs im Vergleich zu Intel-Macs

Wenn Nutzer den Begriff ARM-Mac hören, denken sie dabei oft, dass eigentlich nur der Prozessor ein anderer ist – doch die Umstellung beim Mac ist viel weitreichender, als es zuerst den Anschein hat. Apple wird bei der Umstellung auf "Apple Silicon" nicht nur den Prozessor auswechseln, sondern es handelt es sich eigentlich um eine komplette Neukonzeption vieler Gerätebestandteile. Hier ein Überblick, was sich alles ändert.


Uneinheitliche Prozessorkerne
Bei Intel-CPUs sind alle Kerne gleich – ob nun auf Kern A oder B gerechnet wird, macht von der Geschwindigkeit und vom Energieverbauch keinen Unterschied. Dies ist bei Apples A-Prozessoren anders: Dort gibt es Kerne, welche auf Geschwindigkeit ausgelegt sind (Name beim A13: "Lightning") und welche, die auf hohe Energieeffizienz getrimmt sind ("Thunder"). Der A13 bringt zwei Lightning-Kerne und vier Thunder-Kerne mit – beim Mac steht es noch nicht fest, welche Core-Konfiguration Apple wählt.

Eins steht jedoch nach der WWDC 2020 fest: Der Mac wird, genau wie ein iPhone und iPad, auch Effizienz-Kerne erhalten, welche Hintergrundaufgaben sehr energieeffizient erledigen können. Dies nennt sich Asymmetric Multiprocessing, da nicht alle Kerne gleich sind. Bisher gab es noch keinen Mac, welcher einen Prozessor mit unterschiedlichen Kernen mitbrachte. Apple passte diverse Methodiken in macOS an, so dass sich das Mac-System auf diese besonderen Gegebenheiten versteht. So brachte Apple Grand Central Dispatch beispielsweise bei, welche Programmaufgaben auf welchen Kernen auszuführen sind.


Unified Memory – wahrscheinlich großer Performancegewinn
Anders als Intel-Macs nutzen "Apple Silicon"-Macs eine Technik namens Unified Memory. Dabei teilt sich die CPU den Speicher mit der GPU – jedoch ist dieser nicht segmentiert, wie dies bei der integrierten Grafiklogik von Intel der Fall ist, sondern der Speicher kann von der CPU und GPU gelesen und beschrieben werden.

Dies hat einen gigantischen Vorteil: Die CPU und GPU können Ressourcen im Speicher (z.B. Texturen) lesen und schreiben, ohne dass diese kopiert oder gespiegelt werden müssen – auch andere Geräte können ohne besondere Mechanismen den Hauptspeicher mitbenutzen.

Der Performance-Vorteil resultiert daher, dass der Inhalt des Fensters nicht erst in den Speicherbereich/VRAM der GPU kopiert werden muss, wenn sich der Inhalt des Fensters ändert – die GPU kann den selben Speicher lesen.

Video Encoder & Decoder
Das iPhone und iPad verfügt über dedizierte Hardware, um Videos zu komprimieren und zu dekomprimieren – damit die CPU nicht diese komplexe Aufgabe übernehmen muss. Die Apple A-Chips verfügen über spezielle Zusatzhardware, um diese Aufgabe schneller und effizienter zu erledigen – ohne, dass der Entwickler hier Anpassungen vornehmen muss, sobald er ein Apple-Framework wie die AVFoundation im Einsatz ist.

Neural Engine, Machine Learning Accelerators
Seit einigen Iterationen der Apple-A-Prozessoren hat Apple spezielle Hardware verbaut, um Machine-Learning-Anwendungen zu beschleunigen. Apple betonte in den WWDC-Erklärvideos, dass die Neural Engine aus dem A13 für deutliche Performancegewinne bezüglich Machine Learning auf dem Mac führen wird. Diese Erfahrung können wir hier bei MacTechNews/Synium bestätigen: CoreML-Modelle werden erheblich schneller auf Apple-A-Chips ausgeführt als auf Intel-Prozessoren mit oder ohne dedizierter Grafikkarte.

Sicherheit
Auch die Sicherheit erhöht sich durch den ARM-Umstieg: Beispielsweise ist der Speicherbereich, in dem der Kernel geladen und ausgeführt wird, vor Schreibzugriffen speziell geschützt. Apple nennt dies Kernel Integrity Protection – und diese steht auf ARM-Macs erstmals auch für macOS bereit. Außerdem veränderte Apple die Art und Weise, wie Speicherseiten als Ausführbar oder Beschreibbar markiert werden: Auf Macs mit "Apple Silicon" kann eine Speicherseite entweder beschreibbar oder ausführbar sein – nie beides.

Der T2-Chip wird in einem ARM-Mac nicht mehr benötigt, da die Apple-A-Chips alle Funktionalitäten direkt mitbringen.


Komplett überarbeitet: Der Boot-Prozess
Apple verzichtet bei den ARM-Macs auf EFI und nimmt den Boot-Prozess von iOS als Vorlage. Secure Boot unterstützt auf dem Mac weiterhin mehrere macOS-Installationen und das Starten von externen Laufwerken.

Eine macOS-Installation kann entweder mit hoher Sicherheit oder mit reduzierter Sicherheit gestartet werden. Bei der hohen Sicherheitseinstellungen sind keine Dritthersteller-Externsions (KEXTs) erlaubt und nur macOS-Versionen, welche von Apple signiert und aktuell sind – ähnlich wie dies auf einem iPhone der Fall ist. Die reduzierte Sicherheitseinstellung erlaubt das Starten von alten macOS-Versionen und sogar noch die Installation von KEXTs.

Bei den "Apple Silicon"-Macs ist man hier sogar noch flexibler: War es bei Intel-Macs nur möglich, den gesamtem T2-Mac mit reduzierten oder hohen Sicherheitseinstellungen zu betreiben, kann man dies bei ARM-Macs pro macOS-Installation festlegen. Praktisch, wenn man eine Installation für Experimente nutzt – aber eine andere, geschützte Installation betreiben will.


Keine anderen Betriebssysteme (siehe auch )
Zwar kann man ältere macOS-Versionen (natürlich müssen diese ARM-basiert sein) weiterhin nutzen – aber die Installation eines Drittherstellersystems wie Linux oder "Windows on ARM" ist nicht vorgesehen. Dies würde auch nicht sonderlich viel Sinn ergeben, da Apple die Hardware der neuen Macs nicht dokumentiert – was die Treiberentwicklung schwer bis gar unmöglich macht. Wie es um Emulation von Windows beschert ist, dürfte Parallels demnächst deutlich machen:

Keine Boot-Tastenkombinationen mehr
Beim Mac führen Tastenkombinationen beim Starten zu bestimmten Optionen – zum Beispiel führt die Option/Alt-Taste zur Auswahl des Start-Volumes. Damit ist bei ARM-Macs Schluss, denn hier gibt es nur noch eine einzige Tastenkombination: Das lange Halten der Start-Taste. Damit wird eine grafische Nutzeroberfläche geladen, über welche sich viele Optionen mit Maus und Tastatur festlegen lassen – völlig ohne lästiges Nachsehen von Tastenkombinationen.


Target Disk Mode ist Geschichte
Der Target Disk Mode war praktisch, wenn man Daten von einem Mac retten wollte oder eine verhunzte Installation korrigieren musste – doch der Modus ist auch ein großes Sicherheitsrisiko. War File Vault nicht aktiv, gewährte der Target Disk Mode Zugriff auf die gesamte Festplatte, völlig ohne Nutzerverwaltung.

Damit ist nun Schluss. Der Target Disk Mode ist Geschichte und weicht einer auf SMB aufbauenden Freigabe, welche Nutzerrechte beachtet und ohne Passwort nicht funktioniert.


macOS-Recovery-Recovery
Noch immer ist es möglich, einen Mac so zuzurichten, dass dieser nicht mehr startet – dafür gibt es die Recovery-Partition, um die Installation zu reparieren. Doch mit Tools wie dem Festplattendienstprogramm ist sogar die Recovery-Partition nicht vor übereifrigen Nutzern geschützt.


Mit den ARM-Macs führt Apple daher System Recovery ein – eine versteckte Partition, welche nicht vom Nutzer gelöscht oder gesehen werden kann. Diese verfügt über ein minimales macOS, welches es ermöglicht, einfache Reparaturfunktionen ausführen oder aus dem Internet eine neue Installation zu beziehen.

Kommentare

pünktchen
pünktchen26.06.20 09:10
Link zum Video:

Explore the new system architecture of Apple Silicon Macs
+7
Legoman
Legoman26.06.20 09:16
Eine vernünftige Multicore-Verwaltung wäre ja tatsächlich mal was erfrischendes.
Bin regelmäßig von CAD genervt, wenn ein Prozessorkern quasi glüht, während die anderen schlafen.
-1
AJVienna26.06.20 09:18
Legoman
Eine vernünftige Multicore-Verwaltung wäre ja tatsächlich mal was erfrischendes.
Bin regelmäßig von CAD genervt, wenn ein Prozessorkern quasi glüht, während die anderen schlafen.
Das ändert sich dann leider nicht, da offensichtlich das Programm nicht gut skaliert. Das in den Folien ist andersrum gemeint, Du (als Entwickler) sollst die APIs richtig nutzen, damit das OS die Arbeit auch gut auf die Architektur verteilen kann.
+7
Häkelmeister26.06.20 09:19
Klingt alles sehr spannend und gut 😊
+3
Mendel Kucharzeck
Mendel Kucharzeck26.06.20 09:47
Legoman
Eine vernünftige Multicore-Verwaltung wäre ja tatsächlich mal was erfrischendes.
Bin regelmäßig von CAD genervt, wenn ein Prozessorkern quasi glüht, während die anderen schlafen.

Das hat echt nix mit macOS zu tun. Wenn dein Programm nur einen Kern nutzt, kann macOS daran auch nix ändern. Was soll eine "vernünftige" Multicore-Verwaltung da ändern?
+2
Retrax26.06.20 09:48
Frage:
Ist mit "Start-Taste" der Einschaltknopf des Macs gemeint?

Oder spekuliert ihr über die Wiederkehr der Einschalttaste auf der Tastatur (z.B. beim iMac?)
+2
Mendel Kucharzeck
Mendel Kucharzeck26.06.20 09:49
Retrax
Korrekt – entweder Touch-ID-Knopf oder Einschalttaste.
+2
MikeMuc26.06.20 09:59
mtn
Zwar kann man ältere macOS-Versionen (natürlich müssen diese ARM-basiert sein) weiterhin nutzen
d.h. Apple kompiliert extra für uns alle alten Systeme für ARM? das ist je echt nett. Andernfalls trifft das doch nur auf zukünftige Systeme zu. Das nützt aber niemandem der die derzeit alten Systeme braucht.
Ich werde das Gefühl nicht los, Apple begibt sich in seiner Selbstherrlichkeit wieder auf die Insel auf der es früher mal war. Wenn sie Pech haben, werden aber viele dann sagen, so nicht wenn es keinen brauchbaren Emulator geben wird und sich von Apple verabschieden. Ich denke, das werden es eine Menge Anwender und Programmierer machen
-3
piik
piik26.06.20 10:14
MikeMuc
mtn
Zwar kann man ältere macOS-Versionen (natürlich müssen diese ARM-basiert sein) weiterhin nutzen
d.h. Apple kompiliert extra für uns alle alten Systeme für ARM? das ist je echt nett.
Das ist wohl etwas missverständlich ausgedrückt vom Autor. Genau das wird man kaum daraus schließen können.
0
Thyl26.06.20 10:14
ob das noch normales RAM ist, auf das CPU und GPU zugreifen? oder erleben wir die Rückkehr von Dual Port RAM?
0
nane
nane26.06.20 10:31
MTN
...Start-Taste.
Eine Start-Taste auf der Apple Tastatur (wie Früher), vielleicht heute auch noch mit Touch-ID. Ein Traum!

MTN
YMMD
Das Leben ist ein langer Traum an dessen Ende kein Wecker klingelt.
+1
AJVienna26.06.20 10:32
Thyl
ob das noch normales RAM ist, auf das CPU und GPU zugreifen? oder erleben wir die Rückkehr von Dual Port RAM?
Dual Port RAM machte Sinn als es einen Prozessor und einen Coprozessor (Grafikeinheit) gab. Heute hast aber schon im A12Z 8 CPU und 8 GPU Cores, dazu noch diverse Spezialcores für AI und Video Support. Dazu ist die Bandbreite heute zu den Speicherchips viel höher, insbesondere bei SoCs wo der Speicher Stacked sein kann. Das heißt CPU GPU Speicher können auf mehrere Ebenen verteilt werden. Und große Caches verstecken zusätzlich Engpässe. Es gibt sogar Ansätze Speicher mit integrierter Rechenlogik zu haben.

Daher wird die kommende Architektur sehr spannend. Insbesondere bin ich gespannt, ob der Speicher mit aufs SOC kommt und ob eine Speichererweiterung dann gleichzeitig eine Leistungserweiterung darstellt, weil man einfach mehrere SOCs kombiniert.
+2
atomboy26.06.20 10:34
Bilde mir ein, dass die ARM-Prozessoren deutlich kleiner als die von Intel sind und wenn man selber entwickelt, diese auch deutlich günstiger werden, weil eine Firma in der Wertschöpfungskette wegfällt.
Und wenn man schon selber den Daumen auf die Entwicklung und Implementierung der Hardware und die Entwicklung der Betriebsystemsoftware hat, bin ich gespannt, wann Apple damit anfängt mehr Prozessoren und Kerne zu verbauen, die in der Grundkonfiguration noch nicht aktiviert sind und gegen einen Aufpreis bei Bedarf (Abo) oder dauerhaft (Kaufen) freigeschaltet werden können.
0
becreart
becreart26.06.20 10:35
AJVienna
Mendel Kucharzeck

das Problem wird sich bei CAD leider nicht lösen lassen, da das Modellieren ein serieller Prozess ist. Gut vom Rhino Entwickler erklärt:
Rhino is not a “multi-threaded” application. It does split off a few minor processes to other cores but nothing major. That’s because modeling is a serial process. Modeling has to be done ‘in order’. Consider the example of a box with filleted edges in a shaded display. The render mesh needed for the shaded display can’t be generated until after the edges of the box are filleted, and the fillets themselves can’t be made until after the box itself is created. First the box is made, then the edges are filleted, then the render mesh mesh created. You can’t put the box creation in one thread, the filleting in a second, and the mesh generation in a third and run all three processes at the same time.

Some tasks in computer work can be multi-threaded. Rendering is a good example. Since an array of pixels are being generated into an image, the image can be broken into 4 quadrants, and each processor can work on one quadrant independently.
+6
wolfgag
wolfgag26.06.20 10:36
Artikel
Unified Memory – wahrscheinlich großer Performancegewinn

Meine bisherige Erfahrung mit Unified Memory Systemen sagt mir leider das Gegenteil. V-RAM scheint halt doch noch mal um einiges schneller zu sein als normaler Arbeitsspeicher. Vermutlich gibt es 2 - 3 Prozesse die mit Unified Memory schneller funktionieren aber alles andere was die GPU betrifft wird dafür langsamer.
+2
pünktchen
pünktchen26.06.20 10:37
atomboy
Bilde mir ein, dass die ARM-Prozessoren deutlich kleiner als die von Intel sind

Es gibt sehr winzige ARM-Prozessoren aber A12 und A13 sind richtig gross und kein Stück kleiner.
+2
AJVienna26.06.20 10:50
Die 'Die' Größen im Vergleich:
A12Z: 10.1mm x 12.6mm = 127mm2
Intel i9-10900K (10 core): 9.2mm x 22.4mm = 206mm2

Beim Chip Gehäuse können sich dann noch größere Abweichungen ergeben, wenn z.B. mehr Leitungen nach außen gebraucht werden (z.B. für PCI Karten und andere Peripherie). Beim A14 wird voraussichtlich von 7nm auf 5nm Prozess umgestellt, dadurch könnte das Die schrumpfen. Das wäre für die Ausbeute gut oder sie packen deutlich mehr Logik drauf und es wächst sogar.
+1
Gammarus_Pulex
Gammarus_Pulex26.06.20 10:54
Die Apple A-Chips verfügen über spezielle Zusatzhardware, um diese Aufgabe schneller und effizienter zu erledigen – ohne, dass der Entwickler hier Anpassungen vornehmen muss, sobald er ein Apple-Framework wie die AVFoundation im Einsatz ist.

Ist das der Grund, warum offenbar Final Cut so viel besser auf einem Mac performed als andere Schnittsoftware? So wird es ja zumindest immer erwähnt.
0
MikeMuc26.06.20 11:15
piik
Das ist wohl etwas missverständlich ausgedrückt vom Autor. Genau das wird man kaum daraus schließen können.
Hast du etwa meine virtuellen und :'( nicht erkannt? Natürlich wird Apple das nicht machen und mit dem Wechsel wenn sie Pech haben eine Menge bis jetzt treue User verprellen.
Alle die noch bis in alle Ewigkeiten alte Systeme brauchen müßen sich jetzt / demnächst nach Alternativen zu ihrer (geliebten) Applehardware umsehen wenn sich nicht doch noch einen Weg mit einer vernünftigen Emulation auftut.
+2
Steffen Stellen26.06.20 11:36
Verstehe nicht ganz wie Drittanbieter-Hardware funktionieren soll wenn Apple das nicht dokumentiert. Ich denke das wird es schon noch was geben.
0
adiga26.06.20 11:41
wolfgag
Artikel
Unified Memory – wahrscheinlich großer Performancegewinn

Meine bisherige Erfahrung mit Unified Memory Systemen sagt mir leider das Gegenteil. V-RAM scheint halt doch noch mal um einiges schneller zu sein als normaler Arbeitsspeicher. Vermutlich gibt es 2 - 3 Prozesse die mit Unified Memory schneller funktionieren aber alles andere was die GPU betrifft wird dafür langsamer.
Sehe ich auch so. Ausser natürlich Apple spendiert schnellen Speicher (welcher normalerweise für GPU's verwendet wird), aber dann wird die Kiste doch recht teuer. Aber momentan ist es eh nur Spekulation, erst wenn die ersten echten Kaufkisten draussen sind, sieht man wie es Apple gelöst hat.

Interessant ist die Geschichte mit den verschiedenen unabhängigen macOS. Verstehe ich das richtig, ich könnte dann ein System mit macOS 11 haben und gleich auch noch ein macOS 11.1Beta ohne dass ich irgendwelche Probleme habe, resp. die Beta Installation mir die Kiste zerschiesst?
0
Retrax26.06.20 11:44
Mendel Kucharzeck
Korrekt – entweder Touch-ID-Knopf oder Einschalttaste.
Die Rückkehr der "Apfel-Taste" anstelle des cmd-Symbols würde viele User sicher auch erfreuen.
+3
chessboard
chessboard26.06.20 11:47
MikeMuc
Ich werde das Gefühl nicht los, Apple begibt sich in seiner Selbstherrlichkeit wieder auf die Insel auf der es früher mal war.
Ich finde viele der Ideen ja auch sehr spannend, und z.B. CPU und GPU auf den selben Speicher zugreifen zu lassen könnte für 3D-Software sehr hilfreich sein.
Aber auf der anderen Seite habe ich auch das Gefühl, Apple setzt hier alles auf eine Karte. Kann gut gehen und zu tollem Erfolg führen. Kann aber auch evt. zu viele Leute verschrecken und Apple dahin bringen, wo sie in den 90er waren - auf einer Insel. Time will tell.
Da ich persönlich schon lange zweigleisig fahre, erlaube ich mir, den spannenden Teil weiterzuverfolgen, zumal Apples Entscheidungen schon oft in den übrigen PC-Markt ausgestrahlt haben.
+3
pünktchen
pünktchen26.06.20 12:05
AJVienna
Die 'Die' Größen im Vergleich:
A12Z: 10.1mm x 12.6mm = 127mm2
Intel i9-10900K (10 core): 9.2mm x 22.4mm = 206mm2

Na ein passenderer Vergleich wäre vielleicht zB Core i7-7700 = 126.15 mm²
+1
pünktchen
pünktchen26.06.20 12:07
adiga
Interessant ist die Geschichte mit den verschiedenen unabhängigen macOS. Verstehe ich das richtig, ich könnte dann ein System mit macOS 11 haben und gleich auch noch ein macOS 11.1Beta ohne dass ich irgendwelche Probleme habe, resp. die Beta Installation mir die Kiste zerschiesst?

Ja, das konntest du aber schon immer.
+1
AJVienna26.06.20 12:25
pünktchen
AJVienna
Die 'Die' Größen im Vergleich:
A12Z: 10.1mm x 12.6mm = 127mm2
Intel i9-10900K (10 core): 9.2mm x 22.4mm = 206mm2

Na ein passenderer Vergleich wäre vielleicht zB Core i7-7700 = 126.15 mm²
Der i7 ist aber nur ein Quadcore mit Hyperthreading. So ganz passend ist der auch nicht. Aber wenn man sich die Leistungsdaten anschaut:
i9: SC 1465/MC 10123
i7: SC 1145/MC 4166
A12Z: SC 1123/MC 4691
Ist Dein Vergleich zumindest auf den ersten Blick deutlich passender als meiner. Bei der CPU Leistung pro Fläche sind beide Annähernd gleich. Allerdings lässt das GPU und andere Teile ziemlich außer acht.
+2
yoxx26.06.20 13:07
Mendel Kucharzeck
Secure Boot unterstützt auf dem Mac weiterhin mehrere macOS-Installationen und das Starten von externen Laufwerken.
Das war doch mal ein interessanter und strukturierter Artikel - und auch einige Lichtblicke dabei...
chessboard
Da ich persönlich schon lange zweigleisig fahre, erlaube ich mir, den spannenden Teil weiterzuverfolgen, zumal Apples Entscheidungen schon oft in den übrigen PC-Markt ausgestrahlt haben.
dito
0
Bitsurfer26.06.20 15:29
pünktchen
adiga
Interessant ist die Geschichte mit den verschiedenen unabhängigen macOS. Verstehe ich das richtig, ich könnte dann ein System mit macOS 11 haben und gleich auch noch ein macOS 11.1Beta ohne dass ich irgendwelche Probleme habe, resp. die Beta Installation mir die Kiste zerschiesst?

Ja, das konntest du aber schon immer.
Das stimmt so nicht.
10.15 hat ja für das System eine eigene Partition.

Ich hatte, wie auch immer auf meinem Macmini fertiggebracht, bei der Migration auf 10.15 dass die Partition mit dem System ein zweites mal da war und dann hatte ich MacOS mit unterschiedlichen Systemversionen. Zwei Bootpartitionen wohlgemerkt. Die Library selbst war aber nur einmal vorhanden. Ich konnte dann mit zwei unterschiedlichen Systemen auf dieselbe Library zugreifen mit Apps usw..
Irgendwie Strange.
+1
pünktchen
pünktchen26.06.20 15:36
Also ich hab hier 10.14 und 10.15 auf einer SSD und das ist gar kein Problem.
0
stromsparmodus26.06.20 19:08
Damit das Ganze thematisch nicht völlig verARMt:
Bei Intel-CPUs sind alle Kerne gleich

... stimmt seit ein paar Tagen nicht mehr. Intel hat den Lakefield vorgestellt.
Für den ersten Versuch gar nicht mal uninteressant.
Das iPhone und iPad verfügt über dedizierte Hardware, um Videos zu komprimieren und zu dekomprimieren – damit die CPU nicht diese komplexe Aufgabe übernehmen muss.

Ich dachte, dass ich so etwas mit Intel Quicksync schon seit Jahren in meinem Rechner habe. Ernsthafte Frage: wo ist da das Besondere?
+2
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