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M3-Interna: Wie Apple die Chips so schnell machte

Die Leistungssprünge, mit denen Apple im Generationsverlauf der hauseigenen M-Chips aufwartet, sind ziemlich beeindruckend. Mit M3 und M3 Max – weniger allerdings mit M3 Pro – ist im Hinblick auf die Rechengeschwindigkeit ein großer Satz nach vorn gelungen, wie Benchmarks zeigen (siehe ). Besonders deutlich wird das bei einem Vergleich der CPU-Leistung des M1 Max mit dem Pendant der aktuellen Generation von Apple Silicon: Die Multicore-Performance hat sich in nur drei Jahren annähernd verdoppelt, im Single-Core-Benchmark ist eine Steigerung um rund 30 Prozent festzustellen. Der Energiebedarf ist dabei nicht exorbitant angewachsen, was unter anderem auf die 3-Nanometer-Fertigung zurückzuführen ist, welche bei den M3-Chips zum Einsatz kommt.


M3 mit vergrößerten CPU-Kern-Clustern
Die Leistungszuwächse sind allerdings nicht allein darauf zurückzuführen, dass sich wegen des Produktionsprozesses deutlich mehr Transistoren auf gleichbleibender Fläche unterbringen lassen. Apple hat darüber hinaus einige zusätzliche Veränderungen vorgenommen, welche die Rechengeschwindigkeit erhöhen, wie Howard Oakley jetzt ermittelte. Eine davon betrifft die Organisation der CPU-Kerne: Waren diese bei den M1- und M2-Chips in Zweier- oder Vierer-Clustern gruppiert, die jeweils mit identischer Taktfrequenz arbeiten und auf einen gemeinsamen Level-2-Cache zugreifen, sind es bei den aktuellen SoCs nunmehr vier (M3) beziehungsweise sechs (M3 Pro/Max). Das wirkt sich auf die Auswahl der Kerne durch macOS aus, und zwar mithilfe einer Technik namens „Quality of Service“. Das Mac-Betriebssystem verteilt damit die Abarbeitung von Aufgaben in Abhängigkeit von deren Dringlichkeit. Durch die von Apple vorgenommene Veränderung der Cluster-Strukturen erhöht sich die Geschwindigkeit, zudem sinkt der Energieverbrauch, wenn auch laut Oakley nur geringfügig.

Höhere Taktfrequenzen sorgen für mehr Geschwindigkeit
Apple hat darüber hinaus in den M3-Chips die Taktfrequenz erhöht, mit welcher die Performance-Kerne arbeiten können. Im Falle des M3 Pro steigen diese auf maximal 4.056 Megahertz, beim M1 Pro waren es höchstens 3.228 Megahertz. Das erklärt einen Teil der im Geekbench ermittelten verbesserten Single-Core-Leistung. Um den gleichen Faktor, nämlich etwa 1,3, stieg folglich die Arbeitsgeschwindigkeit von Integer- und Fließkommaberechnungen. Zudem hat Apple offenbar die Mulimediaberechnungen mithilfe der NEON-Einheit verbessert. Die Effizienzkerne des M3 Pro laufen ebenfalls mit höheren Frequenzen als ihre Pendants im M1 Pro, der Zuwachs beläuft sich – ebenso wie bei den P-Cores – auf rund ein Drittel. Allerdings hat Apple hier die Geschwindigkeit bei den von macOS am geringsten priorisierten Aufgaben leicht abgesenkt, Hintergrund-Tasks nehmen also im Vergleich zu den M1-Chips etwas mehr Zeit in Anspruch. Vorrangige Aufgaben hingegen profitieren von den erhöhten Frequenzen.

Zuweisung von Threads an die P- und E-Kerne optimiert
Mit den Modifikationen im Inneren der M3-CPUs geht Oakley zufolge ein geändertes Verhalten von macOS im Zusammenhang mit QoS einher. Apple hat im Betriebssystem die Zuweisung von Threads an P- und E-Cores optimiert. Das macht sich insbesondere beim M3 Pro positiv bemerkbar, dieser verfügt über weniger Performance-Kerne (5 beziehungsweise 6) als der M1 Pro (6 beziehungsweise 8), dafür aber 6 Effizienz-Kerne (M1 Pro: 2). Der Chip der dritten Generation ist dadurch in der Lage, besser mit Lastspitzen durch priorisierte Aufgaben umzugehen.

Kommentare

Blofeld
Blofeld22.11.23 18:42
in diesem Video wird auch sehr anschaulich erklärt, was Apple da gemacht hat, lohnt sich:
+14
Bonsy22.11.23 19:44
Blofeld
in diesem Video wird auch sehr anschaulich erklärt, was Apple da gemacht hat, lohnt sich:

Danke, sehr spannend!!
+1
AnTwuan23.11.23 00:32
Ich überfliege manchmal einige Beiträge. Verzeiht mir bitte. Aber warum vergleicht man ständig den m3 mit irgend einem M1 Max ?
Hier ist es doch von selbsterklärend, dass der Unterschied größer ausfallen wird, als zu einem m2?
Das verstehe ich nicht so recht.
+1
sudoRinger
sudoRinger23.11.23 01:35
AnTwuan
Aber warum vergleicht man ständig den m3 mit irgend einem M1 Max ?
Hier ist es doch von selbsterklärend, dass der Unterschied größer ausfallen wird, als zu einem m2?
Es geht nicht um die Feststellung, dass der M3 schneller geworden ist, sondern darum, wie sich das Management der Effizienz- und Performance-Kerne verändert hat.

Warum M1 Max zum Vergleich? Howard Oakley hatte zuvor einen M1 Max
+5
flohvoi23.11.23 08:35
sudoRinger
Aber warum vergleicht man ständig den m3 mit irgend einem M1 Max ?

Der M2 war ein update des M1. Optimierungen des gleichen Chips.
Der M3 ist eine neue Generation.
+4
Robby55523.11.23 09:22
flohvoi
sudoRinger
Aber warum vergleicht man ständig den m3 mit irgend einem M1 Max ?

Der M2 war ein update des M1. Optimierungen des gleichen Chips.
Der M3 ist eine neue Generation.

Leistungsvergleiche machen nur richtig Sinn wenn man den M3 mit seinem Vorgänger, dem M2 vergleicht. Und da ist der Vorsprung nicht mehr so groß wie zum M1. Viel interessanter finde ich aber den Vergleich zwischen M3 und A17 Pro aus dem neuen iPhone 15 Pro. Im Single Core schenken sich die zwei Chips nichts, im MultiCore merkt man nur, dass es zwei Kerne weniger sind. Schon erstaunlich welche Leistung mittlerweile ein Handy hat, bzw. dessen Leistung würde mittlerweile locker auch für einen MacOS Desktopmodus ausreichen. Apple müsste es nur wollen.
+1
Gedankenschweif23.11.23 09:27
AnTwuan
warum vergleicht man ständig den m3 mit irgend einem M1 Max ?
Weil das Einsteigermodell der M3-Serie das Leistungsniveau des Top-of-the-Line-Modells der M1-Serie erreicht hat.

Wenn man sich jetzt ein MacBook Pro mit M3 kauft, erreicht man die gleiche Leistung, für die vor 2 Jahren ein MacBook Pro mit M1 Max notwendig war.
Mit heutigen Preisen gerechnet: man spart 2000 € für die gleiche Leistung.
+9
Michael Lang aus Rieder23.11.23 10:37
Robby555
flohvoi
sudoRinger
Aber warum vergleicht man ständig den m3 mit irgend einem M1 Max ?

Der M2 war ein update des M1. Optimierungen des gleichen Chips.
Der M3 ist eine neue Generation.

Leistungsvergleiche machen nur richtig Sinn wenn man den M3 mit seinem Vorgänger, dem M2 vergleicht. Und da ist der Vorsprung nicht mehr so groß wie zum M1. ....

Klar, aber es sollte herausgestellt werden, wie gut Apple die Prozessoren über die letzten 3 Jahre (Start mit M1) entwickeln konnte. Daher ist der Vergleich M1 - M3 schon erwähnenswert. Der Fortschritt zeigt sich relativ gleichmäßig über M1 nach M2 nach M3.
Im Artikel wird doch erklärt welche Maßnahmen man im Unterbau vorgenommen hat um weitere Performancevorteile (gegenüber M1 und M2) zu erzielen.

Es gibt viele Erstkäufer der M1-Reihe, welche noch heute damit arbeiten und für die ist natürlich der Sprung zu M3 interessant. Der ist schon beachtlich.
Weitere Steigerungen über folgende Generationen in dem Tempo beizubehalten wird nicht leicht, da man nicht einfach immer nur mehr Kerne auf ähnlicher Fläche verbauen kann. Auch die Taktraten wird man nicht so ohne weiteres deutlich erhöhen können. Man kann nach dem 3Nm-Prozess keine großen Sprünge mehr im Fertigungsprozess erwarten.
Nun gilt es aus meiner Sicht die Architektur zu verbessern und Fokus auf GPU und Neural-Engine sowie Software (OS-Unterbau) zu legen.
+7
Cyman24.11.23 12:04
Wie kommt es, dass die M3-Chips bei den ganzen Tech-Vloggern eigentlich eher mäßig Begeisterung hinsichtlich der Geschwindigkeit erzeugt haben?

Ich war schon sehr heiß drauf als Apple die M3-Geräte vorgestellt hat. Inzwischen hat sich das jedoch wieder etwas gelegt und ich werde wohl weiter warten. ich habe vorgestern mal wieder mein Late 2013 MBP in Betrieb genommen und muss sagen, ich war happy, dass das Ding noch immer läuft.

In der Zwischenzeit sind ja auch noch mein iPad air 2020, welches zu meinem Hauptgerät geworden ist, sowie mein Mac mini M1 da, mit welchem ich dank GPTK zumindest ein wenig in den Genuss von Spielen kommen kann. Für den Rest hab ich mein Steam Deck (welches ja auch gerade erst ein tolles Upgrade erfahren hat, aber da ich zu lange gezögert habe, ist die Variante, welche mich interessiert, inzwischen schon wieder ausverkauft). Naja, dann spare ich erstmal wieder bisschen Geld an.
0
silversurfer2224.11.23 12:57
@Cyman
man sollte es wenn, dann genauer betrachten
der M3 ist nett, für den Einstieg & 90% der Normaluser völlig ausreichend
der M3 Pro ist gut geworden, ähnlich schnell wie der M2 Max !
der M3 Max ist mMn ein Oberknaller geworden, fast dem M2 Ultra ebenbürtig


Für MICH, als Normaluser ist der Kostenvorteil, 5-700€, bei ähnlicher Leistung, von einem M2 max zum M3 Pro aktuell so groß, das sich der Mehrpreis nicht rechnet, da die Leistung beider Geräte, auch für die Zukunft mehr als gut ausreichend ist.
Und genau so rechnen andere halt auch, die nicht nbegrenzt Geld versenken wollen.

Da es nicht jedes Jahr immer 50 oder mehr % an Geschwindigkeit geben wird, sollte jedem klar sein ... wenn es 10-15% sind, wird das schon realistisch sein.
0
Bluebox3406.01.24 10:51
Im Vergleich zum M3 Pro hat der M2 Pro mit rund 51,2 GB/s eine 33 % höhere theoretische Speicherbandbreite.
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