معماری یکپارچه حافظه در ترا‌شه‌ M1 اپل چگونه عملکرد مک ‌بوک‌ های جدید را ارتقا می‌دهد

حدود یک ماه از معرفی اولین تراشه‌ی اپل سیلیکون موسوم به ام وان (Apple M1) می‌گذرد. اپل با مهاجرت از تراشه‌های مبتنی ‌بر معماری اینتل به آرم تحولاتی در صنعت کامپیوترهای شخصی به‌ وجود می‌آورد. این شرکت ادعا می‌کند پردازند‌ه‌ی مرکزی تراشه‌ی M1 می‌تواند به قدرت پردازشی CPU-های معمولی لپ‌تاپ با یک‌چهارم مصرف انرژی آن‌ها دست پیدا کند. تراشه‌های M1 با معماری یکپارچه حافظه می‌تواند عملکرد حافظه سیستم را سرعت می‌بخشد. در ادامه درباره‌ی نقش ساختار تراشه‌ی M1 در عملکرد سیستم و محدودیت آن توضیح می‌دهیم.

معماری نخستین تراشه‌‌ی سری ‌اپل سیلیکون

قبلا کوپرتینویی‌ها از طراحی تراشهی اختصاصی بر پایه‌ی معماری آرم برای مک‌بوک‌ خبر داده بودند و ۲ نوامبر امسال (۲۰ آبان ۱۳۹۹)، انتظارات به پایان رسید و اپل در رویداد One More Thing، مک ‌بوک ایر، مک بوک مینی و مک بوک پرو ۱۳ را با تراشه‌ی M1 معرفی کرد. تراشه‌ی M1 اولین تراشه‌ی اختصاصی اپل مبتنی بر معماری آرم محسوب می‌شود و مانند پردازنده‌های آیفون‌ و آیپد، از طراحی اختصاصی اپل برای قدرت بخشیدن به مک‌بوک استفاده می‌کند.

تراشه‌ی M1 اپل، یک سیستم روی چیپ (SoC) است؛ این بدان معنا است که علاوه ‌بر CPU هشت هسته‌ای، سایر اجزای اصلی از جمله GPU، کنترلر I/O و موتور عصبی را به‌صورت واحد کلی در خود جای داده و رم نیز درکنار این مجموعه قرار گرفته است.

افزودن رم به سیستم روی چیپ کار جدیدی نیست و در تراشه‌‌های گوشی هوشمند مشاهده می‌شود. اپل از سال ۲۰۱۸ ماژول‌های رم را روی تراشه قرار می‌دهد و در کالبدشکافی آیپدپرو ۱۱ توسط iFixit می‌توان مشاهده کرد که رم در قسمت کناری تراشه‌ی A12X قرار دارد. حال اپل طراحی‌ آیفون و آیپد را به تراشه‌های کامپیوترهای مک آورده است. پیش از اینکه سراغ عملکرد تراشه‌ی M1 در سری‌ جدید مک‌ بوک برویم، مختصری درباره‌ی ماهیت رم در سیستم توضیح می‌‌دهیم.

نگاه کلی به وظیفه‌ی رم در سیستم

رم (RAM) مخفف عبارت Random Access Memory (حافظه دسترسی تصادفی) است. رم حافظه اصلی سیستم محسوب می‌شود و برای داده‌های در حال پردازش کامپیوتر، فضای ذخیره‌سازی موقتی ایجاد می‌کند. به عبارت بهتر، رم برای دسترسی سریع‌تر به داده‌های در حال پردازش، آن‌ها را ذخیره می‌کند؛ داده‌هایی مانند فایل‌های الزامی برای راه‌اندازی سیستم‌عامل یا اسپردشیتی که کاربر در حال ویرایش آن است.

زمانی‌که کاربر فایل متنی را باز ‌می‌کند، واحد پردازش مرکزی (CPU) دستورالعمل‌های آن و برنامه‌ی مورد استفاده را دریافت می‌کند. پردازنده‌ی مرکزی پس از دریافت تمامی داده‌های مورد نیاز برای برنامه‌ی بازشده، اطلاعات لازم را در حافظه‌ی رم بارگذاری می‌کند. سپس CPU با دسترسی و پردازش اطلاعات موجود در رم، تغییرات اعمال‌شده در فایل را مدیریت می‌کند.

همانند تصویر زیر، معمولا رم به‌ شکل نواری باریک و بلند روی شیار مخصوص مادربرد لپ‌تاپ یا کامپیوتر قرار دارد. همچنین رم می‌تواند به شکل مربع یا مستطیل روی مادربرد لحیم شود. به‌طور سنتی و در هر دو صورت یادشده، رم در محلی مجزا روی مادربرد کامپیوتر سوار می‌شود.

محل قرارگیری رم در تراشه‌‌ی M1 اپل

ماژول فیزیکی رم همچنان بخشی مجزا است؛ اما در تراشه‌‌ی M1 اپل در بلوک سبزرنگ و نزدیک به پردازنده قرار می‌گیرند. بدین ترتیب، سرعت دسترسی به حافظه‌ی رم افزایش می‌یابد و بدون شک، عملکرد سیستم را بهبود می‌بخشد.

اپل تغییر محل رم به روی پردازنده را معماری یکپارچه حافظه (UMA) می‌نامد و ایده اصلی این است که تمامی اجزای پردازنده‌ تراشه‌ی M1 به یک حافظه‌ی رم دسترسی داشته باشند. بدین معنا که اگر پردازنده‌ی گرافیکی به حافظه‌ی سیستمی بیشتری نیاز داشته باشد، می‌تواند مقدار استفاده از حافظه را بیشتر کند؛ درحالی‌که سایر اجزا‌ی تراشه، مقدار استفاده را کاهش می‌دهند. با قرار دادن رم روی پردازنده، دیگر نیازی به مجزا کردن حافظه‌ی رم برای هر بخش سیستم روی چیپ نیست و داده بین دو فضا برای بخش‌های مختلف پردازنده مبادله نمی‌شود؛ در طراحی جدید، GPU ،CPU و بخش‌های دیگر پردازنده می‌توانند اطلاعات لازم را از یک حافظه دریافت کنند.

برای درک اهمیت معماری آرم، نحوه‌ی اجرای بازی ویدئویی را در نظر بگیرید. ابتدا، CPU تمامی دستور‌العمل‌های بازی را دریافت و سپس داده‌های مورد نیاز پردازنده‌‌ی گرافیکی را در کارت گرافیک بارگذاری می‌کند. کارت گرافیک تمامی آن اطلاعات را دریافت و ازطریق پردازنده‌ی گرافیکی خود (GPU) و رم داخلی آن را پردازش می‌کند.

حتی در صورت وجود پردازنده‌ی گرافیک مجتمع (integrated graphics)، معمولا GPU مانند پردازنده‌ مرکزی حافظه‌ی اختصاصی دارد. پردازنده‌‌ی مرکزی و گرافیکی به‌طور مستقل روی یک داده کار می‌کنند و نتیجه را بین رم‌های اختصاصی‌شان مبادله می‌کنند. با کاهش فاصله رم و پردازنده‌ها، رفت‌وبرگشت این‌چنینی اطلاعات متوقف شود و شاهد بهبود عملکرد سیستم خواهیم بود.  

اپل در وب‌سایت تراشه‌ی M1 درباره‌ی معماری یکپارچه‌ حافظه توضیح می‌دهد:

تراشه‌ی M1 از معماری یکپارچه حافظه (UMA) برخوردار است. این معماری، حافظه‌ی کم‌تأخیر و پهنای ‌باند را در مجموعه‌ای واحد قرار می‌دهد. درنتیجه تمامی فناوری‌های سیستم روی چیپ می‌توانند بدون کپی ‌کردن اطلاعات میان بخش‌های مختلف، به آن‌ها دسترسی پیدا ‌کنند. این طراحی منجر به ارتقای عملکرد و بازده انرژی می‌شود. در تراشه‌ی M1 اپلیکیشن‌های ویدئویی جذاب‌تر، بازی‌ها قوی‌تر و پردازش تصویر سریع‌تر انجام می‌شوند و به‌طور کلی، عملکرد کل سیستم بهبود می‌یابد.

هدف اپل از ساخت تراشه‌ی مبتنی ‌بر معماری آرم، فقط دسترسی تمامی اجزای پردازنده به یک حافظه‌ی رم نیست. گفته می‌شود اپل در این تراشه از حافظه‌‌ی رم با پهنای باند بالا استفاده می‌کند. رم به واحد پردازش مرکزی و سایر اجزا نزدیک است و در مقایسه با چیپ رم سنتی روی مادربرد، دسترسی به اطلاعات سریع‌تر می‌‌شود.

اپل اولین شرکتی نیست که از حافظه یکپارچه استفاده می‌کند

اپل اولین شرکتی نیست که برای ارتقای سرعت و عملکرد سیستم، در تراشه‌های اختصاصی‌اش رم را روی پردازنده قرار می‌دهد. حدود ۶ سال پیش، انویدیا راهکار نرم‌افزاری و سخت‌افزاری Unified Memory را دراختیار توسعه‌دهندگان قرار داده بود.

راهکار Unified Memory انویدیا، حافظه‌ی مشترک قابل دسترس از هر پردازنده‌ی سیستم را فراهم می‌کند. همچنین انویدیا CPU  و GPU را در یک محل برای دسترسی به یک داده کنار هم قرار می‌دهد و سیستم، اطلاعات مورد نیاز حافظه‌ی مستقل CPU و GPU را صفحه‌بندی می‌کند.

البته در تراشه‌های اپل سیستم اطلاعات را صفحه‌بندی نمی‌کند. درعوض، هر کدام از اجزای سیستم روی چیپ می‌تواند برای داده‌ی حافظه‌ی رم به یک منبع مشترک دسترسی پیدا کند. به عبارت بهتر، به‌ جای تفکیک و تکثیر داده‌ها در مجموعه‌های مختلف، امکان دسترسی به داده‌های یکسان از یک منبع بزرگ فراهم می‌شود.

هدف از طراحی حافظه یکپارچه در تراشه‌ی اپل، ارتقای عملکرد برای دسترسی سریع به رم و حافظه مشترک است که مشکلات عملکرد تبادل و انتقال اطلاعات میان آدرس‌های مختلف را برطرف می‌کند.

آیا حافظه‌ی رم مک بوک‌های جدید کافی است

راهکار اپل شاید بتواند عملکرد سیستم را ارتقا دهد؛ اما محدودیتی نیز دارد. درواقع ازآنجا که در تراشه‌ی M1، حافظه‌ی رم روی دستگاه ادغام ‌شده است، نمی‌توان پس از خرید دستگاه‌ مجهز به این پردازنده، رم آن‌ را حذف و رم بالاتری جایگزین کرد. به‌ عبارت بهتر، اگر مک بوک ایر ۸ گیگابایتی خریداری کنید، دیگر نمی‌توانید رم آن را ارتقا بدهید و از حافظه‌ی بیشتر بهره‌ ببرید؛ حداقل فعلا نمی‌توانید این کار را انجام بدهید.

بالاترین مدل مک‌ بوک دارای تراشه‌ی M1، رم ۱۶ گیگابایتی دارد؛ درحالی‌که مک‌ بوک‌های دارای پردازنده‌ی اینتل، حافظه‌ی رم بیشتری داشتند. به‌طور کلی، حافظه‌ی رم مک بوک‌های جدید ۸ و ۱۶ گیگابایت است. حال سؤال پیش می‌آید که حافظه‌ی رم مک‌ بوک‌های جدید کافی است؟

به‌طور کلی برای انجام کارهای عادی در کامپیوترهای ویندوزی به ۸ گیگابایت رم نیاز داریم و گیمرها بهتر است از رم ۱۶ گیگابایتی استفاده کنند. پس به‌طور مشابه، نسخه‌ی پایه‌ی مک بوک‌های مجهز به تراشه‌ی M1 که رم ۸ گیگابایتی دارند، برای انجام کارهای روزمره‌ی بسیاری از افراد کفایت می‌کند.

البته‌، مهم عملکرد کامپیوتر‌های مک‌ مجهز به تراشه‌ی M1 حین بازکردن چند برنامه و تعداد زیاد تب‌های مرورگر به‌طور هم‌زمان است. در این مواقع علاوه ‌بر سخت‌افزار، بهینه‌سازی نرم‌افزار به ارتقای عملکرد سیستم کمک می‌کند و به همین دلیل تست‌های بنچمارک، علاوه ‌بر عملکرد سخت‌افزاری، نرم‌افزار دستگاه‌ها را نیز بررسی می‌کنند. به هر حال احتمالا بسیاری از افراد مک‌ بوک‌ جدید را برای استفاده‌ی روزمره خریداری می‌کنند و عملکرد این سیستم‌ها در این مورد برایشان اهمیت دارد. دو رسانه‌ی معتبر، سرعت عملکرد کامپیوترهای مک‌ مجهز به تراشه‌ی اختصاصی اپل را بررسی کرده‌اند.

استفن هال، سردبیر 9to5 Mac، عملکرد مک‌ بوک ایر مجهز به تراشه‌‌ی M1 نسخه‌ی ۸ گیگابایتی را بررسی کرد و به نتایج جالبی دست یافت. او در یک پنجره‌ی مرورگر سافاری ۲۴ تب باز کرد و در هر کدام از شش پنجره‌ی دیگر سافاری  ویدئوهای 2160p اجرا کرد. هال با هدف کُند کردن مک بوک، اسپاتیفای را نیز باز کرد و به‌طور هم‌زمان اسکرین‌شات گرفت و به گفته‌ی او، پس از انجام این کار مک بوک کُند شد.

متیو پارازینو، کارشناس تک‌کرانچ، مک بوک پرو ۱۶ گیگابایتی مجهز به تراشه‌ی M1 را بررسی کرد. او علاوه‌ بر چند اپلیکیشن باز‌شده‌ی دیگر، چهارصد تب در مرورگر سافاری باز کرد و با مشکل مواجه نشد. پارازینو همین کار را با مرورگر کروم انجام داد و مرورگر با مشکل مواجه شد. به گفته‌ی او، سیستم مک به‌‎خوبی کار می‌کرد و فقط مرورگر گوگل با مشکل مواجه شده بود. کارشناس تک‌کرانچ در حین بررسی عملکرد مک بوک متوجه شد سیستم از فضای swap استفاده کرد و هیچ مشکلی در عملکرد سیستم پیش نیامد.

زمانی‌که رم کامپیوتر پر می‌شود، سیستم موقتا از SSD دردسترس یا هارددرایو به‌عنوان حافظه‌ی موقت استفاده می‌کند. این کار، سرعت عملکرد کامپیوتر را کاهش می‌دهد؛ درحالی‌که ظاهرا در مک‌های با تراشه‌ی M1 چنین مشکلی پیش نمی‌آید.

موارد گفته‌شده، تجربه‌ی استفاده‌ی روزمره از مک است و بررسی‌ تخصصی محسوب نمی‌شود. بنابراین برای افرادی که صدها تب مرورگر را در استفاده‌ی روزمره‌ باز نمی‌کنند، نسخه‌ی ۸ گیگابایتی مک‌ بوک‌های جدید انتخاب مناسبی است.

البته، درصورتی‌که به‌طور هم‌زمان در عین بازبودن چند تب در مرورگر، عکس‌ها و فایل‌های ویدئویی با حجم بالا ویرایش و فیلم استریم کنید، شاید انتخاب نسخه‌ی ۱۶ گیگابایتی گزینه‌ی بهتری در خرید مک بوک‌های جدید اپل باشد.