L’arcano dei processori Apple Silicon: La memoria integrata

Come funzionano i chip Apple Silicon disegnati da Apple? Serve avere tanta memoria RAM se si utilizzano questi processori? La società introdotto un cambio radicale con l’introduzione dell’architettura di memoria unificata (UMA) nei suoi chip Apple Silicon.

Questa decisione ha portato vantaggi significativi, ma anche alcune criticità.

Breve storia della memoria nei computer

Tradizionalmente, nei computer desktop e portatili, la memoria principale del sistema, nota come RAM, risiede su un bus di sistema separato da CPU e GPU.

Un bus controller è necessario perché genera interruzioni quando la CPU ha bisogno di dati dalla memoria del sistema. Le interruzioni sono segnali hardware usati per mettere in pausa altre parti del sistema durante l’esecuzione di un compito.

Questo sistema causa ritardi nel processamento. Ogni volta che la CPU ha bisogno di accedere ai dati in memoria o ogni volta che lo schermo ha bisogno di essere aggiornato, si genera un’interruzione, il sistema si ferma e il compito viene completato. Quando il compito è terminato, il sistema riprende il processamento generale.

L’Accesso Diretto alla Memoria (DMA) è stato introdotto in seguito, ma a causa delle dimensioni e delle distanze sulla scheda madre, l’accesso alla RAM poteva essere ancora lento. Nel DMA, la CPU inizia un trasferimento di memoria, poi esegue altri lavori. Quando l’operazione DMA è terminata, il controller della memoria genera un’interruzione segnalando alla CPU che i dati sono pronti.

L’accesso alla RAM è solo un tipo di interruzione nell’architettura del computer tradizionale. In generale, più bus e interruzioni ci sono, più ci sono colli di bottiglia di prestazioni su un computer.

L’evoluzione: System on a Chip

Le unità di elaborazione grafica (GPU) e le console di gioco hanno da tempo risolto questo problema integrando i componenti in un unico chip, eliminando bus e interruzioni. Le GPU, ad esempio, di solito hanno la propria RAM attaccata al chip, il che accelera l’elaborazione e consente una grafica più veloce.

Questo design di System on a Chip (SoC) è la nuova tendenza nel design di sistemi e CPU perché aumenta la velocità e riduce il numero di componenti, riducendo il costo complessivo dei prodotti.

Permette anche ai sistemi di essere più piccoli. Gli smartphone utilizzano da tempo i design SoC per ridurre le dimensioni e risparmiare energia, come nel caso dell’ARM SoC dell’iPhone o la serie S dei chip degli Apple Watch.

La PlayStation 2 di Sony è stata la prima console di gioco per consumatori a essere fornita con un SoC integrato chiamato Emotion Engine, che ha integrato oltre una dozzina di componenti e sottosistemi tradizionali su un singolo die.

I design dei chip ARM M1 e M2 di Apple sono simili. Sono essenzialmente un design SoC che integra CPU, GPU, RAM principale, Neural Engine, Secure Enclave e altri componenti in un unico chip.

Come funziona la memoria nei processori Apple Silicon

Con questo design la CPU non ha bisogno di accedere ai contenuti della RAM attraverso un bus di memoria, poiché la RAM è collegata direttamente alla CPU. Quando la CPU ha bisogno di memorizzare o recuperare dati in RAM, va direttamente ai chip RAM.

Con questo cambiamento, non ci sono più interruzioni del bus.

Questo design elimina i colli di bottiglia del bus RAM, migliorando notevolmente le prestazioni. M1 Max, ad esempio, fornisce 400 GB/sec di throughput della memoria, avvicinandosi a quello delle moderne console di gioco come la PlayStation 5 di Sony.

L’integrazione SoC è uno dei principali motivi per cui le serie di CPU M1 e M2 sono così veloci e perché la grafica a livello di gioco delle console moderne sta finalmente arrivando sul Mac.

È per questo che macOS finalmente si sente reattivo dopo decenni di sensazione leggermente gommosa.

I SoC riducono anche notevolmente il consumo di energia e il calore, rendendoli ideali per laptop, telefoni, tablet e altri dispositivi portatili. Meno calore significa anche che i componenti durano più a lungo e subiscono meno degradazione del materiale nel tempo.

Il calore influisce sulle prestazioni del sistema nel tempo poiché riduce lentamente le proprietà dei materiali contenuti nei componenti, portando a prestazioni leggermente inferiori. Questo è uno dei motivi per cui i computer molto vecchi sembrano “rallentare” nel tempo, e una grande causa di guasti.

I limiti della memoria integrata nei processori Apple Silicon

Nonostante i design SoC di Apple si siano rivelati enormi miglioramenti rispetto ai suoi design tradizionali, ci sono alcuni svantaggi.

Il primo, e più evidente, è l’aggiornamento: con la RAM del sistema contenuta nella CPU stessa, non c’è modo di aggiornare la RAM in seguito, se non sostituendo la CPU, cosa che probabilmente non si potrebbe fare con la moderna tecnologia di saldatura SMD.

I modelli Mac precedenti avevano banchi di DIMM RAM o “stick” di memoria che potevano essere scambiati con dimensioni più grandi per aggiornare la memoria.

Con Apple Silicon questa opzione scompare poiché i chip RAM stessi sono prodotti nella CPU. Quando acquisti un Mac Apple Silicon, sei bloccato con la dimensione della RAM che hai inizialmente ordinato.

Un altro svantaggio è che se la RAM o la CPU si rompono, fallisce tutto. Non c’è modo di sostituire solo una parte.

Un altro svantaggio, altrettanto evidente, dei SoC è che l’uso di GPU integrate significa che non c’è modo di aggiornare la scheda grafica del Mac in seguito per una versione più veloce o più grande.

Tutto questo significa, ovviamente, che i moderni Mac stanno diventando sempre più simili a “elettrodomestici” che a computer come li abbiamo tradizionalmente pensati.

Man mano che i sistemi diventano sempre più piccoli, anche i dispositivi si ridurranno. I laptop diventeranno più sottili e leggeri, e la durata della batteria continuerà a migliorare, anche se le prestazioni migliorano nel tempo.

Tra pochi anni, non c’è dubbio che Apple avrà fatto avanzare Apple Silicon abbastanza da rendere l’acquisto di un nuovo Mac un investimento conveniente. Il tempo è denaro, e la quantità di lavoro che puoi svolgere sui moderni Mac utilizzando Apple Silicon supera di gran lunga il costo dell’aggiornamento.

In conclusione

Apple Silicon ha rivoluzionato il design del computer portando notevoli vantaggi in termini di velocità, riduzione del calore e del consumo energetico. Grazie al design System on a Chip (SoC), le prestazioni di CPU, GPU e RAM sono ottimizzate, poiché la comunicazione tra questi componenti avviene senza interruzioni o ritardi.

Questo ha portato a un’esperienza utente più fluida e reattiva, avvicinandosi a quella delle moderne console di gioco. Tuttavia, il design integrato comporta alcune limitazioni, come l’impossibilità di aggiornare RAM e GPU senza sostituire l’intero SoC, rendendo i dispositivi Apple più simili a “elettrodomestici” che a computer.

Nonostante queste sfide, la transizione verso Apple Silicon è un passo avanti nella continua evoluzione della tecnologia. In futuro, con ulteriori miglioramenti, l’investimento in un Mac Apple Silicon supererà di gran lunga il costo dell’aggiornamento, rendendolo una scelta di valore.