La microarquitectura de los chips M1 Pro y M1 Max de Apple, explicada: su arma secreta es una escalabilidad que aún no ha dicho su última palabra (ni de lejos)

Apple ha estado a la altura de las expectativas. Sabíamos que sus primeros MacBook Pro equipados con un microprocesador M1 estaban cerca, y sí, están a punto de salir del horno. Pero no van a llegar con el mismo chip M1 que podemos encontrar desde finales del año pasado en los MacBook Air, y que tan buen sabor de boca nos dejó después de ponerlo a prueba a fondo para averiguar si su rendimiento y su consumo realmente eran tan competitivos como aseguraban sus creadores.

Los nuevos MacBook Pro estarán equipados con los microprocesadores M1 Pro y M1 Max, dos versiones del chip M1 que mantienen la misma microarquitectura del modelo original, pero que, a la par, son sensiblemente más ambiciosos que este debido a la forma en la que implementan los tres subsistemas fundamentales de estos SoC: la CPU, la GPU y la memoria unificada que actúa como punto de encuentro de los principales elementos funcionales de estos chips.

No es sorprendente que Apple haya reforzado su chip M1 para conseguir que encaje bien en los escenarios de uso para los que están indicados los MacBook Pro, que sobre todo están diseñados para dar la talla con las aplicaciones de creación de contenidos que pueden llevar al límite tanto la CPU como la GPU. Pero, a pesar de que esperábamos una o varias variantes del M1 original más ambiciosas, las capacidades que tienen sobre el papel los procesadores M1 Pro y M1 Max son impactantes.

No sabremos con seguridad si su productividad global y su relación rendimiento/vatio son tan buenas como nos dice Apple hasta que los analicemos a fondo y en condiciones rigurosas, algo que esperamos poder hacer lo antes posible. No obstante, mientras tanto podemos indagar en su arquitectura, porque, como estamos a punto de comprobar, los ingenieros que han diseñado estos chips se han empleado a fondo para dimensionarlos incluso un paso más allá de lo que podíamos prever si tomábamos como punto de partida el procesador M1 original.

Apple M1, M1 Pro y M1 Max: especificaciones técnicas

La escalabilidad es la auténtica columna vertebral de la microarquitectura M1

La tecnología de integración utilizada por TSMC para producir los procesadores M1 Pro y M1 Max es la misma que emplea en la fabricación de los chips M1 originales: la fotolitografía FinFET (Fin Field-Effect Transistor) de 5 nm. Eso sí, tanto la revisión Pro como la más ambiciosa Max incorporan muchos más transistores que el primer chip M1: 33 700 millones el M1 Pro y nada menos que 57 000 millones el M1 Max.

La versión Pro del SoC M1 puede incorporar un máximo de 10 núcleos para la CPU, de manera que hasta 8 de ellos son de alto rendimiento y los 2 restantes de alta eficiencia. El propósito de esta concepción híbrida inspirada en los procesadores con arquitectura big.LITTLE de ARM es balancear el rendimiento y el consumo para incrementar tanto como sea posible la relación rendimiento/vatio de estos chips.

El procesador M1 Max, sin embargo, solo está disponible con 10 núcleos para la CPU repartidos en 8 de alto rendimiento y 2 de alta eficiencia. Eso sí, el subsistema de memoria caché de los procesadores M1, M1 Pro y M1 Max es idéntico. Cada uno de los núcleos de alto rendimiento incorpora una caché de instrucciones de 192 KB y una caché de datos de 128 KB. En los chips M1 la caché de nivel 2 compartida tiene una capacidad de 12 MB, mientras que en los M1 Pro y M1 Max sube hasta los 24 MB.

La estrategia que ha seguido Apple con los núcleos de alta eficiencia es esencialmente la misma. Cada uno de ellos incorpora una caché de instrucciones de 128 KB y una caché de datos de 64 KB. Eso sí, en esta ocasión la caché de nivel 2 compartida es idéntica en los chips M1, M1 Pro y M1 Max debido a que en los tres tiene una capacidad de 4 MB.

Una de las decisiones más importantes tomadas por los ingenieros que han diseñado los chips M1 consiste en decantarse por un mapa de memoria unificada y compartida a la que pueden acceder tanto la CPU como la GPU y el motor de aprendizaje automático Neural Engine. El procesador M1 original incorpora un máximo de 16 GB LPDDR4X, mientras que las revisiones M1 Pro y M1 Max extienden la memoria unificada hasta los 32 y 64 GB respectivamente. Un apunte más: la memoria de estos dos últimos chips es de tipo LPDDR5.

No obstante, hay un dato más que no podemos pasar por alto. La interfaz de memoria del procesador M1 tiene una 'anchura' de 128 bits, mientras que las interfaces de los chips M1 Pro y M1 Max se extienden hasta los 256 y 512 bits respectivamente. Como es lógico, las características de la interfaz de memoria tienen un impacto directo en el ancho de banda, que supera ligeramente los 200 GB/s en el procesador M1 Pro y coquetea con los 400 GB/s en el M1 Max.

Por otro lado, la lógica Neural Engine, que es el nombre que ha dado Apple al motor de aprendizaje automático que ha implementado en estos microprocesadores, es idéntica en los tres chips, por lo que en este terreno los SoC M1 Pro y M1 Max no aventajan al M1 original. Los tres tienen 16 núcleos dedicados a la ejecución de algoritmos de inteligencia artificial y son capaces de ejecutar hasta 11 billones de operaciones por segundo. Y estos billones son de los nuestros, no de los anglosajones.

Aún nos queda indagar en otro de los subsistemas esenciales de estos chips: su lógica gráfica. Los 8 núcleos que como mucho incorpora la GPU del procesador M1 original palidecen frente a los 16 núcleos que puede integrar como máximo el chip M1 Pro. Y, sobre todo, ante los 32 núcleos máximos en los que puede apoyarse el SoC M1 Max. De hecho, si nos ceñimos a su fuerza bruta sobre el papel la lógica gráfica de estos dos últimos procesadores rivaliza con la de las tarjetas gráficas dedicadas de gama media/alta de la anterior generación. Y no está pero que nada mal para tratarse de gráficos integrados.

Las cifras de rendimiento que nos promete Apple cuando describe la capacidad gráfica de sus chips M1 son muy interesantes. El procesador M1 Pro, siempre según sus creadores, nos entrega 5,2 TFLOPS (FP32), y el más ambicioso M1 Max alcanza los 10,4 TFLOPS, una cifra ligeramente superior a los 10,28 TFLOPS que nos consigue entregar una consola PlayStation 5 cuando se emplea a fondo. Así se las gasta en teoría la pequeña bestia que es el chip M1 Max. Si tenéis curiosidad en la tabla de especificaciones que publicamos más arriba podéis consultar las tasas de texturas y píxeles de la lógica gráfica de estos SoC.

La eficiencia energética de los nuevos M1 Pro y M1 Max, según Apple

Todo lo que vamos a ver en esta sección del artículo debemos tomarlo con muchas reservas porque es la información que nos entrega Apple para describir el rendimiento de sus nuevos procesadores cuando se miden con los chips para PC. Y, obviamente, Apple es parte interesada. Cuando analicemos a fondo los nuevos M1 Pro y M1 Max sacaremos nuestras propias conclusiones, pero no está mal ir abriendo boca mirando qué nos prometen los de Cupertino.

Según ellos, como podemos ver, sus procesadores M1 más potentes igualan el rendimiento de un chip x86-64 de última generación para ordenadores portátiles, y lo logran consumiendo un 70% menos. Apple también asegura que cuando se emplean a fondo sus SoC son 1,7 veces más rápidos. Es una lástima que no indique con total transparencia cuál era la configuración completa del PC que ha utilizado en sus pruebas porque al exponer los datos de esta forma suscita recelos razonables. Eso sí, al menos confiesa haber comparado sus MacBook Pro con chip M1 Pro y M1 Max con un portátil GP66 Leopard de MSI, que presumiblemente incorpora una CPU Intel Core i7-11800H.

En la siguiente diapositiva Apple nos dice que a máxima potencia su MacBook Pro de 16 pulgadas con procesador M1 Pro consume un 70% menos que un PC portátil con una GPU dedicada. En este caso, al parecer, lo han comparado con un Legion 5 de Lenovo, que presumiblemente debía de incorporar un procesador Ryzen 7 5800H de AMD y una GPU GeForce RTX 3060 de NVIDIA.

En la última diapositiva Apple asegura que su MacBook Pro con procesador M1 Max rinde mejor y consume un 40% menos que un PC portátil profesional compacto con una GPU dedicada. Y también que rinde esencialmente lo mismo que un PC portátil de gama alta, pero consumiendo 100 vatios menos. Al parecer en estas pruebas Apple ha utilizado un portátil GE76 Raider de MSI y un Blade 15 Advanced de Razer.

Las pistas que tenemos dibujan el futuro de los chips M1, y es un futuro prometedor

No hay mejor forma de encarar la recta final de este artículo que intentando intuir qué nos propondrán los próximos microprocesadores de la familia M1. Lo que hemos visto hasta este momento refleja con total claridad que para Apple es relativamente sencillo escalar esta arquitectura para, así, incrementar drásticamente el rendimiento de sus microprocesadores. Esta estrategia es muy similar a la que va a poner en marcha Intel con sus microprocesadores con arquitectura híbrida Alder Lake.

De una cosa podemos estar seguros: cuando Apple introduzca su chip M1 en sus ordenadores de sobremesa más avanzados (los iMac de 24 pulgadas ya lo incorporan) comprobaremos que habrá versiones que tendrán más núcleos de todo tipo que incluso el potente M1 Max. Más núcleos de CPU. Más núcleos de GPU. Y, quizá, incluso una memoria unificada más amplia.

Para hacerlo posible Apple no necesitará que TSMC utilice una tecnología de integración más avanzada, pero cuando esté disponible, y este momento no tardará demasiado en llegar, los chips M1 podrán dar otro salto hacia delante. No cabe duda de que se avecina una época muy interesante para los entusiastas de los microprocesadores durante la que la competencia entre Apple, Intel y AMD será más agresiva que nunca. Que así sea porque, una vez más, los más beneficiados seremos nosotros, los usuarios.