Apple M1/M2/M3/M4 は Apple独自マイクロプロセッサ

2020年11月発表

Apple M1

Apple M1
Apple M1
アップルは2020年(令和2年)11月、独自開発したマイクロプロセッサ「Apple M1」を搭載した新型Macの発売を始めた。

パッケージの3分の2は金属LIDで覆われ、右側には4枚×2セットのDRAMメモリ(合計8Gバイト)が積み重ねられているという特異な構造をしている。金属LIDの下には、ARMベースの SoC(System-on-a-chip)が収められている。
SoCは、高性能コア×4、高効率コア×4の8コア構成。これ以外に16コアの Neural Engine に加え、画像信号プロセッサ、ストレージコントローラ、Thunderboltコントローラ、Secure Enclaveなどを搭載する。
Mac用のマイクロプロセッサからハードウェア、OSに至るまで自社で設計するというアップルの悲願が、ついに叶った形だ。

目次

アップルのSoC

No. 名称 アーキテクチャ コア数 プロセスルール トランジスタ数 内蔵GPU
1 Apple A4 ARMv87 1 - - 1コア
2 Apple A5 ARMv7 1~2 45nm - 2~4コア
3 Apple A6 ARMv7s 2 45nm - 4コア
4 Apple A7 ARMv8 2 28nm - 4コア
5 Apple A8 ARMv8-A 2 20nm - 4コア
6 Apple A9 ARMv8-A 2 14~16nm - 6コア
7 Apple A10 Fusion ARMv8-A 4 16nm 約33億 6コア
8 Apple A11 Bionic ARMv8-A 6 10nm 約43億 3コア
9 Apple A12 Bionic ARMv8.2-A 6 7nm 約69億 4コア
10 Apple A13 Bionic ARMv8.3-A 6 7nm 約85億 4コア
11 Apple A13 Bionic ARMv8.4-A 6 7nm 約85億 4コア
12 Apple A14 Bionic ARMv8.6-A 6 5nm 約118億 4コア
13 Apple M1 ARMv8.6-A 8 5nm 約160億 8コア
14 Apple M1 Pro ARMv8.6-A 10 5nm 約337億 最大16コア
15 Apple M1 Max ARMv8.6-A 10 5nm 約570億 最大32コア
16 Apple M1 Ultra ARMv8.6-A 20 5nm 約1140億 最大64コア
17 Apple M2 ARMv8.6-A 10 5nm 約200億 最大10コア
18 Apple M2 Pro ARMv8.6-A 12 5nm 約400億 最大12コア
19 Apple M2 Max ARMv8.6-A 12 5nm 約670億 最大32コア
20 Apple M2 Ultra ARMv8.6-A 24 5nm 約1340億 最大76コア
21 Apple M3 ARMv8.6-A 8 3nm 約250億 最大10コア
22 Apple M3 Pro ARMv8.6-A 12 3nm 約370億 最大18コア
23 Apple M3 Max ARMv8.6-A 16 3nm 約920億 最大40コア
24 Apple M4 AArch64 10 3nm 280億 最大10コア
Apple M1 は、iPhoneプロセッサの延長線上に誕生したマイクロプロセッサだ。
2010年(平成22年)、アップルはiPhone 4用のマイクロプロセッサとして A4 を開発し、毎年プロセッサの性能を少しずつ向上させながら、iPhone、iPad、iPod、AppleTVに搭載してきた。
Apple M1 は、2018年(平成30年)にiPad Proに搭載された A12X のパッケージ技術と、Macに搭載されたセキュリティチップT2、そして A14 Bionic の集大成と言える。

Apple M1の特長

Apple M1
Apple M1
Apple M1 は、A14 Bionic に高性能コアを2個、GPUを4個増設し、セキュリティチップT2を追加した構造になっている。L1、L2キャッシュのサイズや位置はほぼ同じで、搭載機種にあわせてスケーラブルが可能なSoC設計であることが分かる。
SoCには、LDOやドライバー、デコード回路、DC-DCコンバーター、レギュレーターなどのアナログ回路も搭載されており、インテルCPUにはできないきめ細かい電源管理を可能とし、消費電力も発生熱量を低く抑えることに成功した。
Apple M1
Apple M1
Apple M1 はARMベースのRISCであり、CISCのIntel Coreと性能を単純比較することは難しい。
RISCは命令体系が単純であるがゆえに、同じ処理をさせるのにCISCより長いプログラムコードが必要となり、処理に時間がかかる。一方、CISCは複雑であるがゆえに、同じ処理をさせるのにRISCよりチップサイズや消費電力が大きくなってしまう。
し、消費電力も発生熱量を低く抑えることに成功した。
Apple M1
Apple M1
そこで Apple M1 は、性質の異なるプロセッサを複数用意し、1つにパッケージングすることで、RISCの欠点を補い、長所を伸ばしている。パソコンよりはるかに出荷台数が多いiPhoneを使った市場実験ができたというのも、大きな強みだろう。
新旧iMac
新旧iMac
プロセッサとメモリを含む周辺チップがパッケージング化されたことにより、基板も大幅に縮小した。iMacで比較すると、左が旧モデル、右がM1搭載モデルだ。
プロセッサからハードウェア、ソフトウェアすべて自社で設計できるようになったアップルの大きな強みとなろう。
ただし、プロセッサの違いによってソフトウェアの互換性は失われる。
Rosetta 2を使えば、Apple M1 を搭載したMacでもIntelプロセッサ用に開発されたアプリを使えるようになるとは言え、あくまでmacOS上の話で、Bootcamp を使ってWindowsマシンとして使っているMacに当てはまるわけではない。
アップルは、これまでも、68系(モトローラ)→PowerPC系(IBM)→Core系(Intel)と搭載マイクロプロセッサをCISCからRISCへ、またRISCからCISCへと置き換えてきた歴史がある。そのたびにアプリケーションの互換性が問題になった。今回も、Apple M1 搭載Macがスタンダードモデルにまで、少し時間はかかるだろう。

Apple M1 Pro/Max

Apple M1 Pro コア
Apple M1 Pro コア
アップルは2021年(令和3年)10月18日、M1を大幅にパワーアップした M1 Pro と M1 Max を搭載した新型 MacBook Proを発表した。
Apple M1 Max コア
Apple M1 Max コア
M1 ProM1 Max ともに、M1より高性能コア(CPU)を増やし、約70%高速化した。
両者の違いはGPUとメモリ量で、M1 Pro のGPUは最大16コア、メモリは最大32GB。M1 Max は最大32コア、メモリは最大64GB。メモリは、M1と同じく同じチップ上に配置したユニファイドメモリであるが、帯域を拡張しており、M1 Pro は200GB/s、M1 Max は400GB/sとなっている。GPU処理能力は、M1対比で M1 Pro は2倍、M1 Max は4倍となっている。
また、外部GPUを搭載したWindowsノートPCと比べて40%少ない電力で同等のパフォーマンスを発揮するという。

動画を扱うメディアエンジンも強化しており、動画フォーマット「ProRes」「ProRes RAW」のハードウェアアクセラレーターを内蔵し、4KのProRes映像であれば30本、8K映像でも7本の同時再生が可能という。さらにThunderbolt 4にも対応している。

Apple M1 Ultra

Apple M1 Ultra コア
Apple M1 Ultra コア
アップルは2022年(令和4年)3月9日、M1を大幅にパワーアップした M1 Ultra を搭載した新型デスクトップ Mac Studio を発表した。

M1 Max を2基連結したデュアルプロセッサ構成だが、最大毎秒2.5TBのスループットを叩き出すアップル独自の UltraFusion アーキテクチャにより2基のダイを直接連結することで、消費電力を抑制し、処理速度の低下も防いでいる。そのおかげで、M1 Max の単純に2倍というスペックを実現した。
Mac Studio
Mac Studio
M1 Max を搭載した Mac Studio が、Intel Xeon W-3275M プロセッサ(28コア)を搭載した Mac Pro (Late 2019) に比べ、マルチコアのパフォーマンスが21%、シングルコアにいたっては56%高速と圧倒的。しかも、この大きさで十分放熱ができ、電源も内蔵しているというから驚きだ。

Apple M2の特長

Apple M2
Apple M2
アップルは2022年(令和4年)6月、新設計のマイクロプロセッサ Apple M2 を発表した。
Apple M2 は、A15 Bionic に高性能コアを2個、GPUを4~6個増設したM2の後継プロセッサだ。第2世代の5nmプロセスを採用し、M1より25%多い200億トランジスタを集積することで、CPU/GPU/Neural Engineのいずれも性能向上を図った。また、ユニファイドメモリの帯域幅はM1と比較して50%増加し、100GB/sに達し、最大24GBの容量も実現した。
高性能コアはウルトラワイドマイクロアーキテクチャとして、192KBの命令キャッシュと128KBのデータキャッシュ、16MBの共有キャッシュメモリを備える。
Apple M2のダイ
Apple M2のダイ
一方高効率コアは「ワイドマイクロアーキテクチャ」としており、128KBの命令キャッシュと64KBのデータキャッシュ、4MBの共有キャッシュを備えている。

これら改良により、M1と比較して性能は18%向上。それと同時に、競合の10コアモバイル向けCPUと比較して同じ消費電力では1.9倍の性能を達成でき、同一性能であればわずか4分の1の消費電力であるという。また、競合の12コア版と比較すると、4分の1の消費電力で87%相当の性能を達成できるとしている。

Apple M2 Pro/Max

Apple M2 Pro コア
Apple M2 Pro コア
アップルは2023年(令和5年)1月17日、M2をパワーアップした M2 Pro と M2 Max を搭載した新型 MacBook Proを発表した。
M2 ProM2 Max ともに、M2より高性能コア(CPU)を増やし、約20%高速化した。
Apple M2 Max コア
Apple M2 Max コア
両者の違いはGPUとメモリ量で、M2 Pro のGPUは最大19コア、メモリは最大32GB。M2 Max は最大38コア、メモリは最大96GB。メモリは、M2と同じく同じチップ上に配置したユニファイドメモリであるが、帯域を拡張しており、M2 Pro は200GB/s、M2 Max は400GB/sとなっている。GPU処理能力は、M2 ProM1 Pro より40%、M2 MaxProM1 Pro より40%、M1 Max は30%高速になっている。
M2 Pro は、ハードウェアアクセラレーテッドH.264、HEVC、ProResビデオエンコード/デコードのための、パワフルで効率に優れたメディアエンジンを搭載し、ごくわずかな電力で4Kおよび8Kの複数のProResビデオストリームを再生できる。M2 Max は、2つのビデオエンコードエンジンと2つのProResエンジンを搭載しており、M2 Pro と比較して最大2倍の速度でビデオをエンコードできる。

Apple M2 Ultra

Apple M2 Ultra コア
Apple M2 Ultra コア
アップルは2023年(令和5年)6月5日、M2 Max 2枚分の最強スペックチップ M2 Ultra を搭載した新型デスクトップ Mac Studio および Mac Pro を発表した。

最大毎秒2.5TBのスループットを叩き出すアップル独自の UltraFusion アーキテクチャにより2基のダイを直接連結することで、M2 Max の単純に2倍というスペックを実現した。

また、M1 Ultra と比べてCPU性能は20パーセント高速化、GPU性能は最大30パーセント高速化、Neural Engineは最大40パーセント高速化している。また、M2 Maxの2倍の性能を備えたメディアエンジンを搭載し、ProResの処理が驚くほど高速化した。
Mac Studio
Mac Studio
M2 Ultra 搭載の Mac Studio は、M1 Ultra 搭載の前世代のMac Studioよりも最大3倍高速になる。24コアのCPU、最大76コアのGPU、800GB/sのユニファイドメモリ帯域幅を持つ最大192GBのメモリを搭載し、ワークステーションクラスのパフォーマンスを発揮するという。
Mac Pro
Mac Pro
M2 Ultra 搭載の MMac Pro は、Appleシリコンで初めてPCI Expressスロットを搭載する。
加えてメモリとSSD容量は標準構成で従来のIntelベースのMac Proの2倍となった(64GBと1TB)。M2 Ultra の標準搭載により、すべてのMac Proが、7枚のAfterburnerカードを搭載したのと同等の性能を発揮でき、22本の8K ProResビデオストリームの再生が可能としている。

Apple M3の特長

Apple M3
Apple M3
アップルは2023年(令和5年)10月、3nmプロセスで作られたものとしては初のPC向けプロセッサ Apple M3 を発表した。
Apple M3 のGPUは Dynamic Caching と呼ばれる新技術を採用し、リアルタイムでそれぞれのタスクに必要な量のメモリを割り当てることで、GPUの平均使用率を向上し、負荷の高いアプリやゲームのパフォーマンスが上がるという。
Apple M3 Pro
Apple M3 Pro
また、iPhone 15 Proシリーズ用の A17 Pro に続いてハードウェアレイトレーシングにも対応した。レンダリング性能はM1と比べて、最大2.5倍の性能を持つとともに、M1と同じ性能を出すのに約半分の電力消費で済むという。
Apple M3 Max
Apple M3 Max
CPUも強化されており、M1との比較で高性能コアは最大30%、高効率コアは最大50%高速化。M3 は4コア+4コアの8コア・最大24GBのメモリだが、M3 Pro は6コア+6コアの12コア・最大36GBのメモリ、M3 Max は12コア+4コアの16コア・最大96GBのメモリと、コア数やメモリも増加している。
AIとメディアエンジンも強化しており、Neural Engine はM1より最大60%強化。メディアエンジンは新たにAV1デコードをサポートすることで、ストリーミング動画視聴時のバッテリー駆動時間が長くなったという。

公式スペックでは、M3 ProM3 Max がM2時代よりメモリ帯域が狭くなっている(それぞれ200→150GB/s,400→300GB/s)。実際のアプリへの影響は不明。

Apple M4の特長

Apple M4
Apple M4
アップルは2024年(令和6年)5月、第2世代3nmプロセスで製造したプロセッサ Apple M4 を発表した。
Apple M2 よりも最大50%高速化しており、GPUはレンダリングパフォーマンスを4倍に強化し、ハードウェアアクセラレーテッドレイトレーシングやハードウェアアクセラレーテッドメッシュシェーディングをサポートする。AIや機械学習に使用する16コアの Neural Engine は毎秒38兆回の演算が可能で、A11 Bionicの60倍高速という。
さらに、まったく新しいディスプレイエンジンを搭載しており、2枚のOLEDパネルの光を組み合わせて作られた最先端のディスプレイである Ultra Retina XDR ディスプレイの驚くべき精度、色精度、輝度の均一性を可能にしている。
5月15日発売の新型 iPad Pro に搭載する。

Apple M1/M2/M3 シリーズ比較表

Apple M1/M2
No. 項目 Apple M1 Apple M2 Apple M3 備 考
1 高性能コア(CPU) 4コア 4コア 4コア  
2 高効率コア(CPU) 4コア 4コア 4コア  
3 Neural Engine 16コア 16コア 16コア  
4 GPU 8コア 10コア 10コア  
5 GPU処理能力 最大2.6TFLOPS 最大3.6TFLOPS 最大4.3TFLOPS  
6 ユニファイドメモリ 最大16GB 最大24GB 最大24GB オンチップメモリ
7 メモリ帯域 100GB/s 100GB/s 100GB/s  
8 プロセスルール 5nm 5nm 3nm  
9 トランジスタ数 約160億 約200億 約250億  
Apple M1 シリーズ
No. 項目 Apple M1 M1 Pro M1 Max M1 Ultra 備 考
1 高性能コア(CPU) 4コア 8コア 16コア M1対比で,M1 Pro/Max は約70%高速化
2 高効率コア(CPU) 4コア 2コア 4コア  
3 Neural Engine 16コア 32コア  
4 GPU 8コア 最大16コア 最大32コア 最大64コア 外部GPUを搭載したWindowsノートPCと比べて40%少ない電力で同等のパフォーマンスを発揮
5 GPU処理能力 最大2.6
TFLOPS
最大5.2
TFLOPS
最大10.4
TFLOPS
最大20.8
TFLOPS
旧MacBook Pro 16インチモデルの最上位GPU Radeon 5600M対比で,M1 Proは2.5倍,M1 Maxは4倍
6 ユニファイドメモリ 最大16GB 最大32GB 最大64GB 最大128GB オンチップメモリ
7 メモリ帯域 100GB/s 200GB/s 400GB/s 800GB/s  
8 プロセスルール 5nm  
9 トランジスタ数 約160億 約337億 約570億 約1140億  
Apple M2 シリーズ
No. 項目 Apple M2 M2 Pro M2 Max M2 Ultra 備 考
1 高性能コア(CPU) 6コア 8コア 16コア プロ向けノートブック用として世界で最もパワフルで電力効率の高いチップ
2 高効率コア(CPU) 4コア 4コア 8コア  
3 Neural Engine 16コア 32コア  
4 GPU 16コア 最大19コア 最大38コア 最大76コア  
5 GPU処理能力 最大3.6
TFLOPS
最大6.8
TFLOPS
最大13.6
TFLOPS
最大27.2
TFLOPS
 
6 ユニファイドメモリ 最大16GB 最大32GB 最大96GB 最大192GB オンチップメモリ
7 メモリ帯域 100GB/s 200GB/s 400GB/s 800GB/s  
8 プロセスルール 5nm  
9 トランジスタ数 約200億 約400億 約670億 約1340億  
Apple M3 シリーズ
No. 項目 Apple M3 M3 Pro M3 Max 備 考
1 高性能コア(CPU) 4コア 6コア 12コア 3nmプロセスで作られたものとしては初のPC向けプロセッサ
2 高効率コア(CPU) 4コア 6コア 4コア
3 Neural Engine 16コア
4 GPU 16コア 18コア 最大40コア
5 GPU処理能力 最大4.3
TFLOPS
最大7.3
TFLOPS
最大15.6
TFLOPS
 
6 ユニファイドメモリ 最大24GB 最大36GB 最大128GB オンチップメモリ
7 メモリ帯域 100GB/s 150GB/s 300GB/s  
8 プロセスルール 3nm  
9 トランジスタ数 約250億 約400億 約920億  
Apple M4 シリーズ
No. 項目 Apple M4 備 考
1 高性能コア(CPU) 4コア  
2 高効率コア(CPU) 6コア  
3 Neural Engine 16コア A11 Bionicに比べて60倍高速
4 GPU 10コア  
5 GPU処理能力  
6 ユニファイドメモリ オンチップメモリ
7 メモリ帯域 120GB/s  
8 プロセスルール 3nm(第2世代)  
9 トランジスタ数 280億  

参考サイト

CPUの歴史

発表年 メーカー CPU名 ビット数 最大クロック
1971年インテル40044bit750KHz
1974年インテル80808bit3.125MHz
1975年モステクノロジーMOS 65028bit3MHz
1976年ザイログZ808bit20MHz
1978年インテル808616bit10MHz
1979年モトローラMC68098bit2MHz
1979年ザイログZ800016bit10MHz
1980年モトローラMC6800016bit20MHz
1984年インテル8028616bit12MHz
1985年インテル8038632bit40MHz
1985年サン・マイクロシステムズSPARC32bit150MHz
1986年MIPSR200032bit15MHz
1987年ザイログZ28016bit12MHz
1987年モトローラMC6803032bit50MHz
1989年インテル8048632bit100MHz
1991年MIPSR400064bit200MHz
1990年モトローラMC6804032bit40MHz
1993年インテルPentium32bit300MHz
1994年IBM, モトローラPowerPC 60332bit300MHz
1995年サイリックスCyrix Cx5x8632bit133MHz
1995年AMDAm5x8632bit160MHz
1995年サン・マイクロシステムズUltraSPARC64bit200MHz
1999年IBM, モトローラPowerPC G432bit1.67GHz
1999年AMDAthlon32bit2.33GHz
2000年インテルPentium 432bit3.8GHz
2001年インテルItanium64bit800MHz
2003年AMDOpteron64bit3.5GHz
2003年インテルPentium M32bit2.26GHz
2006年SCE,ソニー,IBM,東芝Cell64bit3.2GHz
2006年インテルCore Duo32bit2.33GHz
2006年インテルCore 2 Duo64bit3.33GHz
2008年インテルCore i9/i7/i5/i364bit5.8GHz
2017年AMDRyzen64bit5.7GHz
2020年AppleM1/M264bit3.49GHz
(この項おわり)
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