Apple M1/M2/M3 は Mac用マイクロプロセッサ

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。

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 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。

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。

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。

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。

M1 Pro、M1 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。

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。

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。

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。

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。

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 Pro、M2 Max ともに、M2より高性能コア（CPU）を増やし、約20％高速化した。

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 Pro は M1 Pro より40％、M2 MaxPro は M1 Pro より40％、M1 Max は30％高速になっている。

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。

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。

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。

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。

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。

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 Pro と M3 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。