애플 M1

1. 개요

M1은 애플이 자체 설계한 시스템 온 칩(SoC)으로, 2020년에 처음 출시되었다. CPU, GPU, 뉴럴 엔진, 메모리 등을 통합하여 전력 효율성을 높이고 성능을 향상시킨 것이 특징이다. M1은 8코어 CPU(고성능 코어 4개, 저전력 코어 4개)를 탑재하여 ARM big.LITTLE과 유사한 구조를 가지며, 인텔 x86 CPU용으로 개발된 소프트웨어를 구동하기 위해 로제타 2 기술을 지원한다. M1 Pro, M1 Max, M1 Ultra 등 다양한 종류가 있으며, CPU 및 GPU 코어 수, 메모리 대역폭, 트랜지스터 수 등에서 차이를 보인다. M1 칩은 Mac Mini, MacBook Air, MacBook Pro, iMac, iPad Pro, iPad Air 등에 탑재되었다.

2. 구조

M1 칩은 ARM 빅리틀 기술 및 인텔의 Lakefield 프로세서와 유사한 하이브리드 아키텍처를 사용한다. 고성능 "Firestorm" 코어와 저전력 "Icestorm" 코어를 결합하여, 이전 애플-인텔 아키텍처 기기에서는 불가능했던 전력 사용 최적화를 가능하게 한다. 애플은 에너지 효율적인 코어가 고성능 코어의 10분의 1의 전력을 사용한다고 주장한다.

인텔 맥에서는 인텔 CPU 외에 GPU, 각종 칩셋, Apple T2 칩 등을 개별적으로 탑재했지만, 애플 M1은 A14 Bionic을 기반으로 CPU와 GPU의 코어 수를 늘리고 필요한 기능을 추가하여 하나의 칩으로 통합했다. 이를 통해 처리 능력 향상과 소비 전력 감소를 모두 달성하며, 인텔 맥에 비해 전원 관리 최적화가 용이해졌다.

2.1. CPU

M1은 4개의 고성능 '파이어스톰(Firestorm)' 코어와 4개의 저전력 '아이스스톰(Icestorm)' 코어를 가지고 있어, ARM 빅리틀 및 인텔 레이크필드 프로세서와 비슷한 구성을 제공한다. 이러한 구성은 애플-인텔 아키텍처 기기에서는 불가능했던 전력 사용 최적화를 가능하게 한다. 애플은 저전력 코어들이 고성능 코어 전력의 1/10을 사용한다고 주장한다. 고성능 코어는 192KB의 명령 캐시와 128KB의 데이터 캐시를 갖추고 있으며, 12MB의 L2 캐시를 공유한다. 반면 저전력 코어는 128KB 명령 캐시, 64KB 데이터 캐시, 4MB L2 캐시를 공유한다. 아이스스톰 "E 클러스터"의 주파수는 0.6–2.064 GHz이며 최대 소비전력은 1.3W이다. 파이어스톰 "P 클러스터"의 주파수는 0.6–3.204 GHz이며 최대 소비전력은 13.8W이다.

M1 Pro 및 M1 Max는 M1과 동일한 설계를 사용하여, 8개의 고성능 코어(M1 Pro의 하위 모델은 6개)와 2개의 저전력 코어를 통해 총 10개(M1 Pro의 하위 모델은 8개)의 코어를 제공한다. M1 Ultra는 2개의 M1 Max 칩을 UltraFusion 인터커넥트로 연결하여 총 20개의 CPU 코어를 제공한다.

로제타 2 동적 바이너리 변환 기술을 통해 M1 칩이 장착된 제품들은 인텔 x86 CPU용으로 개발된 소프트웨어를 구동할 수 있다.

2.2. GPU

M1은 애플이 설계한 8코어(일부 기본 모델은 7코어) 그래픽 처리 장치(GPU)를 통합하고 있다. 각 GPU 코어는 16개의 실행 유닛(EU)으로 나뉘며, 각 EU는 8개의 산술 논리 유닛(ALU)을 포함한다. M1 GPU는 총 128개의 EU와 1024개의 ALU를 포함하며, 애플은 최대 24,576개의 스레드를 동시에 실행할 수 있으며, 최대 부동 소수점(FP32) 성능은 2.6 테라플롭스(TFLOPs)라고 말한다.

M1 Pro는 16코어(일부 기본 모델은 14코어) GPU를 통합하고, M1 Max는 32코어(일부 기본 모델은 24코어) GPU를 통합한다. M1 Max GPU는 총 512개의 실행 유닛 또는 4096개의 ALU를 포함하며, 최대 부동 소수점(FP32) 성능은 10.4 테라플롭스(TFLOPs)이다.

M1 Ultra는 최대 8192개의 ALU와 21 TFLOPS의 FP32 성능을 가진 48코어 또는 64코어 GPU를 탑재하고 있다.

2.3. 메모리

M1은 SiP 디자인으로, 4266 MT/s LPDDR4X SDRAM을 사용하며 모든 프로세서 부품이 공유하는 통합 메모리 구성을 따른다. SoC와 RAM 칩은 함께 실장된다. 8GB 및 16GB 구성을 이용할 수 있다.

M1 Pro는 256비트 LPDDR5 SDRAM을, M1 Max는 512비트 LPDDR5 SDRAM 메모리를 탑재했다. M1 SoC는 70GB/s의 메모리 대역폭을, M1 Pro는 200GB/s, M1 Max는 400GB/s의 대역폭을 가진다. M1 Pro는 16GB 및 32GB 메모리 구성으로, M1 Max는 32GB 및 64GB 구성으로 제공된다.

M1 Ultra는 64GB 또는 128GB 구성에서 800GB/s 대역폭의 1024비트(1킬로비트) 메모리 버스를 위해 M1 Max의 사양을 두 배로 늘렸다.

2.4. 기타 기능

M1은 애플이 설계한 8코어(일부 모델은 7코어) 그래픽 처리 장치(GPU)를 통합하고 있으며, 16코어 뉴럴 엔진은 초당 11조 개의 명령을 실행할 수 있는 전용 신경망 하드웨어이다. 다른 부품들로는 이미지 신호 프로세서(ISP), NVMe 스토리지, 썬더볼트 4 컨트롤러, 시큐어 인클레이브(Secure Enclave)가 포함된다. M1은 인텔 기반 Mac에 존재했던 애플 T2 칩의 모든 기능을 계승하고 통합했다. M1은 주 컴퓨터가 중단된 저전력 모드에 있더라도 bridgeOS 및 sepOS를 활성 상태로 유지하여 Touch ID, FileVault, macOS 키체인, UEFI 펌웨어 암호에 대한 키를 포함한 암호화 키를 처리하고 저장한다. 또한 이 칩은 해당 기기의 고유 ID(UID) 및 그룹 ID(GID)를 저장한다.

M1 Pro, Max 및 Ultra는 썬더볼트 4를 지원한다. M1은 HEVC 및 H.264에 대한 비디오 코덱 인코딩을 지원하며, HEVC, H.264 및 ProRes에 대한 디코딩을 지원한다. M1 Pro, M1 Max 및 M1 Ultra에는 하드웨어 가속 H.264, HEVC, ProRes 및 ProRes RAW를 갖춘 미디어 엔진이 있다. 이 미디어 엔진에는 비디오 디코딩 엔진(M1 Ultra에는 2개), 비디오 인코딩 엔진(M1 Max에는 2개, M1 Ultra에는 4개) 및 ProRes 인코딩 및 디코딩 엔진(M1 Max에도 2개, M1 Ultra에도 4개)이 포함되어 있다.

M1 Max는 16인치 맥북 프로에서 집약적인 작업에 대한 고전력 모드를 지원한다. M1 Pro는 썬더볼트를 통해 60Hz에서 2개의 6K 디스플레이를 지원하는 반면, M1 Max는 썬더볼트를 통해 세 번째 6K 디스플레이와 HDMI 2.0을 통해 4K 모니터를 지원한다. M1 Ultra 프로세서는 기본적으로 2개의 M1 Max 프로세서가 병렬로 작동하므로 M1 Max 프로세서의 모든 매개변수가 두 배가 된다. 이들은 단일 패키지 안에 있으며(Socket AM4 AMD 라이젠 프로세서보다 크다) macOS에서 하나의 프로세서로 인식된다.

3. 종류

M1 칩은 CPU 및 GPU 코어 수, 메모리 대역폭 등에서 다양한 종류로 나뉜다.

3.1. 상세 사양

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4. 성능 및 효율

M1은 Geekbench 및 Cinebench R23과 같이 널리 사용되는 벤치마크에서 동시대의 인텔 및 AMD 프로세서와 경쟁력 있는 성능을 기록했다.

2020년 M1이 탑재된 Mac Mini는 유휴 상태에서 7W, 최대 부하 시 39W를 소비하는 반면, 2018년 6코어 Core i7 Mac Mini는 유휴 상태에서 20W, 최대 부하 시 122W를 소비한다. M1의 전력 효율은 M1 기반 MacBook의 배터리 수명을 이전 인텔 기반 MacBook보다 50% 향상시켰다.

출시 당시 MacBook Air (M1, 2020) 및 MacBook Pro (M1, 2020)는 특히 이전 MacBook과 비교하여 CPU 성능 및 배터리 수명에 대해 비평가들의 찬사를 받았다.

5. 문제점

출시 초기, 일부 사용자들이 USB-C 허브를 통해 M1 기기를 충전하다가 기기가 벽돌이 되는 현상을 보고했다. 이 문제를 일으킨다고 보고된 기기는 서드파티 USB-C 허브와 썬더볼트 도크가 아닌 제품이었다(애플 자체 동글 제외). 애플은 이 문제에 대해 로직 보드를 교체하고 고객에게 해당 허브를 통해 충전하지 않도록 권고하는 방식으로 대응했다. macOS Big Sur 11.2.2 버전에는 2019년 이후의 MacBook Pro 모델과 2020년 이후의 MacBook Air 모델이 특정 서드파티 USB-C 허브 및 도크로 인해 손상되는 것을 방지하는 수정 사항이 포함되었다.

2021년 5월, "M1racles"라는 이름으로 M1 프로세서의 결함이 발표되었다. 두 개의 샌드박스 애플리케이션이 의도치 않게 쓰기가 가능한 프로세서 레지스터를 은닉 채널로 사용하여 시스템의 인지 없이 데이터를 교환할 수 있으며, 이는 보안 모델을 위반하고 사소한 취약점을 구성한다. 이 문제는 애플 실리콘 기반 리눅스용 Asahi Linux 프로젝트의 창립자인 헥터 마틴(Hector Martin)에 의해 발견되었다.

2022년 5월, 텔아비브 대학교, 일리노이 대학교 어바나-샴페인, 워싱턴 대학교의 연구원들에 의해 M1 칩의 "Augury"라는 결함이 발표되었다. 이 결함은 데이터-메모리 종속적 프리페처 (DMP)를 포함한다. 당시에는 실질적인 보안 위험으로 간주되지 않았다.

2022년 6월, MIT 연구원들은 M1 칩의 추측 실행 취약점을 발견했다고 발표했다. 이 취약점은 포인터 인증 코드(PAC)에서 따온 "팩맨"이라고 명명되었다. 애플사(Apple Inc.)는 이것이 사용자에게 심각한 위협이 된다고 생각하지 않는다고 밝혔다.

GoFetch라는 익스플로잇은 관리자 권한 없이 M 시리즈 칩 장치에서 암호화 키를 추출할 수 있다.

6. 탑재 제품

M1 칩은 다음 제품에 탑재되었다.

* 맥 미니 (2020)
* 맥북 에어 (M1, 2020) (기본 모델은 7코어 GPU 탑재)
* 13인치 맥북 프로 (M1, 2020)
* 아이맥 (24인치, M1, 2021) (기본 모델은 7코어 GPU 탑재)
* 아이패드 프로 5세대
* iPad Pro (11-inch, 5세대) (2021)
* iPad Pro (12.9인치, 5세대) (2021)
* 아이패드 에어 5세대
* 14, 16인치 맥북 프로 (2021)
* 맥 스튜디오 (2022)

7. 갤러리

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