تراشه اپل M6؛ شاهکار ۲ نانومتری که عمداً به زنجیر کشیده شد

بازار پردازنده‌ها چند سالی است که شبیه به یک مسابقه بی‌پایان بر سر اعداد و ارقام روی کاغذ شده؛ آماری که با آب‌وتاب فراوان ردیف می‌شوند، اما وقتی پای پردازش‌های سنگین وسط باشد؛ نفس‌شان بند می‌آید. داستان تراشه M6 اپل اما متفاوت است. این چیپست که روی مک مینی و مک‌بوک پرو جدید نشسته، هیولایی کوچک با لیتوگرافی ۲ نانومتری است که از حیث توان خام تک‌هسته‌ای و بازدهی انرژی، رقبای قدرش را به چالش می‌کشد.

البته اگر لایه‌های سیلیکون را کنار بزنیم و به اعماق این قطعه چندمیلی‌متری سرک بکشیم، می‌بینیم که اپل در یک بخش حیاتی عمداً آن را به زنجیر کشیده است. 

مهندسی در مقیاس ۲ نانومتر؛ کوچک‌تر اما قدرتمندتر

تراشه ۲ نانومتری به این معنا نیست که ترانزیستورهای آن دقیقاً ۲ نانومتر اندازه دارند. عدد ۲ نانومتر نام یک نسل فناوری ساخت تراشه است، نه اندازه دقیق یک قطعه مشخص. با این حال، مقایسه آن کمک می‌کند مقیاس این فناوری را بهتر درک کنیم.

۲ نانومتر آن‌قدر کوچک است که با قطر مارپیچ دوگانه DNA برابری می‌کند؛ اما مهندسان باید در چنین مقیاسی، میلیاردها ترانزیستور را در فضای بسیار محدود، با دقتی فوق‌العاده بالا کنار هم قرار دهند و کاری کنند که این کلیدهای الکترونیکی در سرعت بالا و با مصرف انرژی کنترل‌شده کار کنند.

بررسی فنی Macworld از معماری M6 نشان می‌دهد مساحت قالب سیلیکونی این تراشه حدود ۱۴۲ میلی‌متر مربع است؛ درحالی‌که مساحت M5 حدود ۱۵۷ میلی‌متر مربع برآورد می‌شود. اگر تراشه نقلی M1 را با ابعاد ۱۱۹ میلی‌متر مربعی فاکتور بگیریم، M6 کوچک‌ترین تراشه پایه‌ای است که اپل تاکنون در تاریخ سری M به بازار فرستاده.

در M6 ماجرا فقط به کوچک‌تر شدن اندازه ختم نمی‌شود؛ این بار جنس و ساختار معماری هم دستخوش تغییری اساسی شده. سال‌ها بود که صنعت نیمه‌هادی از ترانزیستورهای فین‌فت (FinFET) استفاده می‌کرد؛ باله‌های سیلیکونی باریکی که گیت کنترلی فقط از سه جهت آن‌ها را احاطه کرده بود.

اما وقتی پای ابعاد به مقیاس ۲ نانومتر رسید، جریان برق دیگر در آن چارچوب مهارپذیر نبود و از درزهای میکروسکوپی دچار نشت می‌شد. راه‌حل TSMC و اپل، مهاجرت به معماری GAAFET یا همان ترانزیستورهای محصور در گیت است.

در سازوکار جدید گیت کنترلی به جای سه طرف، از هر چهار طرف به دور کانال‌های عبور جریان پیچیده است. در نتیجه نشت جریان برق به حداقل رسیده، ثبات ولتاژ تقویت شده و پردازنده با مصرف انرژی کمتر، در فرکانس‌های سرسام‌آور نفس می‌کشد. 

جدول مقایسه تراشه اپل M6 با نسل قبل

معماری سه‌لایه در پردازنده مرکزی (CPU)

اپل در طراحی هسته‌های پردازشی M6 دست به یک ریسک هوشمندانه زده است. تا پیش از این در تراشه‌های پایه عادت داشتیم تقسیم وظایف را میان دو گروه ببینیم: دسته‌ای هسته پرقدرت که بار کارهای سنگین مانند رندر و انکود را به دوش می‌کشیدند و هسته‌های کم‌مصرف که بی‌سروصدا چرخ کارهای روزمره، مرور وب و اجرای تسک‌های پس‌زمینه را می‌چرخاندند. اما در M6 برای اولین بار در تراشه‌های پایه‌ اپل، با چیدمان سه‌لایه‌ای روبه‌رو هستیم:

• ۲ هسته فوق‌قدرتمند (Super Cores): فرکانس کاری‌شان تا ۴.۷۸ گیگاهرتز بالا می‌رود تا وظایف فوق‌سنگین را در کسری از ثانیه حل کنند.
• ۴ هسته قدرتمند میانی (Performance Cores): فرکانس آن‌ها تا حدود ۴٫۵ گیگاهرتز می‌رسد و بار اصلی کارهای روزمره و چندوظیفه‌ای را به دوش می‌کشد.
• ۶ هسته کم‌مصرف (Efficiency Cores): با فرکانس ۲.۹۴ گیگاهرتز کارهای پس‌زمینه سیستم را سریع و با حداقل مصرف انرژی انجام می‌دهند.

اپل دو هسته سوپر از نسل قبل را فدا کرده تا چهار هسته پرفورمنس جدید جایگزین کند. این طراحی هوشمندانه باعث شده قدرت پردازش چند‌هسته‌ای به طرز چشمگیری بالا برود، بدون این که فضای زیادی روی تراشه اشغال شود یا قدرت پردازش تک‌هسته‌ای افت کند.

این طراحی در تدوین ویدیو، فشرده‌سازی فایل‌ها، کامپایل کد و اجرای چند برنامه سنگین اهمیت دارد. در چنین وظایفی تقسیم کار مناسب بین هسته‌ها به سرعت بالاتر و استفاده بهتر از منابع کمک می‌کند.

پیکربندی حافظه در ۳ لایه

در بخش حافظه پنهان یا همان کش، حافظه سطح سیستم (SLC) که میان تمام اجزای تراشه مشترک است، روی همان ظرفیت ۱۶ مگابایت باقی مانده است. در عوض حافظه L2 اشتراکی میان هسته‌های سوپر و میانی از ۱۶ مگابایت به ۲۰ مگابایت رسیده تا تغذیه ۶ هسته فعال به جای ۴ هسته پیشین با لکنت روبه‌رو نشود. 

هسته‌های سوپر هم‌زمان کش اختصاصی ۱.۵ مگابایتی خود را حفظ کرده‌اند. از آن طرف، شش هسته کم‌مصرف با کلاستر و کش مجزا در کنار واحد اختصاصی پردازش ماتریسی (AMX) نشسته‌اند تا محاسبات ریاضی و سبک را بدون بیدار کردن هسته‌های غول‌پیکر به دوش بکشند.

ارزیابی اپل M6 در بنچمارک‌ها؛ یکه‌تازی بی‌چون‌وچرا

توضیحات تئوری شاید زیبا باشند، اما برای کاربری که در ایران می‌خواهد پس‌انداز چند سالش را پای یک سیستم بگذارد، ارقام دنیای واقعی اهمیت دارند. عملکرد M6 در بنچمارک‌های استاندارد به معنای واقعی کلمه خط‌ونشان کشیدن برای بازار پی‌سی است.

در بررسی Notebookcheck از تراشه M6، مک مینی مجهز به M6 با چند دستگاه مقایسه شده. نتایج Geekbench 6.7 چنین تصویری ارائه می‌کنند:

تراشه M6 در آزمون تک‌هسته‌ای حدود ۹ درصد از M5 و نزدیک به ۲۹ درصد از M4 سریع‌تر عمل می‌کند. اما اوج قدرت‌نمایی آن در پردازش‌های سنگین و چندهسته‌ای نمایان می‌شود؛ جایی که M6 فاصله خود را با M5 به ۱۸ درصد و با نسل M4 به رقمی چشمگیر یعنی ۴۱ درصد می‌رساند.

این جهش معنادار ثابت می‌کند اپل صرفاً با اضافه کردن هسته‌ها بازی نکرده، بلکه معماری پایه را دستخوش دگرگونی کرده؛ تغییری بنیادین که هم سرعت کارهای روزمره (تک‌هسته‌ای) را بالا برده و هم در پردازش‌های هم‌زمان و سنگین، راندمان بسیار بهتری ارائه می‌دهد.

بنچمارک معتبر Cinebench 2024 هم مهر تأییدی بر این موضوع می‌زند: کسب امتیاز ۲۲۱ در بخش تک‌هسته‌ای و ۱۴۶۸ در بخش چندهسته‌ای، یعنی M6 در مقایسه با مک‌بوک پرو M5 به‌ترتیب ۱۱ و ۲۵ درصد توانمندتر ظاهر شده است.

البته نباید فریب اعداد را خورد و M6 را شکست‌ناپذیر دانست؛ برای نمونه در تست‌های چندهسته‌ای Geekbench 6.7، پردازنده تازه‌نفس Snapdragon X2 Elite Extreme نشان داد که می‌تواند از M6 پیشی بگیرد. بنابراین شاید M6 یک جهش فنی تحسین‌برانگیز باشد، اما صحبت از شکست تمام رقبا در هر سناریویی بیشتر شبیه به اغراق تبلیغاتی است.

یکی از مزیت‌های مهم تراشه‌های اپل، تلاش برای حفظ توازن میان عملکرد و مصرف انرژی است. M6 هم از این قاعده پیروی می‌کند. طبق اندازه‌گیری Notebookcheck، بازدهی تک‌هسته‌ای M6 در Cinebench 2024 حدود ۱۵٫۲ امتیاز به‌ازای هر وات بوده است؛ درحالی‌که این رقم برای M5 در مک‌بوک پرو حدود ۱۳٫۱ امتیاز ثبت شده است.

گرافیک ۱۲ هسته‌ای؛ یک جهش محسوس

تعداد هسته‌های گرافیکی در M6 از ۱۰ هسته به ۱۲ هسته ارتقا پیدا کرده. افزایش تعداد هسته‌ها به همراه ارتقای فرکانس کاری و بهبود توانایی محاسبه هندسی، عملکرد گرافیکی تراشه را در پردازش‌های سه‌بعدی حدود ۳۰ درصد نسبت به M5 و نزدیک به ۸۰ درصد نسبت به M4 بهتر کرده است.

در بنچمارک‌های شبیه‌ساز گیمینگ هم گرافیک M6 با مصرف ۱۸ واتی، خروجی در حد پردازشگر گرافیکی مجتمع اینتل Arc B390 و بهتر از کوالکام Adreno ثبت می‌کند. اگر گیمر باشید یا کار رندرینگ انجام دهید، در بازی‌هایی مثل Cyberpunk 2077 یا Baldur’s Gate 3 این تفاوت را به خوبی حس خواهید کرد. 

ارتقای چشمگیر موتور عصبی

در بخش هوش مصنوعی، اپل موتور عصبی تراشه را دو چندان تقویت کرده؛ نه به شکل یک بلوک بزرگ ۳۲ هسته‌ای، بلکه در قالب دو واحد مجزای ۱۶ هسته‌ای که هرکدام حافظه کَش خود را دارند و زیر چتر یک واحد کنترل مرکزی فعالیت می‌کنند.

طبق اعلام اپل M6 در مک‌بوک پرو ۱۴ اینچی می‌تواند وظایف هوش مصنوعی روی دستگاه را تا ۲۵ درصد سریع‌تر از M5 انجام دهد. این شرکت همچنین برای موتور عصبی دوگانه خود، عملکردی تا ۱٫۹ برابر سریع‌تر نسبت به M5 اعلام کرده است.

این ادعا با نتایج تست‌های عملی همخوانی دارد. در آزمون‌های استنتاج مدل‌های هوش مصنوعی کوانتیزه‌شده، این ترکیب ۳۵ درصد سریع‌تر از M5 و حتی ۲۰ درصد پرسرعت‌تر از تراشه M5 Pro ظاهر می‌شود.

با این همه هوش مصنوعی بازیگر سیری‌ناپذیری است که تشنه‌ داده و حافظه است. محدود بودن رم به ۳۲ گیگابایت و  باس حافظه محدود به روشنی نشان می‌دهد که اپل این تراشه را برای اجرای روان و محلی ابزارهای دم‌دستی هوش مصنوعی طراحی کرده و پردازش مدل‌های کلان و سنگین را آگاهانه برای نسخه‌های پرو و مکس کنار گذاشته است.

گلوگاه پهنای باند حافظه

تا اینجای کار با روایتی هیجان‌انگیز روبه‌رو بودیم؛ اما محافظه‌کاری اپل در پهنای باند حافظه باعث شده خروجی کمی لنگ بزند. هیچ‌کس نمی‌داند وقتی تراشه‌ای با هسته‌های پردازشی بیشتر، گرافیک تقویت‌شده و موتور پردازش عصبی دوگانه ساخته شده، چرا باید همه این اجزای تازه‌نفس داده‌های خود را از یک مسیر بسیار باریک منتقل کنند؟

این مسیر باریک همان باس حافظه ۱۲۸ بیتی قدیمی است که از اولین نسل M1 در سال ۲۰۲۰ دست‌نخورده باقی مانده. در نسخه‌های ۲۴ و ۳۲ گیگابایتی به لطف حافظه‌های سریع‌تر، حداکثر پهنای باند به ۱۷۰ گیگابایت بر ثانیه می‌رسد؛ اما در نسخه ۱۶ گیگابایتی این رقم از ۱۵۳ گیگابایت بر ثانیه فراتر نمی‌رود؛ یعنی دقیقاً برابر با نسل M5.

در عمل وقتی پردازنده، گرافیک ۱۲ هسته‌ای و موتور عصبی بخواهند همزمان از این شاهراه مشترک تغذیه کنند، سیستم پشت درگاه حافظه معطل می‌ماند. این مسئله موقع اجرای مدل‌های هوش مصنوعی یا خروجی گرفتن از تایم‌لاین‌های چندلایه ویدیویی، نقش سرعت‌گیر را بازی می‌کند. 

اگر اپل باس حافظه را مانند آیفون بهبود می‌داد و آن را به ۱۹۲ یا ۲۵۶ بیت می‌رساند، پهنای باند با اعدادی مثل ۲۵۵ یا ۳۴۱ گیگابایت بر ثانیه پرواز می‌کرد و پتانسیل خفته این سیلیکون آزاد می‌شد.

اپل با این سیاست، مرزبندی سفت‌وسختی بین چیپ‌های اقتصادی و نسخه‌های گران‌قیمت پرو و مکس کشیده تا خریداران حرفه‌ای چاره‌ای جز پرداخت هزینه بیشتر برای تراشه قوی‌تر نداشته باشند.

آیا خرید دستگاه مجهز به M6 ارزش دارد؟

بعضی تحلیلگران می‌گویند پرونده نسل ششم اپل شاید با همین یک تراشه بسته شود؛ به این معنی که خبری از نسخه‌های M6 Pro یا M6 Max نباشد و  اپل سال بعد یک‌راست سراغ تراشه M7 برود. تنها دلیل این شتاب‌زدگی، همین گره کور حافظه است. تراشه‌های پرچمدار آیفون با عریض‌تر کردن رابط گذرگاه نشان دادند باز کردن این مسیر چه جهش عظیمی در کارایی رقم می‌زند. 

برای کاربر ایرانی که ناچار است با در نظر گرفتن نوسانات قیمت ارز و نبود گارانتی رسمی دست به انتخاب بزند، ماجرا رنگ و بوی حساب‌وکتاب اقتصادی دقیقی به خود می‌گیرد.

• اگر از مک نسل M1 یا M2 استفاده می‌کنید: کوچ کردن به مک‌بوک پرو با تراشه M6 یک پرش نسلی چشمگیر است. در پردازش تک‌هسته‌ای و امور گرافیکی، تا ۳ برابر قدرت بیشتری دریافت می‌کنید و مصرف باتری و حرارت تولیدی دستگاه تفاوت فاحشی خواهد داشت.
• اگر دستگاهی با تراشه M4 یا M5 دارید: برای ارتقا به M6 عجله‌ای نداشته باشید. با وجود معماری ۲ نانومتری و ترانزیستورهای جدید؛ گلوگاه حافظه باعث می‌شود در استفاده روزمره و پروژه‌های کاری، خبری از آن تغییر شگرف نباشد که انتظارش را دارید. 

جمع‌بندی؛ جهش واقعی با محدودیت قابل‌توجه

اپل با معماری ۲ نانومتری M6 و چینش هوشمندانه پردازنده در کنار گرافیک ۱۲ هسته‌ای و موتور عصبی دوگانه، فراتر از یک ارتقای معمولی ظاهر شده و استانداردهای تازه‌ای برای سری M رقم زده است. نتایج تست‌های مستقل هم گواهی می‌دهند که این سیلیکون تازه‌نفس در سرعت تک‌هسته‌ای، پردازش‌های سنگین و توان گرافیکی یک غول تمام‌عیار است؛ تراشه‌ای که در بسیاری از میدان‌ها رقبا را به چالش می‌کشد و عقب می‌راند.

اما در پس این عملکرد درخشان، یک پاشنه‌آشیل مهم خودنمایی می‌کند: محدودیت پهنای باند و سقف ۳۲ گیگابایتی حافظه یکپارچه. این سقف شاید در کارهای روزمره یا ویرایش‌های سبک به چشم نیاید، اما در پروژه‌های سنگینی که نیازمند جریان مداوم داده در حافظه هستند، نقش سرعت‌گیر را بازی می‌کند.

در نهایت M6 نه یک هیولای بی‌رقیب؛ بلکه پردازنده‌ای قدرتمند با یک توازن فنی حساب‌شده است. بنابراین اگر هنوز از مک‌های چند نسل قبل استفاده می‌کنید، جهش به M6 تغییر لذت‌بخش و محسوسی برایتان خواهد بود. اما اگر مک‌بوک M4 یا M5 همچنان کارتان را روان و بی‌دردسر پیش می‌برد، تسلیم تب‌وتاب بنچمارک‌ها نشوید.