【一文看懂】台積電3奈米加持!蘋果首款AI晶片「M4」到底有多強

2024-05-12 07:10 / 作者 戴嘉芬
M4是一款SoC系統單晶片,是蘋果第一款專為AI打造的晶片。取自Apple
美商蘋果本周發表新款 iPad Air 與 iPad Pro,兩款皆有11吋、13吋螢幕機型可選,iPad Air 配備 M2 晶片;iPad Pro 則採用最頂尖的串聯式OLED技術,打造出全新Ultra Retina XDR顯示器。iPad Pro 並搭載甫問世的 M4 晶片,這是蘋果史上最先進的晶片,而且是蘋果第一款專為 AI 打造的晶片,採用台積電第二代3奈米(N3E)製程。本文整理 M4 晶片重點一次看。

Q:蘋果為何不把M3放進iPad Pro?而讓它跳一級,直接躍升至M4!
A:考量到 iPad Pro 超輕薄設計,以及顛覆性的AMOLED顯示幕,性能也有極大幅度提升,因此直接跳過M3,讓新一代 iPad Pro 採用最新M4晶片。

Q:M4晶片由多少電晶體組成?它採用哪一家晶片製造商的先進製程?
A:M4是一款全新SoC系統單晶片,以280億顆電晶體組成,採用台積電第二代3奈米(N3E)製程工藝打造。

Q:M4晶片構造包含哪些先進技術?
A:M4包含全新顯示引擎、10核心CPU、10核心GPU以及NPU神經網路引擎。分別如下所述:

首先,M4擁有全新顯示引擎(Display engine),為Ultra Retina XDR顯示幕帶來精準的色彩和亮度。

M4具備全新顯示器引擎,為Ultra Retina XDR帶來精準的色彩及明暗均勻度。取自Apple

其次,M4搭載10核心CPU,包含4顆效能核心及6顆節能核心處理器,皆配置新一代機器學習ML加速器,相較M2處理器運算速度提升50%。

與M2相比,M4處理器CPU效能最多快了1.5倍。取自Apple

第三,M4還具備10核心GPU架構,這是基於M3搭載的新一代繪圖處理架構打造而成,讓它能處理動態快取功能、且將區域記憶體動態分配於硬體中,大幅提升GPU的平均利用率,此為蘋果的創新之舉。M4晶片同時把硬體加速光線追蹤功能首度帶到 iPad上,能在遊戲中呈現更真實的陰影和反射效果。相較上一代 iPad Pro,它的GPU速度比M2提升4倍。

M4晶片擁有高達10核心的GPU,使其執行專業級算圖的速度比M2快了四倍。取自Apple

Q:M4如何傲視市面上所有 AI PC?
A:M4配備蘋果有史以來最強大的NPU神經網絡引擎,採16核設計,專為各種 AI 任務進行加速,運算速度達到每秒38兆次,比蘋果初代搭載神經網絡引擎的 A11仿生晶片快上60倍。

M4具備蘋果史上最強大的NPU神經網路引擎,可執行每秒38兆次運算。取自Apple

神經網絡引擎搭配CPU機器學習加速、GPU運算能力以及高頻寬記憶體,讓M4晶片成為一款能勝任所有 AI 任務的超強晶片。蘋果平台架構副總裁Tim Millet說,目前晶片設計業才剛打算把NPU加入運算行列中;而M4能使iPad Pro性能強到足以傲視市面上任一款 AI PC。

Q:M4晶片能耗表現如何?

A:蘋果平台架構副總裁Tim Millet強調,在提升性能的同時,M4依舊保持能耗比例,僅用一半功耗,就能提供與M2相同的性能,正適合 iPad Pro 超輕薄設計。再與市面上輕薄筆電的晶片相比,M4僅需它們四分之一的功耗,就能提供相同性能。出色的能效表現可見一斑。

Q:M4能讓 iPad Pro 執行哪些 AI 功能?
A:這些AI功能包括產生「即時語音字幕」,以及可以辨識影片和照片中物體的「圖像查詢」等。若是在 iPad Pro 使用影片剪輯軟體 Final Cut Pro,僅需輕點螢幕,即可從4K影片中,把想要編輯的主體從背景分離出來;或是使用《StaffPad》軟體自動生成即時樂譜。

M4大幅提升專業繪圖效能,比搭載M2的iPad Pro快了四倍。取自Apple

Q:採用台積電3奈米的蘋果產品還有哪些?
A:蘋果M3、M3 Pro、M3 Max系列晶片採用台積電3奈米(N3B)製程。用於Macbook Pro、Macbook Air筆電,以及iMac桌上型電腦。

蘋果另一款A17 Pro晶片採用台積電3奈米(N3B)製程,是全球首款量產的3奈米製程晶片;用於2023年第四季上市的蘋果手機iPhone 15 Pro Max和iPhone 15 Pro。

Q:台積電3奈米家族製程技術有哪些?
A:台積電在2022年第四季推出N3(3奈米)製程,2023年正式進入量產,3奈米在去年下半年已佔全年晶圓銷售金額6%;今年則是3奈米量產第二年。3奈米家族包括此次蘋果M4晶片採用的N3E製程,以及密度性能更高的N3P、針對高性能運算的N3X,以及針對車用客戶推出的N3AE。

台積電將於今年下半年量產N3P製程;3奈米家族N3X、N3A則分別於2025年、2026年量產。取自TSMC

N3E:台積電去年第四季推出相較於N3性能顯著增強的N3E(3奈米升級版),具有更好的效能、功耗和良率。與N5(5奈米)相比,N3E在相同功耗下速度加快18%,在相同速度下功耗降低32%,邏輯密度提升約60%、晶片密度提升約30%,為HPC和智慧型手機應用提供完整的支持平台。

N3P:在保持與N3E設計規則相容性的同時,提供額外的效能和面積優勢,以最大程度地實現IP重複使用。N3P預計於2024年下半年開始量產,客戶可以在相同漏電下,速度增快5%;在相同速度下,功耗降低5~10%,以及與N3E相比晶片密度增加4%。

N3X:專為HPC應用所設計,提供額外的最大震盪頻率以在適度的漏電平衡下提高驅動效能,相較N3P,N3X在驅動電壓1.2伏特下,速度增快5%,並擁有相同的晶片密度提升幅度。N3X預計於2025年進入量產。

N3AE/N3A:讓車用IC客戶能提早採用3奈米技術來設計相關應用,並於2025年及時採用已全面通過汽車製程驗證的N3A製程,是全球最先進的汽車邏輯製程技術,N3A將於2026年完成認證並量產。

台積電4月下旬在北美技術論壇分享製程技術藍圖,2025年之後研究重心將放在2奈米以下先進製程。取自TSMC

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