Como a “memória unificada” acelera os Macs M1 ARM da Apple

A Apple está repensando como os componentes devem existir e operar dentro de um laptop. Com chips M1 em novos Macs, a Apple tem uma nova “Arquitetura de Memória Unificada” (UMA) que acelera drasticamente o desempenho da memória. Veja como funciona a memória no Apple Silicon.

Como a Apple Silicon lida com RAM

Caso você ainda não tenha ouvido a notícia, a Apple anunciou uma nova gama de Macs em novembro de 2020. Os novos modelos MacBook Air, MacBook Pro e Mac Mini estão usando um processador baseado em ARM projetado pela Apple, chamado M1 . Essa mudança era há muito esperada e é o culminar da década da Apple no projeto de processadores baseados em ARM para o iPhone e iPad.

O M1 é um sistema em um chip (SoC), o que significa que não há apenas uma CPU dentro do processador, mas também outros componentes importantes, incluindo a GPU, controladores de I / O, o mecanismo neural da Apple para tarefas de IA e, o mais importante para nossos propósitos, a RAM física faz parte desse mesmo pacote. Para ser claro, a RAM não está no mesmo silício que as partes fundamentais do SoC. Em vez disso, ele fica de lado, conforme ilustrado acima.

Adicionar RAM ao SoC não é nenhuma novidade. Os SoCs de smartphone podem incluir RAM, e a decisão da Apple de colocar os módulos de RAM de lado é algo que vimos da empresa desde pelo menos 2018. Se você olhar para esta desmontagem do iFixit para o iPad Pro 11, você pode ver o RAM sentada ao lado do processador A12X.

A diferença agora é que essa abordagem também está chegando ao Mac, um computador completo projetado para cargas de trabalho mais pesadas.

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O básico: o que são RAM e memória?

RAM significa memória de acesso aleatório. É o principal componente da memória do sistema, que é um espaço de armazenamento temporário para dados que seu computador está usando agora. Isso pode ser qualquer coisa, desde arquivos necessários para executar o sistema operacional até uma planilha que você está editando no momento e o conteúdo das guias abertas do navegador.

Quando você decide abrir um arquivo de texto, sua CPU recebe essas instruções e também qual programa usar. A CPU então pega todos os dados de que precisa para essas operações e carrega as informações necessárias na memória. Em seguida, a CPU gerencia as alterações feitas no arquivo acessando e manipulando o que está na memória.

Normalmente, a RAM existe na forma desses bastões longos e finos que se encaixam em slots especializados em seu laptop ou placa-mãe de desktop, como mostrado acima. A RAM também pode ser um módulo quadrado ou retangular simples que é soldado na placa-mãe . De qualquer forma, a RAM para PCs e Macs tem sido tradicionalmente um componente discreto com seu próprio espaço na placa-mãe.

M1 RAM: o companheiro de quarto discreto

Portanto, os módulos físicos de RAM ainda são entidades separadas, mas estão no mesmo substrato verde do processador. “Grande grito”, ouço você dizer. “Qual é o problema?” Bem, em primeiro lugar, isso significa acesso mais rápido à memória, o que inevitavelmente melhora o desempenho. Além disso, a Apple está ajustando como a memória é usada no sistema.

A Apple chama sua abordagem de “Arquitetura de Memória Unificada” (UMA). A ideia básica é que a RAM do M1 é um único pool de memória que todas as partes do processador podem acessar. Primeiro, isso significa que se a GPU precisa de mais memória do sistema, ela pode aumentar o uso enquanto outras partes do SoC diminuem. Melhor ainda, não há necessidade de separar porções de memória para cada parte do SoC e, em seguida, transportar dados entre os dois espaços para diferentes partes do processador. Em vez disso, a GPU, CPU e outras partes do processador podem acessar os mesmos dados no mesmo endereço de memória.

Para ver por que isso é importante, imagine os traços gerais de como um videogame funciona. A CPU primeiro recebe todas as instruções do jogo e depois transfere os dados de que a GPU precisa para a placa de vídeo. A placa gráfica então pega todos esses dados e trabalha neles dentro de seu próprio processador (a GPU) e RAM embutida.

Mesmo se você tiver um processador com gráficos integrados, a GPU normalmente mantém seu próprio pedaço de memória, assim como o processador. Ambos trabalham com os mesmos dados de forma independente e, em seguida, transferem os resultados para frente e para trás entre seus feudos de memória. Se você abandonar a necessidade de mover os dados para frente e para trás, é fácil ver como manter tudo no mesmo arquivo virtual pode melhorar o desempenho.

Por exemplo, aqui está como a Apple descreve sua arquitetura de memória unificada no site oficial M1 :

“M1 também apresenta nossa arquitetura de memória unificada, ou UMA. M1 unifica sua memória de alta largura de banda e baixa latência em um único pool dentro de um pacote personalizado. Como resultado, todas as tecnologias no SoC podem acessar os mesmos dados sem copiá-los entre vários pools de memória. Isso melhora drasticamente o desempenho e a eficiência energética. Os aplicativos de vídeo são mais ágeis. Os jogos são mais ricos e detalhados. O processamento de imagens é extremamente rápido. E todo o seu sistema é mais responsivo. ”

E não é só que todos os componentes podem acessar a mesma memória no mesmo lugar. Como Chris Mellor aponta no The Register , a Apple está usando memória de alta largura de banda aqui. A memória está mais próxima da CPU (e de outros componentes) e é mais rápido de acessar do que seria para acessar um chip RAM tradicional conectado a uma placa-mãe através de uma interface de soquete.

Apple não é a primeira empresa a experimentar a memória unificada

A Apple não é a primeira empresa a abordar esse problema. Por exemplo, a NVIDIA começou a oferecer aos desenvolvedores uma solução de hardware e software chamada Memória Unificada há cerca de seis anos.

Para NVIDIA, a memória unificada fornece um único local de memória que é “acessível de qualquer processador em um sistema”. No mundo da NVIDIA, no que diz respeito à CPU e GPU, eles estão indo para o mesmo local pelos mesmos dados. No entanto, nos bastidores, o sistema está paginando os dados necessários entre CPU e memória GPU separadas.

Pelo que sabemos, a Apple não está adotando uma abordagem usando técnicas de bastidores. Em vez disso, cada parte do SoC é capaz de acessar o mesmo local exato para os dados na memória.

O resultado final com UMA da Apple é um melhor desempenho de acesso mais rápido à RAM e um pool de memória compartilhada que remove as penalidades de desempenho para mover dados para endereços diferentes.

Quanta RAM você precisa?

A solução da Apple não é só luz do sol e felicidade. Como o M1 tem os módulos de RAM profundamente integrados, você não pode atualizá-lo após a compra. Se você escolher um MacBook Air de 8 GB, não há como aumentar a RAM desse dispositivo posteriormente. Para ser justo, a atualização da RAM não é algo que você possa fazer em um MacBook há algum tempo. Era algo que os Mac Minis anteriores podiam fazer, mas não as novas versões do M1.

Os primeiros M1 Macs chegam a 16 GB – você pode obter um M1 Mac com 8 GB ou 16 GB de memória, mas não pode obter mais do que isso. Não é mais apenas uma questão de inserir um módulo de RAM em um slot.

Então, de quanta RAM você precisa? Quando falamos sobre PCs com Windows, o conselho geral é que 8 GB é mais do que suficiente para tarefas básicas de computação. Os jogadores são aconselhados a aumentar para 16 GB, e a atividade “prosumer” provavelmente precisa dobrar novamente para tarefas como edição de arquivos de vídeo grandes e de alta resolução.

Da mesma forma, com M1 Macs, o modelo básico com 8 GB deve ser suficiente para a maioria das pessoas. Na verdade, pode abranger até os usos mais graves do dia-a-dia. É difícil dizer, porém, já que a maioria dos benchmarks que vimos levam o M1 à tarefa em benchmarks sintéticos que impulsionam a CPU ou GPU.

O que realmente importa é o quão bem um Mac M1 consegue manter vários programas e várias guias do navegador abertas ao mesmo tempo. Isso não apenas testa o hardware, veja bem, pois as otimizações de software podem percorrer um longo caminho para melhorar esse tipo de desempenho, e é por isso que tem havido tanto foco em benchmarks que podem realmente empurrar o hardware. No entanto, no final, adivinharíamos que a maioria das pessoas quer apenas ver como os novos Macs lidam com o uso do “mundo real”.

Stephen Hall na 9to5 Mac viu resultados impressionantes com um M1 MacBook Air com 8 GB de RAM. Para fazer o laptop começar a falhar, ele teve que ter uma janela do Safari aberta com 24 guias do site, outras seis janelas do Safari reproduzindo vídeo 2160p e o Spotify funcionando em segundo plano. Ele também fez uma captura de tela. “Só então o computador finalmente parou”, disse Hall.

No TechCrunch, Matthew Panazarino foi ainda mais longe com um MacBook Pro M1 com 16 GB de RAM. Ele abriu 400 guias no Safari (além de alguns outros programas abertos) e funcionou perfeitamente, sem problemas. Curiosamente, ele tentou o mesmo experimento com o Chrome, mas o Chrome falhou. Mas, disse ele, o resto do sistema continuou funcionando bem, apesar dos problemas com o navegador do Google. Na verdade, durante seus testes, ele até notou o laptop usando o espaço de troca em um ponto, sem queda perceptível no desempenho.

Quando o seu PC fica sem RAM, ele cria SSD disponível ou armazenamento no disco rígido como um pool temporário de memória. Isso pode trair uma desaceleração perceptível no desempenho, embora não com M1 Macs, ao que parece.

Estas são apenas experiências casuais do dia a dia, não testes formais. Ainda assim, eles provavelmente representam o que esperar do uso intenso no dia-a-dia e, dada a abordagem ajustada da memória, 8 GB de RAM devem ser suficientes para a maioria das pessoas que não estão abrindo centenas de guias do navegador.

No entanto, se você estiver editando imagens grandes de vários gigabytes ou arquivos de vídeo enquanto também navega em algumas dezenas de guias e faz streaming de um filme em segundo plano em um monitor externo, talvez escolher o modelo de 16 GB seja a melhor escolha.

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Esta não é a primeira vez que a Apple repensou seus sistemas Mac e mudou para uma nova arquitetura .