في عام 2020 ، قامت شركة Apple بخطوة جريئة ؛ لقد تخلوا عن شركة Intel وتحولوا إلى السيليكون الخاص بهم لتشغيل أجهزة MacBook الخاصة بهم. على الرغم من أن الانتقال إلى بنية ARM من لغة تصميم x86 أثار العديد من الدهشة ، إلا أن شركة Apple أثبت أن الجميع على خطأ عندما قدمت أجهزة MacBooks التي تعمل بواسطة Apple silicon أداءً مذهلاً لكل شخص واط.
وفقًا للعديد من الخبراء ، كان التحول إلى بنية ARM سببًا كبيرًا لزيادة الأداء / واط. ومع ذلك ، لعبت بنية الذاكرة الموحدة الجديدة أيضًا دورًا مهمًا في تحسين أداء الجيل الجديد من أجهزة MacBooks.
إذن ، ما هي بنية الذاكرة الموحدة من Apple ، وكيف تعمل؟ حسنًا ، دعنا نكتشف ذلك.
لماذا يحتاج جهاز الكمبيوتر الخاص بك إلى ذاكرة؟
قبل الدخول في هندسة الذاكرة الموحدة من Apple ، من الضروري فهم سبب الحاجة إلى أنظمة التخزين الأساسية مثل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) في المقام الأول.
كما ترى ، يعمل المعالج التقليدي بسرعة ساعة تبلغ 4 جيجاهرتز خلال ملف دفعة توربو. بهذه السرعة على مدار الساعة ، يمكن للمعالج أداء المهام في ربع نانوثانية. ومع ذلك ، فإن محركات أقراص التخزين ، مثل محركات الأقراص الثابتة ومحركات الأقراص الثابتة ، يمكنها فقط توفير البيانات إلى وحدة المعالجة المركزية كل عشرة مللي ثانية - أي 10 ملايين نانوثانية. هذا يعني أنه في الوقت بين انتهاء وحدة المعالجة المركزية من معالجة البيانات التي تعمل عليها وتلقي الدفعة التالية من المعلومات ، تكون في وضع الخمول.
يوضح هذا بوضوح أن محركات أقراص التخزين لا يمكنها مواكبة سرعة المعالج. تحل أجهزة الكمبيوتر هذه المشكلة باستخدام أنظمة التخزين الأساسية مثل ذاكرة الوصول العشوائي. على الرغم من أن نظام الذاكرة هذا لا يمكنه تخزين البيانات بشكل دائم ، إلا أنه أسرع بكثير عند مقارنته بمحركات الأقراص ذات الحالة الثابتة - يمكنه إرسال البيانات في أقل من 8.8 نانوثانية: أسرع بلا حدود من أسرع محركات أقراص الحالة الثابتة في الوقت الحالي.
يتيح وقت الوصول المنخفض هذا لوحدة المعالجة المركزية تلقي البيانات بشكل أسرع ، مما يسمح لها بالتحليل المستمر للمعلومات بدلاً من انتظار SSD لإرسال دفعة أخرى للمعالجة.
نظرًا لهندسة التصميم هذه ، يتم نقل البرامج الموجودة في محركات أقراص التخزين إلى ذاكرة الوصول العشوائي ثم الوصول إليها بواسطة وحدة المعالجة المركزية من خلال سجلات وحدة المعالجة المركزية. لذلك ، يعمل نظام التخزين الأساسي الأسرع على تحسين أداء الكمبيوتر ، وهذا هو بالضبط ما تفعله Apple من خلال بنية الذاكرة الموحدة.
فهم كيفية عمل أنظمة الذاكرة التقليدية
الآن بعد أن عرفنا سبب الحاجة إلى ذاكرة الوصول العشوائي ، نحتاج إلى فهم كيفية استخدام وحدة معالجة الرسومات (GPU) ووحدة المعالجة المركزية (CPU) لها. على الرغم من أن كلاً من وحدة معالجة الرسومات (GPU) ووحدة المعالجة المركزية (CPU) مصممان لمعالجة البيانات ، إلا أن وحدة المعالجة المركزية مصممة لإجراء عمليات حسابية للأغراض العامة. على العكس من ذلك ، تم تصميم وحدة معالجة الرسومات لأداء نفس المهمة على نوى مختلفة. نظرًا لهذا الاختلاف في التصميم ، فإن وحدة معالجة الرسومات عالية الكفاءة في معالجة الصور وعرضها.
على الرغم من أن وحدة المعالجة المركزية (CPU) ووحدة معالجة الرسومات (GPU) لهما بنيات مختلفة ، إلا أنهما يعتمدان على أنظمة التخزين الأساسية للحصول على البيانات. هناك نوعان من ذكريات الوصول العشوائي على نظام تقليدي مزود بوحدة معالجة رسومات مخصصة. هذا هو VRAM وذاكرة الوصول العشوائي للنظام. تُعرف VRAM أيضًا باسم Video RAM ، وهي مسؤولة عن إرسال البيانات إلى وحدة معالجة الرسومات ، وتنقل ذاكرة الوصول العشوائي للنظام البيانات إلى وحدة المعالجة المركزية.
ولكن لفهم أنظمة إدارة الذاكرة بشكل أفضل ، دعنا نلقي نظرة على مثال واقعي عن لعبك للعبة.
عند فتح اللعبة ، تظهر وحدة المعالجة المركزية في الصورة ، ويتم نقل بيانات البرنامج الخاصة باللعبة إلى ذاكرة الوصول العشوائي للنظام. بعد ذلك ، تقوم وحدة المعالجة المركزية بمعالجة البيانات وإرسالها إلى VRAM. تقوم وحدة معالجة الرسومات بعد ذلك بمعالجة هذه البيانات وإرسالها مرة أخرى إلى ذاكرة الوصول العشوائي حتى تعرض وحدة المعالجة المركزية المعلومات على الشاشة. في حالة وجود نظام GPU متكامل ، يشترك كلا الجهازين في نفس ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ولكنهما يصلان إلى مساحات مختلفة في الذاكرة.
يتضمن هذا النهج التقليدي الكثير من حركة البيانات مما يجعل النظام غير فعال. لحل هذه المشكلة ، تستخدم Apple هندسة الذاكرة الموحدة.
كيف تعمل بنية الذاكرة الموحدة في Apple Silicon؟
تقوم Apple بالعديد من الأشياء بشكل مختلف عندما يتعلق الأمر بأنظمة الذاكرة.
في حالة الأنظمة العامة ، يتم توصيل ذاكرة الوصول العشوائي بوحدة المعالجة المركزية باستخدام مقبس على اللوحة الأم. يؤدي هذا الاتصال إلى اختناق كمية البيانات المرسلة إلى وحدة المعالجة المركزية.
من ناحية أخرى، التفاح السيليكون يستخدم نفس الركيزة لتركيب ذاكرة الوصول العشوائي و SoC. على الرغم من أن ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ليست جزءًا من SoC في مثل هذه البنية ، إلا أن Apple تستخدم ركيزة interposer (Fabric) لتوصيل ذاكرة الوصول العشوائي بـ SoC. المتدخل ليس سوى طبقة من السيليكون بين SOC وذاكرة الوصول العشوائي.
مقارنةً بالمآخذ التقليدية ، التي تعتمد على الأسلاك لنقل البيانات ، يسمح المتداخل لذاكرة الوصول العشوائي بالاتصال بمجموعة الشرائح باستخدام فتحات السيليكون. هذا يعني أن أجهزة MacBooks التي تعمل بالسيليكون من Apple تحتوي على ذاكرة الوصول العشوائي الخاصة بها مخبوزة في العبوة مباشرة ، مما يجعل نقل البيانات بين الذاكرة والمعالج أسرع. تعد ذاكرة الوصول العشوائي أيضًا أقرب ماديًا إلى المكان المطلوب للبيانات (المعالجات) ، مما يسمح للبيانات بالوصول إلى المكان المطلوب في وقت أقرب.
نظرًا لهذا الاختلاف في توصيل ذاكرة الوصول العشوائي بمجموعة الشرائح ، يمكنها الوصول إلى نطاقات بيانات عالية.
بالإضافة إلى الاختلاف المذكور أعلاه ، غيرت Apple أيضًا كيفية وصول وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات إلى نظام الذاكرة.
كما أوضحنا سابقًا ، تحتوي وحدة معالجة الرسومات (GPU) ووحدة المعالجة المركزية (CPU) على تجمعات ذاكرة مختلفة في الإعدادات التقليدية. على العكس من ذلك ، تسمح Apple لوحدة معالجة الرسومات ووحدة المعالجة المركزية والمحرك العصبي بالوصول إلى تجمع الذاكرة نفسه. نتيجة لذلك ، لا يلزم نقل البيانات من نظام ذاكرة إلى آخر ، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة النظام.
نظرًا لكل هذه الاختلافات في بنية الذاكرة ، يوفر نظام الذاكرة الموحدة نطاقًا تردديًا عاليًا للبيانات إلى SoC. في الواقع ، يوفر M1 Ultra عرض نطاق ترددي يبلغ 800 جيجابايت / ثانية. هذا النطاق الترددي أكبر بكثير عند مقارنته بوحدات معالجة الرسومات عالية الأداء مثل AMD Radeon RX 6800 و 6800XT، والتي تقدم عرض نطاق ترددي يصل إلى 512 جيجابايت / ثانية.
يتيح هذا النطاق الترددي العالي لوحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات والمحرك العصبي الوصول إلى مجموعات بيانات ضخمة في ثوانٍ. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم Apple وحدات ذاكرة الوصول العشوائي LPDDR5 التي تم تسجيلها بسرعة 6400 ميجاهرتز في سلسلة M2 لتوفير البيانات بسرعات مذهلة.
ما مقدار الذاكرة الموحدة التي تحتاجها؟
الآن بعد أن أصبح لدينا فهم أساسي لبنية الذاكرة الموحدة ، يمكننا النظر إلى المقدار الذي تحتاجه منها.
على الرغم من أن بنية الذاكرة الموحدة توفر العديد من المزايا ، إلا أنها لا تزال بها بعض العيوب. أولاً ، ذاكرة الوصول العشوائي متصلة بـ SoC ، لذلك لا يمكن للمستخدمين ترقية ذاكرة الوصول العشوائي على نظامهم. علاوة على ذلك ، تصل وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات والمحرك العصبي إلى نفس تجمع الذاكرة. نتيجة لهذا ، فإن مقدار الذاكرة المطلوبة من قبل النظام يزيد بشكل كبير.
لذلك ، إذا كنت شخصًا يتصفح الإنترنت ويستخدم عددًا هائلاً من معالجات النصوص ، فستكون سعة 8 جيجابايت من الذاكرة كافية لك. ولكن إذا كنت تستخدم برامج Adobe Creative Cloud في كثير من الأحيان ، فإن الحصول على متغير 16 جيجابايت يعد خيارًا أفضل حيث ستتمتع بتجربة أكثر سلاسة في تحرير الصور ومقاطع الفيديو والرسومات على جهازك.
يجب أن تفكر أيضًا في M1 Ultra بسعة 128 جيجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي إذا كنت تدرب العديد من نماذج التعلم العميق أو تعمل على جداول زمنية للفيديو مع الكثير من الطبقات ولقطات 4K.
هل بنية الذاكرة الموحدة كلها من أجل الخير؟
تقوم بنية الذاكرة الموحدة على Apple silicon بإجراء العديد من التغييرات على أنظمة الذاكرة على جهاز الكمبيوتر. من تغيير كيفية توصيل ذاكرة الوصول العشوائي بالوحدات الحسابية إلى إعادة تعريف بنية الذاكرة ، تعمل Apple على تغيير كيفية تصميم أنظمة الذاكرة لتحسين كفاءة أنظمتها.
ومع ذلك ، فإن البنية الجديدة تخلق حالة سباق بين وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات والمحرك العصبي ، مما يزيد من كمية ذاكرة الوصول العشوائي التي يحتاجها النظام.
