2024年初，蘋果推出了M4處理器，令人意外的是，它的發布距離M3發布僅僅過去了半年時間。更讓人驚訝的是，M4首次亮相于iPad Pro。這一新處理器不僅僅是M3的簡單升級版本，而是一次全面的架構優化。本文將詳細分析M4處理器的架構、性能和能效，探討其在未來Mac和iPhone上的潛力。

M4芯片簡介

工藝與架構

M4處理器采用臺積電的第二代3nm工藝（N3E），成為首款使用N3E工藝的處理器。相比M3使用的N3B工藝，N3E理論上能提供更高的性能上限。蘋果在發布會上提到，M4的CPU部分再次提升了大核架構。這次的改進不僅是M3的簡單改良，而是對微架構進行了進一步優化。

性能與頻率

M4在被動冷卻設備中的峰值頻率達到了4.5GHz，這對于iPad來說是前所未有的。小核的頻率也達到了2.88GHz，與英特爾當前一代Core Ultra 5的水平相當。GPU方面，M4基本上是M3 GPU的優化版，頻率從1.34GHz提升至1.47GHz。NPU（神經處理單元）部分，蘋果首次在發布會上大量提及“AI”，并聲稱其NPU性能優于市場上所有的“AIPC”。

M4還采用了頻率更高的LPDDR5-7500內存，而非預期的LPDDR5X內存，可能是為了降低延遲。內存帶寬對于NPU和GPU都至關重要，這一提升為AI應用提供了更好的支持。

CPU微架構分析

前端與后端改進

M4的大核相比M3有顯著提升。其解碼單元寬度從M3的9擴大到10，這意味著每個時鐘周期可以解碼更多指令。前端解碼單元的擴大通常對應著更強的后端處理能力，M4的新架構顯著增加了Dispatch Buffer和浮點單元的調度隊列，提高了內核的并行性。

SME單元的引入

M4引入了SME單元，相當于ARM版本的AVX512，P核和E核簇各有一個SME單元，共享L2緩存。支持SME的程序在性能上將有大幅提升。這一改進主要是為了加速未來的AI應用。

內存與緩存性能

M4的內存延遲顯著低于M3，從約96ns降低到88ns，主要得益于LPDDR5-7500內存的使用。小核部分，M4仍采用A17 Pro和M3的小核微架構，但頻率更高。

性能測試

SPEC2017測試

在SPEC2017測試中，M4的大核峰值性能相比M3提高了近20%。然而，這種性能提升也帶來了顯著更高的功耗，峰值功耗比M3高出60%。在常溫下，M4的頻率策略會更保守，單線程頻率為4.4GHz，多線程頻率為3.94GHz。這種頻率策略類似于Intel和AMD的PC處理器。

GeekBench測試

在GeekBench 6.3中，M4的表現顯著提升，增加SME支持后，M4的跑分大幅提高。在GeekBench 5中，M4的單核性能比M3高17%，多核性能比M3高25%。與M2相比，M4的單核和多核性能分別提高了近50%。

能效分析

同頻能效方面，M4的大核在高頻能效上沒有顯著改善，但在低頻能效上有小幅提升。總體來看，M4在性能上的提升主要得益于架構改進，而非工藝優化。

游戲性能

我們測試了M4在《原神》和《崩壞：星穹鐵道》中的表現。在高分辨率下，M4的iPad Pro能以60fps穩定運行，但在解鎖120fps后，幀率有所下降。M4的GPU頻率提升了10%，帶來了相應的性能提升，但能效改善不大。

電池續航

在300nit屏幕亮度下，M4 iPad Pro的電池續航相比上一代有顯著提升，特別是13英寸版本的續航幾乎翻倍。這主要得益于新一代OLED屏幕顯著降低了整機功耗。

總結

M4在性能上有顯著提升，但能效改善有限，表明半導體工藝的進步可能快到頭了。未來，我們需要更多的架構改進來繼續提升性能和能效。總體來看，M4處理器在架構和性能上有了顯著的進步，但N3E工藝并未帶來預期的能效提升，未來的性能提升將更多依賴于架構優化。