Apple denkt intensiv darüber nach, wie Komponenten in Laptops konzipiert sein und zusammenarbeiten sollen. Mit der Einführung der M1-Chips in neueren Macs hat Apple eine neuartige „Unified Memory Architecture“ (UMA) etabliert, welche die Speichergeschwindigkeit deutlich erhöht. Hier wird erklärt, wie dieser Speicher bei Apple Silicon funktioniert.
Die Speicherverwaltung von Apple Silicon
Apple hat im November 2020 eine neue Generation von Macs vorgestellt, die mit einem speziell entwickelten ARM-basierten Prozessor, dem M1, ausgestattet sind. Diese Entwicklung war seit Langem erwartet worden und ist das Ergebnis von Apples jahrzehntelanger Erfahrung mit ARM-basierten Prozessoren in iPhones und iPads.
Der M1 ist ein System-on-a-Chip (SoC), das neben der CPU auch andere wesentliche Komponenten wie die GPU, E/A-Controller, Apples Neural Engine für KI-Aufgaben und, besonders relevant für uns, den physischen Arbeitsspeicher in einem einzigen Paket vereint. Es ist wichtig zu verstehen, dass sich der RAM zwar nicht auf dem gleichen Silizium wie die grundlegenden Teile des SoC befindet, sondern wie abgebildet direkt daneben.
Die Integration von RAM in das SoC ist nicht neu. Auch Smartphone-SoCs nutzen RAM, und Apples Entscheidung, die RAM-Module seitlich anzubringen, ist mindestens seit 2018 bekannt. Bei einem iFixit-Teardown des iPad Pro 11 ist deutlich zu sehen, wie der RAM neben dem A12X-Prozessor platziert ist.
Der entscheidende Unterschied ist nun, dass dieser Ansatz auch bei Macs, die für anspruchsvollere Aufgaben konzipiert sind, Anwendung findet.
Grundlagen: Was sind RAM und Speicher?
RAM steht für Random Access Memory und ist der Hauptbestandteil des Arbeitsspeichers, ein temporärer Speicherort für Daten, die Ihr Computer aktuell verarbeitet. Dazu gehören notwendige Dateien für das Betriebssystem, Tabellenkalkulationen und Inhalte geöffneter Browser-Tabs.
Wenn Sie eine Textdatei öffnen, erhält die CPU Anweisungen und das dazugehörige Programm. Die CPU lädt alle notwendigen Daten in den Arbeitsspeicher und bearbeitet dann die Datei direkt dort.
Traditionell ist RAM in Form von dünnen Modulen anzutreffen, die in Steckplätze auf der Hauptplatine von Laptops oder Desktops passen oder als rechteckiges Modul direkt auf die Hauptplatine gelötet werden. RAM war bisher immer eine separate Komponente auf der Hauptplatine.
M1 RAM: Der integrierte Partner
Die physischen RAM-Module sind zwar weiterhin eigenständige Einheiten, befinden sich aber auf dem gleichen Substrat wie der Prozessor. Dies ermöglicht einen schnelleren Zugriff auf den Speicher, was zu einer verbesserten Leistung führt. Zudem optimiert Apple die Speichernutzung innerhalb des Systems.
Apple nennt diesen Ansatz „Unified Memory Architecture“ (UMA). Der RAM des M1 ist ein einzelner Speicherpool, auf den alle Teile des Prozessors zugreifen können. Die GPU kann bei Bedarf mehr Arbeitsspeicher nutzen, während andere Teile des SoC weniger beanspruchen. Daten müssen nicht mehr zwischen verschiedenen Speicherbereichen für die einzelnen Teile des Prozessors hin- und hergeschoben werden. GPU, CPU und andere Komponenten greifen auf dieselben Daten im selben Speicherbereich zu.
Um dies zu verdeutlichen, stellen Sie sich vor, wie ein Videospiel funktioniert. Die CPU erhält Anweisungen und lädt benötigte Daten an die Grafikkarte, die diese Daten in ihrem eigenen Speicher und der GPU verarbeitet. Selbst bei integrierter Grafik verwaltet die GPU in der Regel ihren eigenen Speicherbereich. Daten werden zwischen diesen Speicherbereichen hin- und hergeschoben. Durch die Zusammenlegung aller Daten in einem gemeinsamen Speicherbereich wird die Leistung erheblich gesteigert.
Apple beschreibt seine Unified Memory Architecture auf der offiziellen M1-Website wie folgt:
„M1 verfügt über unsere Unified Memory Architecture oder UMA. M1 vereint seinen Speicher mit hoher Bandbreite und geringer Latenz in einem einzigen Pool. Alle Technologien im SoC können auf dieselben Daten zugreifen, ohne sie zwischen mehreren Speicherpools zu kopieren. Dies verbessert Leistung und Energieeffizienz erheblich. Video-Apps sind schneller, Spiele detailreicher, die Bildverarbeitung blitzschnell und das gesamte System reaktionsfreudiger.“
Zudem verwendet Apple Speicher mit hoher Bandbreite, wie Chris Mellor bei The Register hervorhebt. Der Speicher befindet sich näher an der CPU und ist schneller zugänglich als bei herkömmlichen RAM-Chips.
Apple ist nicht der Vorreiter von Unified Memory
Apple ist nicht der erste, der sich mit diesem Konzept beschäftigt. NVIDIA bietet Entwicklern seit etwa sechs Jahren eine Hardware- und Softwarelösung namens Unified Memory an.
NVIDIA bietet einen Speicherort, auf den jeder Prozessor im System zugreifen kann. CPU und GPU greifen für die gleichen Daten auf denselben Speicherort zu, das System lagert jedoch die Daten zwischen CPU- und GPU-Speicher aus.
Apple verfolgt keinen Ansatz mit Auslagerungstechniken. Jeder Teil des SoC greift auf den gleichen Speicherort für Daten im RAM zu.
Das Ergebnis von Apples UMA ist eine bessere Leistung durch schnelleren Zugriff auf den RAM und einen gemeinsam genutzten Speicherpool, der Datenverschiebungen eliminiert.
Wie viel RAM ist notwendig?
Apples Lösung hat jedoch auch Nachteile. Da der RAM so tief integriert ist, kann er nach dem Kauf nicht mehr aufgerüstet werden. Ein MacBook Air mit 8 GB RAM kann nicht nachträglich erweitert werden. Die Aufrüstung des RAMs war bei MacBooks seit Längerem nicht mehr möglich. Mac Minis konnten das früher, aber die neuen M1-Versionen nicht mehr.
Die ersten M1-Macs sind mit 8 GB oder 16 GB Speicher erhältlich. Es ist nicht mehr möglich, einfach ein RAM-Modul in einen Steckplatz einzusetzen.
Wie viel RAM ist also nötig? Bei Windows-PCs gelten 8 GB als ausreichend für grundlegende Aufgaben. Gamer sollten auf 16 GB setzen, und professionelle Anwender benötigen für Aufgaben wie die Bearbeitung großer Videodateien wahrscheinlich noch mehr.
Für M1-Macs sollte das Basismodell mit 8 GB für die meisten Nutzer ausreichend sein. Es kann sogar anspruchsvollere alltägliche Anwendungen bewältigen. Da die meisten Benchmarks den M1 jedoch in synthetischen Tests belasten, sind Aussagen zur Alltagstauglichkeit schwierig.
Entscheidend ist, wie gut ein M1-Mac mit mehreren gleichzeitig geöffneten Programmen und Browser-Tabs umgehen kann. Dies testet nicht nur die Hardware, da Softwareoptimierungen ebenfalls einen großen Einfluss haben können. Letztendlich wollen die meisten Nutzer jedoch sehen, wie sich die neuen Macs im Alltag bewähren.
Stephen Hall von 9to5 Mac erzielte mit einem M1 MacBook Air mit 8 GB RAM beeindruckende Ergebnisse. Erst als er 24 Website-Tabs in einem Safari-Fenster, sechs weitere Safari-Fenster mit 2160p-Videos und Spotify im Hintergrund laufen ließ, geriet der Computer an seine Grenzen.
Matthew Panazarino von TechCrunch ging mit einem M1 MacBook Pro mit 16 GB RAM noch weiter. Er öffnete 400 Tabs in Safari und hatte noch andere Programme geöffnet, ohne Probleme zu haben. Bei Chrome traten jedoch Probleme auf. Das System lief trotz Browserproblemen weiter. Er stellte fest, dass der Laptop Auslagerungsspeicher nutzte, ohne dass die Leistung merklich nachließ.
Wenn der RAM des PCs knapp wird, wird SSD- oder Festplattenspeicher als temporärer Speicher genutzt. Dies kann zu einer Verlangsamung führen, bei M1-Macs scheint dies aber nicht der Fall zu sein.
Dies sind zwar keine formalen Tests, sondern eher zufällige Alltagserfahrungen, dennoch sind sie repräsentativ. Angesichts des optimierten Speichers sollten 8 GB RAM für die meisten Nutzer, die nicht Hunderte von Browser-Tabs öffnen, ausreichen.
Wer jedoch große Bilder oder Videodateien bearbeitet und gleichzeitig viele Tabs offen hat, sollte das 16-GB-Modell wählen.
Dies ist nicht das erste Mal, dass Apple seine Mac-Systeme überarbeitet und auf eine neue Architektur umgestellt hat.