（原标题：苹果这颗芯片，太强了）

要是您但愿不错每每碰头，宽饶标星储藏哦~

开头：实质编译自eclecticlight，谢谢。

这是一篇长远说合苹果新 M4 系列芯片的著述。在著述中，咱们将开赴点先容其性能 (P) 中枢的细节。完成后，我会单独比较它们与早期 M 系列芯片中中枢的性能。

咱们知说念，咫尺有三种 M4 想象：

1、基本款 M4具有 4 个 P 中枢和 6 个 E 中枢，还有一种价钱更低廉的版块，仅具有 4 个活跃 E 中枢，还有一种适用于 iPad 的“binned”版块，仅具有 3 个活跃 P 中枢。

2、M4 Pro具有 10 个 P 核和 4 个 E 核，还提供仅有 8 个活跃 P 核的“binned”版块。

3、M4 Max具有 12 个 P 核和 4 个 E 核，还提供仅有 10 个活跃 P 核的“分档”版块。

苹果展望将在 2025 年发布一款Ultra变体，由两个连结并协同责任的 M4 Max 芯片构成，整个提供 24 个 P 中枢和 8 个 E 中枢。除了每个想象中的中枢数目、它们的缓存和内存除外，整个 P 中枢都是换取的，而且与 E 中枢不同。

P核架构

整个 CPU 中枢都成列成最多 6 个集群。任何给定集群中的整个中枢分享 L2 缓存，并以换取的频率（时钟速率）运转。Base M4 有一个由 4 个 P 中枢构成的集群，而 Pro 和 Max 则有两个由 5 个和 6 个中枢构成的集群。

P 和 E 中枢的一个凸起特色是其可变频率（时钟速率）。关于 P 中枢，不错将其成就为 17 个值中的大肆一个，最小值为 1,260 MHz，最大值为 4,512 MHz（1.3-4.5 GHz）。运转 macOS 时，集群频率由 macOS 在内核级别成就；其他操作系统可能会提供更径直的限制。

P 中枢在 1,260 MHz 时处于舒坦气象，但也不错完全关闭。敕令用具敷陈曩昔的 M 系列芯片powermetrics巧合在 0 MHz 频率下处于舒坦气象，但 M4 是第一个永别敷陈舒坦和关闭气象的芯片，举例：当该中枢及其通盘集群关闭而不是舒坦时。咫尺尚不了了这是否只是是措置上的更正，或者 M4 中枢终了此气象的神志与曩昔的中枢不同。

CPU 4 active residency: 0.00%

CPU 4 idle residency: 0.00%

CPU 4 down residency: 100.00%

M4 内核撑握的教唆集架构 (ISA) 存在一些问题。LLVM 源代码对此进行了发挥，宣称它们“手艺上”是 ARMv9.2-A，但莫得其可推广矢量推广 (SVE)。有些东说念主可能以为它更接近 ARMv8.7-A，比 M3 的 ARMv8.6-A 新一个版块。

尽管当今 LLVM clang 仍是完全撑握此功能，但尚不了了 Xcode 对它的撑握程度若何。

天然，当关闭时，P 核不浮滥任何电量，而根据敷陈的测量收尾，在舒坦且莫得行动驻留的情况下，它仅浮滥 1-2 mW powermetrics。

在 100% 活跃驻留率下运转密集浮点打算时，最大功耗飞腾至约 1,400 mW，在 100% 活跃驻留率下运转 NEON 矢量教唆时，最大功耗飞腾至约 3,230 mW。

macOS 中枢分派

当线程的指定做事质料 (QoS) 高于 9（后台）时，macOS 平方会将线程分派给可用的 P 中枢，举例使用 Dispatch（曩昔称为 Grand Central Dispatch (GCD)）。正在运转的线程也可能依期在团结集群中的 P 中枢之间以及集群之间移动。曩昔的 M 系列芯片似乎移动线程的频率较低，而且可能会让它们在团结中枢上运转几秒钟后才完成，但在 M4 P 中枢上运转时，线程似乎移动性更强。

此条形图露出造谣机中 4 个造谣 CPU 的 4 个线程在 100% 行动驻留率下运转 3 秒。在这段时间内，线程险些一直运转在此 M1 Max 中第一个 P 集群的 4 个物理中枢上，而第二个 P 集群大部分时间处于舒坦气象。

下图露出了 M4 Pro 的 P 核上运转的 4 个密集核内浮点算法线程。

从集群来看，这些线程开赴点加载到第二个 P 集群（红色条），在那儿运转 0.4 秒，然后移至第一个集群（淡蓝色条）。在那儿运转 1.3 秒后，它们又移回第二个集群，再运转 1.3 秒，然后在第一个集群上完成。

接下来的两个条形图永别露出了每个集群，说明了它们里面的线程移动性。

在第一个集群（上图）上运转时，线程似乎每 0.3 秒就会移动到不同的中枢，就像在第二个集群（下图）上一样。

集群频率与此变化相匹配，每个集群都以最大频率运转（此处露出的是通盘集群的平均频率）来处理在其中枢上运转的线程。P 集群下方的黑线露出了 E 集群在此时间平均频率的微小变化。

临了一张图表露出了团结时期内 CPU 的总功耗（单元：mW）。这里尽头值得看重的是powermetrics两个 P 集群敷陈的功耗互异：第一个集群 (P0) 在运转这四个线程时功耗判辨在 6,000 mW，而第二个集群 (P1) 的功耗略低，为 5,700-5,800 mW。这可能是由于测量纰缪酿成的powermetrics，该芯片特有，也可能响应了两个集群之间的潜在互异。

线程移动性使得解读行动监视器中的 CPU 历史纪录变得清苦，因为可用的最快采样频率是每秒一次，而咱们powermetrics在网罗上述数据时每 0.1 秒采样一次。由于线程组可能每 1.3 秒傍边在集群之间移动一次，这给东说念主的印象是线程同期在两个集群上运转。再次强调，解读行动监视器露出的数据时需要极端戒备。

一言以蔽之：

1、现时的M4芯片提供4-12个CPU P中枢。

2、M4 P 中枢成列成最多 6 个集群，分享 L2 缓存并以共同频率运转。

3、P 中枢集群不错关闭，以最低频率 1,260 MHz 舒坦，或者以 18 个设定频率之一舒坦，4、最高频率为 4,512 MHz，由 macOS 限制。

5、它们的教唆集“从手艺上讲”是 ARMv9.2-A，但莫得可推广矢量推广 (SVE)。

6、它们在舒坦时浮滥 1-2 mW，峰值可达 1,400 mW（浮点）或 3,230 mW（NEON 矢量代码）。

7、macOS 优先为它们分派整个高于 QoS 9（后台）的线程。

8、在 M4 P 中枢上运转的线程是移动的，可能会每每移动到团结集群中的另一个中枢，而且只需一秒多极少的时间，就不错转动到另一个 P 集群中的中枢（要是可用）。

9、线程移动性使得行动监视器中的 CPU 历史纪录窗口的发挥变得极端清苦。

其中驻留率是中枢处于特定气象的时间百分比。因此，舒坦驻留率是中枢处于舒坦气象且未处理教唆的时间百分比。行动驻留率是中枢不处于舒坦气象但正在积极处理教唆的时间百分比。停机驻留率是中枢关闭的时间百分比。整个这些都与中枢的频率或时钟速率无关。

E中枢架构

整个 E 中枢都成列在一个由 4 个或 6 个中枢构成的集群中，分享通用的 L2 缓存，并以换取的频率（时钟速率）运转。对 M1 中枢的分析标明，每个 E 中枢的处理单元数目大略是 P 中枢的一半，而 P 中枢的处理单元数目不啻一个，因此 M1 E 中枢的打算才略大略是 P 中枢的一半。我还莫得看到对后续 M 系列中中枢的任何雷同分析，尽管功耗互异意味着处理单元和打算才略仍然存在很大互异。

与 P 核一样，E 核不错成就为在最小 1,020 MHz 和最大 2,592 MHz（1.0-2.6 GHz）之间的 5 个值中运转。运转 macOS 时，集群频率由 macOS 在内核级别成就；其他操作系统可能会提供更径直的限制。此频率畛域显明窄于 M3 中 E 核的频率畛域，后者在 744-2,748 MHz 之间。

E 中枢在 1,020 MHz 时处于舒坦气象，尽管它们不错完全关闭，但接洽到 macOS 后台线程在其上运转的判辨需求，这是例外情况。尽管如斯，powermetrics仍然将其“停机”驻留与舒坦驻留分开敷陈。

这被以为与 M4 P 内核撑握的不带可推广矢量推广 (SVE) 的 ARMv9.2-A 换取，从而允许在职一内核类型上运转换取的线程。

了解不同中枢类型之间的互异的一种模范是比较每种类型中运转的单个密集型中枢内线程。为此，我在 macOS 15.1 中使用了详尽的浮点打算轮回，在两种不同的做事质料 (QoS) 成就下运转。

P 核上高 QoS 的单线程

该线程当先加载到第二个 (P1) 集群中的 P13（红色）上，3.7 秒后移至第一个 (P0) 集群中的 P5（蓝色）。在该集群上运转 4.6 秒后，该线程被移回第二个 (P1) 集群，在 P11（紫色）上运转。在此运转时间，两个 P 集群上险些莫得其他行动，因此非行动集群被关闭，而该线程则在另一个集群上运转。

行动集群永远以 4,511 MHz 的最高频率运转。在线程被移至另一个集群之前，该集群被启动并运转至最高频率，准备运转该线程。

在线程扩充时间，总 CPU 功率保握相似，但根据哪个集群处于行动气象，存在隐微且一致的互异：第一个集群 (P0) 的功耗约为 2,520 mW，比第二个集群 (P1) 的约 2,470 mW 高 50 mW。这与之前敷陈的互异相符，值得在其他 M4 Pro 芯片中进行评估，以笃定这是否是一个宽阔特征。

有几种模范不错在 E 中枢上运转代码，举例斯处使用的内核浮点轮回测试：它们不错在低 QoS（后台）下运转，这么 macOS 就会将它们分派到仅在 E 中枢上运转，或者当线程数多于可用的 P 中枢时，它们不错从高 QoS 线程中溢出。在 M4 Pro 芯片上，这需要 11 个线程，这会导致其中一个线程被分派给 E 集群，如下所述。

此图表露出了四个 E 中枢上的行动驻宽恕况，其中单个高 QoS 线程被拆分到这些中枢上。固然中枢 E1、E2 和 E3 似乎在这段越过六秒的时间内处理其他线程，但中枢 E0 似乎以 90-100% 的行动驻留率运转，扩充拆分的线程。请看重，在越过六秒的时间内，此线程未在中枢之间移动。

E 集群频率永远保握恒定，最高频率为 2,592 MHz。CPU 功耗不可幸免地由 10 个 P 中枢主导，这些中枢以 100% 活跃驻留和最大频率运转，保握在略低于 14,000 mW。灾荒的是，使用powermetrics它无法径直估算 E 集群的功耗。

这与高 QoS 下的分裂线程极端不同。

这里莫得把柄标明 E 集群中的任何单个中枢以 100% 活跃驻留率运转线程。违抗，它似乎在中枢之间快速开脱地移动，在此时间，好多 0.1 秒的采样闭幕跳动了多个中枢的扩充。

集群频率最低判辨在 1,050-1,060 MHz，一忽儿飞腾至最高 2,592 MHz 时会出现重复峰值。这标明，要是莫得其他线程要运转，单个线程很可能以接近中枢最低频率运转。

在电力使用方面也看到了雷同的情况，单单单个线程就需要大略 40-45 mW 的低布景峰值。

具体不错详尽为：

1、P 核（高 QoS）以最高频率在单个 P 核上以 100% 主动驻留运转，而且不依期在集群之间切换（大略每 3.7-4.6 秒一次）。总功耗约为 2,500 mW。

2、溢出到 E 核的高 QoS 以最大频率在单个 E 核上以 90-100% 的主动驻留率运转，而且根底不会在中枢之间切换，或者只是偶尔切换。

3、E 核（低 QoS）运转效果约为 100%，在集群中的整个 E 核之间每每移动，频率接近最低。总功耗约为 40-45 mW。

固然我将回偏执来对 P 中枢和 E 中枢之间的性能和功耗进行更详备的比较，但在这里我仅提供了一个例子，用于上头使用的核内浮点任务。

在每个线程中运转 2 x 10^9 个轮回，P 核在最高频率下每个线程需要 9.2-9.7 秒，每个线程耗电约 2,500 mW。E 核在接近最低频率下运转低 QoS 线程需要的时间约为其四倍，为 38.5 秒，但每个线程耗电不到 45 mW。因此，在 P 核上运转时，完成一个线程所需的总能量越过 23 J，在 E 核上运转时则不到 1.7 J。因此，E 核扩充换取任务时耗电仅为 P 核的 7%。

一言以蔽之：

1、现时的 M4 芯片具有 4-6 个 CPU E 中枢。

2、M4 E 中枢成列成 4 个或 6 个的单簇，分享 L2 缓存并以共同频率运转。

3、E 中枢集群不错关闭（例外），以其最低频率 1,020 MHz 舒坦，或者以 6 个设定频率之一舒坦，最高频率为 2,592 MHz，由 macOS 限制。

4、它们的教唆集与 M4 P 内核换取，ARMv9.2-A 莫得可推广矢量推广 (SVE)。

5、它们在低频时浮滥 40-45 mW，但咫尺无法径直测量它们在高频时的最大功率浮滥。

6、当 E 中枢的 QoS 为 9（后台）时，macOS 会将线程分派给 E 中枢，而当具有更高 7、QoS 的线程由于都备处于沉重气象而无法分派给 P 中枢时，macOS 会将线程分派给 8、E 中枢。这两种情况下，频率和中枢分派的措置有所不同。

9、E 中枢上的高 QoS 线程以最大频率运转，而且似乎不会在中枢之间移动。

10、E 中枢上的低 QoS 线程以接近最低频率运转，而且在中枢之间具有高度移动性。

11、在 E 核上运转的低 QoS 线程比在 P 核上运转的高 QoS 线程运转得更慢，但 E 核的功耗要低得多，从而不错大大省俭换取打算任务的总能耗。

托管造谣机的P 核

关于任何 M 系列芯片来说，运转 macOS 造谣机都是一个常见但不典型的情况。本文探讨了如安在 M4 Pro 主机的物理中枢上处理造谣 CPU 中枢，并进一步长远了解它们的措置以及跨 P 中枢集群的线程移动性。

除非另有说明，此处的整个收尾均从我的免费造谣化器 Viable 中的 macOS 15.1 Sequoia VM 取得，该 VM 分派了 5 个造谣中枢和 16 GB 内存，在运转 macOS Sequoia 15.1 的 Mac mini M4 Pro 上，配备 48 GB 内存、10 个 P 中枢和 4 个 E 中枢。

主机将整个造谣化线程视为以高做事质料 (QoS) 运转，因此优先分派给 P 核，即使其原始线程可能以最低 QoS 运转。这带来的反作用是造谣后台程度的运转速率比主机上的真确后台线程快得多。

在这种情况下，VM 被赋予 5 个造谣中枢，因此它们都不错在主机上的单个 P 集群中运转。这不会为 VM 分派 5 个物理中枢，而是在主机的整个 P 中枢上运转 VM 线程，总活跃驻留率高达 500%。要是为 VM 分派的造谣中枢多于主机 P 中枢中可用的造谣中枢，那么它的一些线程将溢出并在主机 E 中枢上运转，但频率较高，这是具有高 QoS 的主机线程的典型频率。

造谣化对性能有轻细影响，但与其他造谣化器比较影响很小。Geekbench 6.3.0 对客户机和主机的基准测试如下：

CPU单核造谣机3643，主机3892

CPU 多核造谣机 12,454，主机 22,706

GPU Metal VM 102,282，主机 110,960，其中 VM 算作 Apple Paravirtual 栽植。

有些测试致使更接近：使用我的中枢浮点测试，1,000 Mloops 在造谣机中运转需要 4.7 秒，在主机中运转需要 4.68 秒。

为了评估主机上的 P 核分派情况，咱们在造谣机中运转了核内浮点测试。该测试由 5 个线程构成，这些线程具有弥散的轮回，不错完全占用造谣中枢约 20 秒。不才图中，我仅露出了前 15 秒的收尾，以代表举座情况。

从集群来看，这些线程主要开赴点加载到第一个 P 集群（淡蓝色条），在那儿运转 1 秒多极少，然后才移动到第二个集群（红色条）。然后在通盘测试经过中，它们每隔几秒就会在两个 P 集群之间依期切换。收尾的这一部分完成了四个周期，每个周期耗时 2.825 秒，因此线程每 1.4 秒在集群之间切换一次，这与我之前敷陈的在主机上运转线程时发现的时间换取。

在这里露出的 15 秒的大部分时间里，两个 P 集群的总行动驻留率都固定在 500%，分派给 VM 的 5 个造谣中枢，小突发越过这个数字。因此，500% 代表那些造谣中枢，小突发是来自主机的线程。固然这 500% 中的绝大部分是在行动的 P 集群上运转的，但整个约 30% 的行动驻留率由来自 VM 的其他线程构成，并在行动较少的 P 集群上运转。这可能代表 VM 的 macOS 后台程度以及其文献夹分享、鸠合和其他 Virtio 栽植使用的支拨。

当分解到每个集群中的单个中枢时（如上图和下图所示），活跃集群中各个中枢的总体行动互异不大。在活跃集群时间，每个中枢的活跃度为 80-100%，使集群总活跃度达到约 450%。

要是您念念知说念这是否发生在较旧的 Apple 芯片上，而且这只是 macOS Sequoia 的一个功能，这里有一个雷同的示例，在运转 macOS 15.1 的 M1 Max 中，一个 4 核 VM 运转 3 个浮点线程，可在行动监视器的 CPU 历史纪录窗口中看到。集群之间莫得线程移动。

powermetrics用于获取此数据的软件提供了两种类型的内核频率信息。关于每个集群，它给出一个硬件行动频率，然后关于每个内核，它给出一个单独的频率，该频率平方在每个集群内都不同。行动 P 集群中内核的运转频率平方为 4512 MHz，尽管集群频率较低，约为 3858 MHz。为浅薄起见，这里使用集群频率。

此图表上部线条露出了两个 P 集群的敷陈频率。下方是集群总活跃居住地，以露出每个时期哪个集群处于活跃气象。

活跃集群的频率判辨在 3,900 MHz 以下，但当它变得不那么活跃时，其频率变化很大，从舒坦时的 1,260 MHz 飞腾到近 4,400 MHz，平方握续时间很短。这与活跃集群运转密集的中枢测试线程以及另一个集群处理来自造谣机和主机的其他线程一致。

一些在札记本电脑上运转造谣机的东说念主敷文告，它们似乎会很快耗尽电板电量。根据主机的先前收尾，此处使用的浮点测试展望会使用判辨的 7,000 mW。

后一张图表露出了团结时间段内 CPU 的总功耗（单元：mW），一样加入了集群行动驻留（此处乘以 10），以匡助识别集群周期。这似乎平均约为 7,500 mW，仅比在主机上运转时预期的功耗高出 500 mW。这不会导致札记本电脑的功耗显明增多。

在前边著述中，我提到了两个集群之间的功耗互异，这也响应在这些收尾中。当第二个集群 (P1) 处于行动气象时，功耗较低，约为 7,100 mW，而当第一个集群 (P0) 处于行动气象时，功耗较高，约为 7,700 mW。这需要在其他 M4 Pro 芯片上得到阐发，然后才调处释。

一言以蔽之：

1、macOS 客户机的性能险些与 M4 Pro 主机一样好，尽管多核基准测试与分派给它们的造谣中枢数目成正比。尽头是，Metal GPU 性能极端出色。

2、VM 中的整个线程都像在高 QoS 下运转一样，因此优先在主机 P 中枢上运转。这不错加快 VM 中运转的低 QoS 后台线程。

3、造谣中枢分派包括来自 VM 的整个 VM 支拨，举例其 macOS 后台线程。

4、客户线程与主机线程一样具有移动性，每 1.4 秒在 P 集群之间移动一次。

5、尽管在造谣机中运转的线程会在特等的电力使用方面产生轻细的亏空，但关于大大都用途来说，这并不迫切。

6、再次，有把柄标明 M4 Pro 中的第一个 P 簇 (P0) 比第二个 (P1) 浮滥的电量略多。这需要在其他系统中得到证实。

7、powermetrics不可在造谣机中使用，这并不奇怪。

https://eclecticlight.co/2024/11/18/inside-m4-chips-e-and-p-cores/

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