¿Por qué AMD e Intel no crean chips como el M2 Max o M2 Ultra?

Actualizado a: 2 de octubre de 2023

Apple sigue con sus chips Apple Silicon con la nueva serie para el escritorio M2 y M2 Pro, y así como los chips M2 Max y M2 Ultra, los más poderosos de esta serie. Intel y AMD siguen con su hoja de ruta, con procesadores diferentes a los de Apple. Pero… ¿por qué no hacen algo similar en estas dos compañías? Vamos a analizarlo aquí para dar una respuesta.

Apple M2 Max y M2 Ultra: características

El Apple M2 Max se presenta como un sistema embebido en un chip (SoC) basado en la arquitectura ARM, concebido por Apple, para ir más allá del rendimiento visto en el M2 Pro, ya que incluye más núcleos. Por otro lado, hay una versión aún superior, como el M2 Ultra. Vamos a analizar ambos:

M2 Max

Apple es una fabless, por lo que solo se ha limitado a diseñar el SoC del M2 Max. La fabricación la dejan en manos de TSMC conforme a las pautas de diseño de Apple. Este chip integra unos 67 mil millones de transistores, producidos con una tecnología de 5 nm de segunda generación (N5P).

La memoria RAM (tipo SDRAM) se integra en el mismo paquete y se comparte mediante la arquitectura de memoria unificada (UMA) de Apple, lo que evita la necesidad de transferir datos entre la CPU y la GPU, ya que ambas comparten el mismo espacio. La memoria unificada (con opciones de 32, 64 o 96 GB LPDDR5-6400) se encuentra junto al chip y está conectada mediante un controlador de memoria de 512 bits, con un ancho de banda de 400 GB/s, que puede ser aprovechada tanto por la GPU como por la CPU.

Si nos fijamos en la CPU, está compuesta por 12 núcleos, con ocho de alto rendimiento y cuatro de alta eficiencia, siguiendo la arquitectura ARM big.LITTLE, que maximiza la eficiencia energética. En el caso de los núcleos de alto rendimiento, y más grandes, se denominan Avalanche, y tienen una caché de instrucciones de 192 KB, 128 KB para datos, y una caché L2 unificada de 36 MB. Mientras que los núcleos de alta eficiencia, los pequeños, se han denominado con el nombre clave Blizzard, y poseen 128 KB de caché L1 de instrucciones, 64 KB de L1 de datos, y una caché L2 unificada de 4 MB. Todo ello ha contribuido a que esta CPU tenga un rendimiento un 20% superior al M1 Max.

La GPU incluye 38 núcleos gráficos, con una mejora de rendimiento del 30% respecto a la generación anterior. Y, tanto la CPU como la GPU comparten la SLC (System Level Cache) de 49 MB, es decir, la caché de nivel de sistema. Además, gracias al Media Engine mejorado (más rápido que el M1 Max), se logra un mayor ancho de banda, lo que permite la reproducción en tiempo real de múltiples transmisiones de video en resolución 8K.

Otra de las unidades incluidas en este SoC es el Neural Engine incorpora 16 núcleos para acelerar el rendimiento en cargas de trabajo relacionadas con la IA. Según Apple, se ha conseguido un 40% más de rendimiento que en el M1 Max.

Además, el SoC incorpora un controlador Thunderbolt 4, un ISP y codificadores y decodificadores de medios, incluido el ProRes. Y todo ello con un TDP de tan solo 25W, lo que contribuye al ahorro de batería y evita el sobrecalentamiento.

M2 Ultra

El Apple M2 Ultra representa el SoC más potente desarrollado hasta el momento por Apple, y el de nivel superior en la serie M2. Está destinado a sus ordenadores de escritorio que requieren un alto rendimiento. Sin embargo, Apple no ha optado por un modelo chiplet, aunque tampoco es del todo un chip monolítico. Básicamente son dos chips M2 Max idénticos unidos entre sí mediante UltraFusion, que no es otra cosa que una conexión chip-to-chip mediante un interposer de silicio que es capaz de llevar más de 10.000 señales y ofrecer un ancho de banda de baja latencia de 2.5 TB/s.

Comparado con el chip M2 Max de la generación anterior, el M2 Ultra ofrece el doble de potencia, convirtiéndose en una auténtica bestia informática.

Las especificaciones resultantes son asombrosas. Como se aprecia en la diapositiva previa, el M2 Ultra incluye una CPU de 24 núcleos y una GPU de hasta 76 núcleos. Además, integra 134 mil millones de transistores, admite una memoria unificada de hasta 192 GB y ofrece un impresionante ancho de banda de 800 GB/s.

Según Apple, las mejoras de rendimiento del nuevo chip M2 Ultra en los Mac Pro y Mac Studio son notables. El Mac Studio con M2 Ultra es hasta tres veces más rápido que su predecesor y hasta seis veces más rápido que el mejor iMac con chip Intel. La compañía menciona ejemplos de mejoras en el rendimiento en aplicaciones como Octane y DaVinci Resolve. Ambos dispositivos pueden manejar varias transmisiones de video 8K ProRes simultáneamente y son compatibles con resoluciones de hasta 8K a altas tasas de actualización. El Mac Pro, en particular, se beneficia de la actualización al M2 Ultra, ofreciendo una transcodificación de video más rápida y la capacidad de procesar múltiples señales de cámara 4K en tiempo real. En general, se espera que el M2 Ultra ofrezca un rendimiento significativamente mejorado en comparación con la versión anterior del chip.

¿AMD e Intel tienen la tecnología suficiente para imitar a Apple?

Tanto AMD como Intel son empresas especializadas en el diseño de CPUs, y son dos de los líderes del sector. Es decir, están incluso por delante de Apple en este sentido. De hecho, Apple ha tenido que reclutar a algunos ex de estas compañías para diseñar sus A-Series y M-Series, como es el caso del ex-AMD Jim Keller, que trabajó en los A-Series. Por tanto, Intel y AMD pueden diseñar SoCs como el M2 Max o el M2 Ultra sin problema.

Bien es cierto que Apple usa SoCs, pero también lo es que Intel y AMD cada vez se aproximan más a SoCs. De hecho, AMD ha creado SoCs para las videoconsolas Xbox y PlayStation, entre otros. En definitiva, lo que intento decir es que el M2 Max y Ultra pueden ser bastante diferentes de lo que estamos acostumbrados en el PC, pero no es tan diferente de una APU de última generación de AMD, especialmente las Zen 4, ya que estas unidades también integran la CPU, la GPU y un acelerador de IA en el mismo chip, como en el caso de Apple.

Eso sí, la gran diferencia es que Apple emplea la arquitectura Arm, mientras que Intel y AMD trabajan con la ISA x86-64. Y también tenemos GPUs diseñadas para estas ISAs respectivamente en ambos casos. Es decir, una GPU basada en la tecnología PowerVR de Imagination Technologies diseñada por Apple para sus SoCs, y GPUs diseñadas por Intel y AMD para x86, similares a las GPUs dedicadas, solo que con un rendimiento inferior…

Núcleos ARM vs x86: Apple juega con ventaja en chips monolíticos

Hay que decir otro dato importante, y es que AMD e Intel emplean procesadores RISC-like, es decir, que funcionan como un RISC, pero no olvidemos que la ISA x86 es CISC, por lo que tienen que tener un traductor de estas instrucciones grandes a microoperaciones tipo RISC, lo que necesita mayor tamaño, sin contar con el microcódigo, que también ampliará la unidad de control de estos núcleos. Es decir, los núcleos de Apple, Arm, son RISC puros, tienden a ser bastante más pequeños y eficientes que los x86. Esto aporta a Apple grandes ventajas para poder empaquetar chips como el M2 Ultra sin problemas, como:

• Eficiencia energética: los núcleos de CPU más pequeños tienden a consumir menos energía en comparación con los núcleos grandes y potentes. Esto permite adaptarse mejor a los límites de consumo y disipación del SoC en comparación con núcleos menos eficientes.
• Espacio físico: los núcleos de CPU más pequeños ocupan menos espacio en el chip, lo que permite una mayor densidad de componentes en un SoC. Esto es importante en dispositivos con limitaciones de espacio, o para poder integrar mayor cantidad de núcleos en un mismo chip monolítico, es decir, se consigue mayor escalabilidad.
• Yield: al tener un chip con una superficie inferior, esto puede permitir que el yield o rendimiento de la oblea sea mejor que cuando se tienen chips monolíticos de tamaño superior. Además, como el M2 Ultra no es un solo chip, sino dos unidos, esto también tiene ventajas como los chiplets de AMD en cuanto a yield del wafer.
• Reducción de costes: los núcleos de CPU más pequeños pueden ser menos costosos de fabricar debido a su tamaño y complejidad reducidos, permitiendo fabricar más chips por wafer.

No se conocen cifras para el M2 aún, pero se estima que el die size o tamaño del chip de Apple M1 Max es de unos 425 mm2, mientras que el M2 Max sería de 550 mm2. Para que te hagas una idea, la APU AMD Ryzen «Phoenix 2» basada en Zen 4 tiene un tamaño de chip de 137 mm2, pero solo incluye 6 núcleos de CPU y 4 CUs para la GPU, y eso que están fabricados en nodo TSMC 4nm. Es decir, en Apple se tienen núcleos más pequeños, como puedes imaginar, ya que en el caso del M1 Max tenemos 10 núcleos de CPU, 32 núcleos de GPU, los núcleos Neural Engine, etc., integrados en esos 425 mm2 o 550 mm2…

Según se estima, parece que el M2 Ultra tendría un tamaño de 1000 mm2. Puede parecer mucho, pero se trata de dos chips M2 Max unidos por un interposer. Además, ten en cuenta que hablamos de 24 núcleos de CPU, y 76 núcleos de GPU. Si nos vamos al Intel Core i9-13950HX, que también tiene 24 núcleos, tiene un tamaño de 257 mm², sí, una cuarta parte, pero su GPU no tiene tantos núcleos, y es bastante inferior, además de que tampoco integra núcleos de aceleración para IA como los Neural Engine, y buses muy anchos (ahora hablaré de esto, que es importante) etc.

Tanto las CPUs de Intel como las de AMD tienden a usar buses con un ancho de 128 bits para enlazar con la memoria, excepto en algunas excepciones. Sin embargo, las GPUs de Intel, NVIDIA y AMD requieren mucha más velocidad de memoria, por lo que las tarjetas gráficas discretas se emparejan con la memoria VRAM GDDR con buses de memoria de 128, 256 o más bits. Sin embargo, Apple coloca GPUs integradas muy potentes en sus chips M, lo que requiere mucha más velocidad de memoria de lo habitual. Por ejemplo:

• M2 usa un bus de 128-bit
• M2 Pro usa un bus de 256-bit
• M2 Max usa un bus de 512-bit
• M2 ULtra usa un bus de 1024-bit

Y qué tiene que ver todo esto con lo anterior, sobre los tamaños del chip, pues que estos buses ocupan mucho espacio y representan aproximadamente el 13% del tamaño del M2 Max y el Ultra, lo cual es mucho espacio dedicado solo a los buses de memoria. Por esto te comentaba que aunque parezca un chip muy grande, sus núcleos siguen siendo pequeños en comparación con los de Intel o AMD.

Intentar combinar una gran CPU, una gran GPU y un gran sistema de memoria en un solo chip tiene consecuencias en la fabricación, reduciendo el yield de estos chips, que sería aún peor en caso de que fuesen núcleos aún más grandes, con costes de producción superiores, y teniendo que tener núcleos más eficientes, ya que en un mismo empaquetado se necesita administrar toda esa cantidad de calor disipado y consumo.

Si Intel y AMD intentaran fabricar un procesador grande similar al M2 Max o M2 Ultra, un problema importante serían las placas base. Lo bueno de las CPUs x86 tradicionales es que tienden a ser bastante pequeñas. Pero para utilizar un chip similar al M2 Max/Ultra, Intel y AMD tendrían que usar placas base con sockets masivos (similares a los AMD Threadripper/EPIC o Intel Xeon de última generación), montones de etapas VRM y probablemente ocho canales de memoria que tendrían que llenarse por completo con módulos rápidos para obtener un buen rendimiento de la GPU. Eso obviamente es muy caro y muy engorroso.

Apple puede permitirse todo eso porque el M2 está hecho a medida para el tipo de ordenador que Apple quiere fabricar y lo que sus clientes quieren comprar. Intel y AMD no pueden hacer esto, pero a cambio podemos tener una mayor libertad a la hora de elgir otros elementos del hardware, como placas base diferentes, chipsets, módulos de memoria RAM, tarjetas gráficas, etc. Es decir, obtenemos mayor flexibilidad y modularidad.

No obstante, no todo lo del M2 es malo, también tiene algunas ventajas. Por ejemplo, aunque las CPUs y GPUs de Apple tienen un rendimiento inferior a los tope gama de Intel, AMD y NVIDIA, la gama de productos M2 suele incluir algunos detalles interesantes, como los aceleradores para cargas de IA denominados Nueral Engine, o los de/codificadores integrados para vídeo, algo que Intel y AMD no hace en sus chips habituales debido a que van destinados a un público más ámplio. Aunque, como sabes, tanto Intel como AMD han comenzado a incluir aceleradores de IA en sus nuevos chips, como los Zen 4 con Ryzen AI de AMD, o los futuros chips Intel Meteor Lake.

Tanto el hardware como los diferentes modelos de negocios son inseparables entre sí cuando se trata del diseño de procesadores para estas tres empresas. Por eso, aunque tienen tecnología suficiente para hacer chips iguales o superiores a los Apple M2 Max y M2 Ultra, el modelo de negocio los lleva a diseñar chips diferentes. No tendría demasiado sentido copiar…

Hardware + Software: la apuesta de Apple

Por otro lado, ni Intel ni AMD diseñan ordenadores completos, solo chips. Mientras que Apple vende sus equipos completos, hardware+software. Esto le permite a Apple hacer algo que otros no pueden, y es optimizar su hardware para el software que va a manejar, como es el caso del sistema macOS. Y no solo eso, sino que Apple tiene una línea de productos más reducida, con solo 4 chips diferentes para esta generación (M2, M2 Pro, M2 Max, M2 Ultra). Eso permite un mayor control sobre el diseño y el mimo que dedica a sus chips.

En cambio, Intel y AMD tienen que lanzar unos chips que no están optimizados para un software específico o para un compilador, ya que funcionarán con un mayor número de sistemas operativos y software diferentes. Esto haría que, incluso en igualdad de condiciones, si imaginamos que Intel y AMD pudiesen crear núcleos Arm tan pequeños como los de Apple, y usasen el mismo nodo, creando SoCs idénticos a los de Apple Silicon, con los mismos núcleos, el resultado tampoco sería igual…

Si bien la serie M2 de Apple es realmente impresionante, hay que decir que también tiene algunas desventajas significativas en comparación con los chips de Intel y AMD. Estas desventajas tienen que ver principalmente con la memoria, el número de núcleos y la fabricación, lo que tiene un gran impacto tanto en el rendimiento como en el precio.

En definitiva, Apple fabrica sus procesadores para sí misma y sus productos especiales. Intel y AMD, por otro lado, fabrican chips que casi todos los PC que no son Mac en todo el mundo, y perseguir un mercado tan grande significa que la especialización es una desventaja en lugar de una ventaja…

AMD e Intel: el futuro va en la dirección de Apple

Aunque es muy poco probable, y tampoco tendría demasiado sentido que AMD e Intel copien exáctamente la hoja de ruta que sigue Apple, sí que es verdad que cada vez todos están convergiendo en algunos sentidos.

Por ejemplo, AMD dio el paso a usar chiplets, empaquetados MCM, dejando solo a Intel en cuanto a chips monolíticos. De esta forma, mejoraba el yield, abarataba costes, y permitía integrar más y más núcleos en cada CPU. Ahora Intel ha mostrado su Meteor Lake, que no usa chiplets, sino que emplea un método de empaquetado similar al M2 Ultra, ya que se compone de lo que Intel llama «tiles» y todos ellos forman un mosáico de chips conectados mediante un interposer de alta velocidad, eficiencia y baja latencia. No es de extrañar que AMD también use algo similar en un futuro próximo, con la tecnología que le brinda TSMC. Por tanto, es posible que los futuros chips de estas dos empresas se parezan más al M2 Ultra.

Por otro lado, tanto Intel como AMD también han dado el paso para usar una configuración de multinúcleo heterogéneo, como hace Apple. Es decir, integran núcleos de alto rendimiento y núcleos de alta eficiencia. Por ejemplo, los P-Core y E-Core de Intel, o los Zen 4 y Zen 4c de AMD. De esta forma, pueden usar unos u otros para distribuir mejor las cargas y conseguir consumos inferiores.

Y, como he comentado anteriormente, AMD e Intel también han pasado a integrar aceleradores de IA. EL primero en hacerlo ha sido AMD, que ha incluido en Zen 4 su Ryzen AI, siendo el primero en x86 en hacerlo. Intel, dada la creciente demanda de este tipo de cargas de trabajo, también lo hará en su Intel Meteor Lake, con una NPU integrada. De este modo, se asemejan al los A-Series y M-Series de Apple, que ya contaban todos con su Neural Engine.

Para finalizar, decir que algunos productos específicosd e Intel y AMD se parecen bastante más de lo que se pueda imaginar a los de Apple. Son aquellos destinados a proyectos muy específicos como las consolas dominadas por SoCs de AMD, o el NUC de Intel. Después de todo, estos dispositivos ya están bastante cerrados y personalizados desde el principio, por lo que los beneficios de utilizar hardware diseñado para ser compatible con muchos otros componentes no es tan importante…