苹果的 M 系列 CPU 是 Apple Silicon 家族的一部分，这些是基于 ARM 的系统级芯片（SoCs），从 2020 年的 M1 开始引入。这些芯片采用异构（类似于 big.LITTLE）架构，结合高性能核心（P-cores）和高效核心（E-cores），以平衡功耗和性能。这种设计针对从后台进程到计算密集型工作负载的任务进行优化。
关键架构特征包括：
- 统一内存架构 (UMA)：CPU、GPU 和加速器共享高带宽内存（例如，M4 中的理论峰值高达 120 GB/s），减少延迟并提高效率。
- 核心配置：
- M1：4 个 P-cores（最大 3.2 GHz）+ 4 个 E-cores（最大 2.06 GHz）。
- M2：4 个 P-cores（最大 3.5 GHz）+ 4 个 E-cores（最大 2.42 GHz）。
- M3：4-8 个 P-cores（最大 4.05 GHz）+ 4 个 E-cores（最大 2.75 GHz），根据型号而异（例如，M3 Pro 有 6 个 P-cores + 6 个 E-cores）。
- M4：4-10 个 P-cores（最大 4.4 GHz）+ 6 个 E-cores（最大 2.85 GHz），具有变体如 M4 Pro（10 个 P-cores + 4 个 E-cores）和 M4 Max。
- 附加组件：集成 GPU（使用基于图块的延迟渲染）、用于 ML 任务的 Neural Engine（针对 FP16/INT8 优化），以及加速器如高级矩阵扩展 (AMX) 用于矩阵运算，在 M4 中演变为 ARM 可扩展矩阵扩展 (SME)。
- 功耗和效率重点：设计用于低功耗（负载下通常 10-20W. ，CPU 支持 FP64/FP32，但 GPU 上的 FP64 有限。✅
这些芯片为 macOS 设备如 MacBooks、iMacs 和 Mac Studios 提供动力，性能在各代之间扩展（例如，M4 GPU 的 FP32 峰值约为 2.9 TFLOPS）。
| 芯片 | P-Cores (最大频率) | E-Cores (最大频率) | GPU 核心 | 内存带宽 (峰值) | 典型用例 |
|---|---|---|---|---|---|
| M1 | 4 (3.2 GHz) | 4 (2.06 GHz) | 7-8 | ~68 GB/s | 入门级 Macs (例如，MacBook Air) |
| M2 | 4 (3.5 GHz) | 4 (2.42 GHz) | 8-10 | ~100 GB/s | 中档 (例如，MacBook Pro 13″) |
| M3 | 4-8 (4.05 GHz) | 4-6 (2.75 GHz) | 8-40 | ~120 GB/s (Pro/Max) | Pro 型号，具有增强的 ML 加速。 |
| M4 | 4-10 (4.4 GHz) | 4-6 (2.85 GHz) | 8-40 | ~120 GB/s | 最新，具有 SME 用于矩阵运算。 |
macOS 调度算法
macOS 使用 XNU 内核（Mach 和 BSD 的混合），它采用基于优先级的线程调度器，具有分时元素。调度器在运行队列上操作，这些队列分为带（Normal、System High Priority、Kernel Mode Only、Real-Time），允许线程根据行为迁移。优先级在带内随时间衰减以防止饥饿，系统支持策略如 FIFO、Round-Robin，以及针对音频/ML 任务的时间约束实时策略。
对于 Apple Silicon，调度针对非对称多处理 (AMP) 进行优化，其中线程通过 Grand Central Dispatch (GCD) 根据服务质量 (QoS) 级别进行分派。QoS 确定核心资格，没有直接 API 用于手动核心分配：
- QoS 级别：从 9（最低，后台）到 33（最高，用户交互）。低 QoS (9) 线程限制在 E-cores；更高 QoS 线程可以使用 P- 和 E-cores。
- 核心分配：
- 线程被排队并批量分配到核心集群（2-4 个相同类型核心的组，以统一频率运行）。
- 在 M1 上：最多 4 个高 QoS 线程优先 P-cluster；5-8 个溢出到 E-cluster。
- 在 M1 Pro/Max 上：前 4 个到 P0（4 个 P-cores），5-8 个到 P1（4 个 P-cores），溢出到 E-cluster（2 个 E-cores）。
- 在 M1 Ultra 上：四个 P-cluster 顺序加载，然后是 E-cluster。
- 后台任务（例如，Time Machine、Spotlight）仅在 E-cores 上运行，频率降低（M1 上约 1 GHz，在 Pro/Max 上可调整以实现功耗均衡）。
- 动态调整：GCD 动态分发任务，高 QoS 优先 P-cores，但在负载下招募 E-cores。实时线程指定周期分数（例如，3000/7000 周期），如果计算绑定则可能被降级。Mach 中的 Voucher 对象确保跨 IPC 的优先级继承。
在游戏和 HPC 中，开发者通过 OpenMP 调整 CPU 并行性或 Metal Performance Shaders (MPS) 用于 GPU，组织作业以最大化 P-core 使用，同时 E-cores 处理轻任务。 虚拟机（例如，在 Parallels 中）运行高 QoS 线程，但遵循主机调度规则。
挑战包括中等负载场景，其中线程迁移到 E-cores，导致 slowdowns（例如，在 DAW 如 Logic Pro 中），以及有限控制——工具如 taskpolicy -c background 强制 E-core 执行，但无法覆盖低 QoS 限制。
流程图-like 逻辑（来自草案）：从 QoS 分配开始 → 队列分离（低 vs. 高） → 批量到集群 → 根据集群负载设置频率。
频率和功耗控制 (DVFS 和管理)
Apple Silicon 采用动态电压和频率缩放 (DVFS) 来实时调整核心电压/频率，在满足性能需求的同时最小化功耗。这是内核管理的，除了功耗模式（Automatic、Low Power）之外，没有用户暴露的控制。
- 频率缩放：
- 按集群：集群中的所有核心以相同频率运行，根据 QoS 和负载缩放。
- E-cores：单低 QoS 线程约 1 GHz（例如，在 M1 Pro 上）；多线程或高 QoS 溢出时高达最大值 (2-2.85 GHz)。
- P-cores：高 QoS 接近最大 (3-4.4 GHz)；在 Low Power 模式下降低（例如，M4 Pro 降到 3.624 GHz 用于 FP 测试，2.616 GHz 用于 NEON >5 线程）。
- GPU：独立缩放 (1.27-1.47 GHz)，在某些模式下不受 CPU DVFS 影响（例如，M3 Pro Low Power 显示无 GPU 变化）。
- 功耗管理：
- Low Power 模式：限制总 CPU 功耗（M4 Pro 上约 14W. M3 Pro 上 <10W）以限制热量/风扇使用。降低 P-core 频率/能量（例如，M3 Pro NEON：每线程 6.7 KJ → 3.6 KJ；M4 Pro FP：每线程 1,300 mW → 1,100 mW）。E-core 频率无变化，但 GPU 降到 1/3 频率。✅
- Automatic 模式：更高频率/功耗（例如，M4 Pro NEON：3,000 mW/P-thread，280 mW/E-thread；7+ 线程总 >32W. 。✅
- 测量：使用
powermetrics获取实时数据。效率在 GPU-MPS 上达到 >200 GFLOPS/W. CPU 约 0.25 TFLOPS/W。✅ - DVFS 机制：根据工作负载调整（例如，空闲/低负载：降频；高负载：升频）。统一 SoC 启用特定域缩放 (CPU/GPU/内存)，尽管细节是专有的。在 HPC 中，DVFS 有助于能量效率，但限制 GPU 上的 FP64。
比较：
- E-cores 在轻任务上功耗胜出（例如，两个 E-cores 在最大频率下超越一个 P-core，同时使用更少功耗）。
- Low Power vs. Automatic：CPU 任务上 30-50% 能量节省，但在持续负载下可能节流。
总体而言，macOS 将 QoS 驱动的调度与 DVFS 集成，确保最佳电池寿命/性能，尽管开发者必须针对异构核心进行剖析。