蘋果的換芯行動

11 月 11 日凌晨，蘋果“One more thing”發(fā)布會如期而至。發(fā)布會上，蘋果宣布推出首款自研的 5nm M1 芯片，該款芯片將為其新一代基于 ARM 的 Mac 系列產(chǎn)品提供動力。蘋果公司聲稱，該款 M1 芯片搭載了許多世界頂級工藝的產(chǎn)品，包括世界上最快的 CPU 內(nèi)核、最快的 IGPU。

“蘋果花了十幾年的時間來創(chuàng)造和優(yōu)化 Apple 芯片，因?yàn)樾酒?iPhone、iPad 和 Apple Watch 的核心。現(xiàn)在我們希望將其引入 Mac，因此 Mac 可以憑借令人難以置信的性能、自定義技術(shù)和行業(yè)領(lǐng)先的芯片來實(shí)現(xiàn)巨大的飛躍。”蘋果官方如是說。

蘋果公司認(rèn)為，M1 是迄今為止性能最高的芯片，并且低功耗高效內(nèi)核可提供與當(dāng)前基于英特爾的雙核 MacBook Air 相似的性能。當(dāng)然，高性能內(nèi)核要快得多。

M1 芯片推出以前，英特爾幾乎壟斷了蘋果筆記本電腦的 CPU。2005 年，蘋果從 PowerPC 芯片切換到了英特爾。這個過渡已經(jīng)有 15 年了，過渡的成本來主要來自軟件方面。開始時開發(fā)人員需要使用蘋果提供的工具鏈來生成可以在 PPC 和 x86 Mac 上運(yùn)行的通用二進(jìn)制文件，并且并非所有蘋果以前的 API 都可以過渡到 x86。

當(dāng)年，蘋果推出的工具鏈名叫 Rosetta，用于將 PowerPC 應(yīng)用轉(zhuǎn)換到 x86 上。Rosetta 能做到讓大多數(shù) PowerPC Mac OS X 應(yīng)用程序在 x86 Mac 上運(yùn)行，盡管性能有些損失（這并不是一件簡單的事情）。最終，Rosetta 成為了蘋果的創(chuàng)可貼，直到 2011 年 Mac OS X 10.7（Lion）推出時才被放棄。

現(xiàn)在，從英特爾切換到蘋果 Silicon，蘋果給出了三種解決方案：Universal 2 通用應(yīng)用、Rosetta 2 工具鏈、原生 ARM 應(yīng)用。

第一種解決方案是在蘋果芯片版 Mac 上，使用“Universal 2”運(yùn)行應(yīng)用程序，針對 Adobe Photoshop、Microsoft Word 這樣的系統(tǒng)軟件。第二種解決方案是利用蘋果提供的 Rosetta 2 將應(yīng)用重新編譯，讓 x86 應(yīng)用能運(yùn)行在 ARM 架構(gòu)上，主要針對不太涉及處理器特性的絕大部分輕量級應(yīng)用。

從本質(zhì)上講，Rosetta 2 可能足以支持大多數(shù)主流生產(chǎn)力應(yīng)用程序，但往往無法兼容那些需要與操作系統(tǒng)、硬件或圖形硬件進(jìn)行直接交互的軟件。特別是，那些在關(guān)鍵任務(wù)需求中涉及虛擬化或高端圖形、視頻或科學(xué)類應(yīng)用處理的用戶，可能最好是等推出原生軟件版本之后再考慮升級到基于 ARM 的蘋果芯片版 Mac 平臺。

換芯給開發(fā)者們帶來的問題

很明顯，這次換芯行動將給消費(fèi)者們帶來巨大助益，包括獲得更長的電池續(xù)航并改善運(yùn)行過熱問題（2018 款 MacBook Pro 就是款強(qiáng)大的“暖寶寶”）。軟件與硬件之間的緊密集成，也將進(jìn)一步優(yōu)化用戶的使用體驗(yàn)。另外，產(chǎn)品價格也有可能隨之下降。

蘋果的芯片遷移決定，自然也激起了開發(fā)者們的擔(dān)憂，特別是在開發(fā)者體驗(yàn)方面。蘋果雖然表示提供了相應(yīng)的解決方案，強(qiáng)調(diào)新的芯片將提高開發(fā)人員的生產(chǎn)力，但是換芯行動也同樣會沉重打擊高度依賴其產(chǎn)品及生態(tài)系統(tǒng)的專業(yè)開發(fā)者。

現(xiàn)有 Mac 應(yīng)用運(yùn)行速度可能減慢

如果將現(xiàn)有 Mac 應(yīng)用借助 Rosetta 2 轉(zhuǎn)換引擎，重新編譯為“Universal 2”二進(jìn)制形式，大部分專為英特爾處理器編寫的 64 位 MacOS 應(yīng)用程序，都能夠直接運(yùn)行在蘋果芯片版 Mac 之上。

但蘋果在開發(fā)者文檔中頗為詼諧地提到：“轉(zhuǎn)譯過程需要時間，因此用戶可能感覺轉(zhuǎn)譯后的應(yīng)用在啟動或運(yùn)行時偶爾變慢。”

當(dāng)然，只要涉及任何形式的仿真、虛擬化或者轉(zhuǎn)譯過程，應(yīng)用程序的運(yùn)行速度就必然要比原生版本稍慢一點(diǎn)。雖然還沒有官方確認(rèn)，但通過已經(jīng)泄露的 Geekbench 5 基準(zhǔn)測試，大家大概可以推斷 Mac mini DTK 的運(yùn)行速度會比在 iPad Pro（2020）機(jī)型上慢多少。

與運(yùn)行原生代碼的 iPad Pro（2020）機(jī)型相比，Mac mini DTK 在通過 Rosetta 2 以單核形式運(yùn)行 Geekbench 5 基準(zhǔn)測試時，速度降低了 26%；在多核形式下，速度要慢 38%。

值得一提的是，與這款 iPad Pro 相比，Mac mini DTK 的時鐘頻率也有所下降，而且運(yùn)行的 beta 軟件并未經(jīng)過優(yōu)化。但如果我們假定二者時鐘頻率相同且在最終硬件發(fā)布時完成了進(jìn)一步軟件優(yōu)化，那么估計(jì)通過 Rosetta 運(yùn)行軟件時、相較于原生應(yīng)用的速度劣勢應(yīng)該會在 20% 到 30% 之間。

可以肯定的是，基于 ARM 的蘋果芯片 Mac 性能更強(qiáng)，甚至足以抵消引入 Rosetta 2 帶來的速度劣勢，最終實(shí)現(xiàn)與一兩年前大部分英特爾芯片版 Mac 相同的性能水平。

但是，其他人怎么辦？實(shí)際上，大多數(shù)在 Mac 上進(jìn)行開發(fā)的用戶并不是在構(gòu)建 iOS 或者 MacOS 應(yīng)用。

根據(jù) StackOverflow 2020 開發(fā)者調(diào)查，超過四分之一的開發(fā)者使用 MacOS，但只有 6% 的用戶使用 Swift 語言。作為目前蘋果唯一官方指定的蘋果生態(tài)應(yīng)用構(gòu)建語言，Swift 孱弱的市場占有率足以說明大多數(shù) Mac 用戶其實(shí)并不是在為蘋果開發(fā)產(chǎn)品。

換言之，相當(dāng)一部分 MacOS 上的開發(fā)者是在構(gòu)建其他類型的應(yīng)用，例如運(yùn)行在云服務(wù)器上的 Web 應(yīng)用程序。對于這些已經(jīng)熟悉了 Node.js、Python、Ruby、PHP、Go 甚至.NET/C# 的開發(fā)者來說，Mac 的換芯行動意味著什么？簡單來說，他們的使用體驗(yàn)必然受到影響。

相當(dāng)一部分工具和庫并不支持 ARM64

雖然情況會逐漸改善，但除了 AMD64 之外，其他大多數(shù)架構(gòu)都無法在 ARM 上運(yùn)行。而且對其他架構(gòu)的支持會帶來高昂成本：開發(fā)商需要從自己的代碼中刪除所有指向特定架構(gòu)的部分，構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施（在無法或不方便進(jìn)行交叉編譯時，可能需要購買新的硬件）、執(zhí)行測試，最后提供支持。

由于相當(dāng)一部分工具和庫屬于開源項(xiàng)目，因此由此帶來的維護(hù)需求增長將成為沉重的額外負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致某些貢獻(xiàn)者直接放棄為新的 Mac 平臺提供支持。

當(dāng)然也有一些應(yīng)用程序、特別是閉源項(xiàng)目，壓根沒有 ARM 版 build，例如微軟 SQL Server 或 OracleDB。一位網(wǎng)友曾在 Reddit 上評論說：“我在學(xué)術(shù)圈待過，之前使用 Mac 設(shè)備的學(xué)生們只能依靠 Mac + Azure Data Studio 上的 Docker 完成微軟 SQL 的操作練習(xí)。因此除非微軟發(fā)布 ARM 版本的 SQL Server，否則這項(xiàng)利好將徹底消失。目前來看似乎微軟并無此意，至少在 ARM 版 Mac 推出之前是不太可能有什么動靜。”

對虛擬化的支持也只能運(yùn)行在 ARM64 操作系統(tǒng)上

蘋果公司當(dāng)然意識到在 Mac 上運(yùn)行 Linux 的重要性，因此在發(fā)布會上演示了如何使用 Debian 虛擬機(jī)。但他們聊得不多，只是在稍后的小組討論中證實(shí)，當(dāng)時臺上展示的是 Debian 的 ARM 版本。雖然不少 Linux 發(fā)行版都提供 ARM 鏡像，但仍不是全部，而且多少會影響到軟件可用性。

更重要的是，至少 ARM 架構(gòu)是絕對支持不了 Windows 應(yīng)用。因此，如果大家打算使用 Mac 測試自己的 Windows 應(yīng)用，只能說抱歉了。你需要另外買臺筆記本，或者使用遠(yuǎn)程桌面服務(wù)。另外，你也沒法在 Mac 上運(yùn)行虛擬機(jī)進(jìn)行設(shè)備測試（例如 ESXi、pfSense、FreeNAS 等）。

Docker 受到的影響

由于 Mac 上的 Docker 只能在虛擬機(jī)內(nèi)運(yùn)行，再加上用戶只能對基于 ARM 架構(gòu)的 Linux 進(jìn)行虛擬化，意味著我們未來只能在蘋果芯片版的 Mac 上運(yùn)行 ARM64 容器。

目前，Docker Hub 上存在 331 萬 9219 個針對 AMD64 的鏡像，但針對 ARM64 的鏡像只有 29076 個，占比不足 1%。再有，構(gòu)建多架構(gòu) Docker 鏡像還特別復(fù)雜。

尤其需要注意的是，由于生產(chǎn)系統(tǒng)通常運(yùn)行 Linux/AMD64，因此你生產(chǎn)的二進(jìn)制文件及 Docker 鏡像很可能無法在開發(fā)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。當(dāng)然，你也許可以進(jìn)行重新編譯及交叉編譯，但永遠(yuǎn)無法還原其真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。另外，如果你的應(yīng)用在生產(chǎn)環(huán)境中發(fā)生問題，也無法僅憑二進(jìn)制文件或容器鏡像在自己的筆記本上進(jìn)行調(diào)試。

Docker 在開發(fā)者的日常工作流程中占據(jù)非常重要的位置，所以這些令開發(fā)者們感到相當(dāng)頭痛。

Docker配置環(huán)境錯誤

任職于 Docker 的 Stephen Turner 博士表示：“雖然操作系統(tǒng)具有虛擬化功能，但蘋果芯片尚不支持虛擬化。我們也無能無力，但我們正在和蘋果緊密合作希望解決這個問題。”但什么時候能夠解決，他表示“還沒有具體的日期”。

在 11 日的發(fā)布會后，據(jù)開發(fā)者的反饋，他們懷疑問題是否已經(jīng)解決：“據(jù)我所知，M1 確實(shí)具有虛擬化支持，但尚未移植 Docker。”

并且如果只能在虛擬化層上運(yùn)行 Docker，將給文件 I/O 性能造成嚴(yán)重拖累，并導(dǎo)致大型項(xiàng)目的編譯速度直線下降。有開發(fā)者表示目前他只能使用 docker-sync 來解決這個問題。另外，除非使用 docker machine 實(shí)現(xiàn)真虛擬機(jī)，否則沒有其他方法能夠?qū)⒃O(shè)備掛載至 Mac 上的 docker 容器當(dāng)中。所以，對于大多數(shù)需要與硬件直接交互的軟件廠商來說，早點(diǎn)發(fā)布自家軟件的原生版本才是正道。

當(dāng)然，你可以使用 Rosetta 2 來運(yùn)行 x86 容器，但其能否進(jìn)一步擴(kuò)展至支持虛擬化 Linux 等 x86 操作系統(tǒng)仍然有待觀察。

參照 2005 年的過渡方案，蘋果為這次過渡給出了兩年時間。如果一切順利，蘋果應(yīng)該會在兩年之后的新版本 macOS 中去掉對 x86 指令集的支持，在三年之后的新版本中去掉 Rosetta 2。而這三年之中，開發(fā)者們需要付出什么樣的代價，還有待驗(yàn)證。
責(zé)任編輯:tzh