Unified Memory คืออะไร ? Apple นำไปใช้ในชิป M1 และ M2 ต่างจาก RAM แบบเดิมอย่างไร ?

Unified Memory Architecture คืออะไร ?

ถ้าย้อนกลับไปในปี ค.ศ. 2020 (พ.ศ. 2563) บริษัท Apple ได้ตัดสินใจเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ด้วยการประกาศเลิกใช้งานชิป สถาปัตยกรรม x86 ของบริษัท Intel ที่ทาง Apple ใช้งานมาอย่างยาวนาน มาใช้ ชิป M1 ซึ่งเป็นชิปแบบ Systems-on-a-Chip (SoC) ที่ทาง Apple ได้ออกแบบพัฒนาขึ้นมาเอง

โดยข้อดีของชิปแบบ SoC นั้นมีอยู่หลายอย่าง ทั้งการที่ชิปมีขนาดเล็กประหยัดพื้นที่, ประหยัดพลังงานกว่าสถาปัตยกรรม x86 หลายเท่า ฯลฯ แต่ที่เราจะมากล่าวถึงในบทความนี้ จะเป็นเรื่อง Unified Memory Architecture ที่อยู่ในชิป Apple M1 และ Apple M2

เวลาที่เรากดสั่งซื้อ Mac บนหน้าเว็บไซต์ของ Apple เราจะสังเกตเห็นว่า ตอนที่เลือกขนาดหน่วยความจำ เขาจะไม่ได้ระบุว่าเป็น "หน่วยความจำ" หรือ "เมมโมรี่ (Memory)" เหมือนกับสมัยที่ยังใช้ชิป x86 แต่จะเขียนเป็น "หน่วยความจำรวม" หรือ "Unified Memory" แทน

ว่าแต่ Unified Memory คืออะไร ? ต่างจาก หน่วยความจำหลัก RAM ที่เราใช้งานในชิปของ ระบบสถาปัตยกรรม x86 อย่างไร ? มาหาคำตอบกัน

ทำไมคอมพิวเตอร์ต้องมี RAM ?
(Why do computers even need RAM ?)

ก่อนที่จะไปทำความเข้าใจว่าหน่วยความจำรวม (Unified Memory) คืออะไร ? เรามาทำความเข้าใจก่อนดีกว่า ว่าทำไมในระบบคอมพิวเตอร์ต้องมีหน่วยความจำหลัก อย่าง RAM ด้วย

โดย หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ในคอมพิวเตอร์นั้นทำงานได้เร็วมาก อย่าง CPU แบบ i7-12850HX นั้น สามารถทำความเร็วในขณะที่ Turbo Boost สูงสุด ได้ถึง 4.80 GHz ที่ความเร็วระดับนี้ ข้อมูลจะถูกประมวลผลในระดับนาโนวินาที (10⁻⁹ วินาที) แต่ในขณะที่ อุปกรณ์เก็บข้อมูลแบบ SSD หรือ ฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ (HDD) นั้นสามารถส่งข้อมูลให้ CPU ได้แค่ทุก ๆ 10 มิลลิวินาที (0.01 วินาที) นั่นหมายความว่าในขณะที่ CPU ทำงานเสร็จไปแล้ว มันก็นั่งว่างงาน หยุดรอคอยจนกว่าข้อมูลใหม่จาก อุปกรณ์เก็บข้อมูล จะเดินทางมาถึงเพื่อเริ่มประมวลผลต่อได้

จะเห็นได้ว่าหากให้ CPU รอข้อมูลจากพื้นที่เก็บข้อมูลโดยตรง ระบบคอมพิวเตอร์จะเสียเวลาไปกับการรอข้อมูลเป็นอย่างมาก เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว เราจึงต้องมีหน่วยความจำความเร็วสูงให้ระบบใช้ ซึ่งนั่นก็คือ RAM นั่นเอง

และถึงแม้ว่า RAM จะไม่สามารถเก็บข้อมูลเอาไว้ในตัวได้อย่างถาวร แต่มันก็ยังทำงานได้เร็วกว่า SSD หลายเท่า โดย RAM สามารถส่งข้อมูลไปให้ CPU ได้ที่ความเร็วระดับ 8.8 นาโนวินาที ซึ่งเป็นความเร็วที่ต่างจาก CPU ไม่มากนัก

ดังนั้น การมีอยู่ของ RAM จึงช่วยให้ CPU ทำงานได้อย่างต่อเนื่อง ไม่ต้องเสียเวลารอข้อมูลจาก SSD หรือ HDD ที่ส่งข้อมูลได้ช้ากว่า RAM มาก

โครงสร้างในการทำงานของคอมพิวเตอร์ จึงเป็นลำดับดังนี้ โปรแกรมเก็บไว้บนไดร์ฟเก็บข้อมูล เมื่อถูกเรียกใช้งาน มันจะส่งข้อมูลบางส่วนไปเก็บไว้บน RAM เพื่อรอไว้ให้ CPU พร้อมเรียกใช้งานได้ในทันที ดังนั้น ยิ่ง RAM มีความเร็วมากเท่าไหร่ CPU ก็จะประมวลผลงานได้เร็วต่อเนื่องมากเท่านั้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการทำงานของคอมพิวเตอร์เร็วขึ้นตามไปด้วย

และนี่คือเหตุผลที่ Apple ได้พัฒนาสถาปัตยกรรมหน่วยความจำรวม (Unified Memory Architecture) ขึ้นมา

แรมของ CPU และแรมของ GPU
(CPU RAM and GPU RAM)

อ่านมาถึงบรรทัดนี้ คุณผู้อ่านน่าจะเข้าใจแล้วว่า ทำไมเราต้องมี RAM ต่อมาเรามาทำความเข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของ หน่วยประมวลผลหลัก CPU ที่ทำหน้าที่ประมวลผลทุกสรรพสิ่งให้กับเครื่องคอมพิวเตอร์ และ หน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) ที่เป็นของการ์ดจอ (Graphic Card) กันต่ออีกสักเล็กน้อย ซึ่งทั้งคู่ก็มีหน้าที่ในการประมวลผลเหมือนกัน แต่ว่ามีการแบ่งบทบาทอย่างชัดเจน

โดย CPU ออกแบบมาเพื่อประมวลผลงานทั่วไป ส่วน GPU ออกแบบมาเพื่อคำนวณผลด้านกราฟิกโดยเฉพาะ แม้ว่าทั้งคู่จะประมวลผลงานคนละประเภท แต่ทั้งคู่ก็ต้องอาศัย RAM ในการรับข้อมูลไปประมวลผลเหมือนกัน โดยแบ่งออกเป็น RAM ที่ทำหน้าที่ส่งข้อมูลให้ CPU และ RAM ของวิดีโอ(Video RAM หรือ VRAM) ที่คอยเก็บข้อมูลกราฟิกสำหรับให้ GPU ไปประมวลผลต่อนั่นเอง

อย่างการทำงานเพื่อให้เห็นภาพมากขึ้น

เมื่อเราเปิดเกมคอมพิวเตอร์ขึ้นมา CPU จะเริ่มทำงาน โดยสั่งให้ดึงข้อมูลเกมจากไดร์ฟขึ้นไปใส่ไว้ใน RAM หลังจากนั้น CPU จะเริ่มประมวลผลข้อมูลส่งไปยัง VRAM จากนั้น GPU จะดึงข้อมูลจาก VRAM ไปประมวลผลกราฟิก

และเมื่อประมวลผลเสร็จแล้วมันก็จะส่งข้อมูลกลับไปให้ RAM ที่อยู่บน CPU ทำงานจนเสร็จ ก่อนจะแสดงผลภาพให้เราเห็นบนหน้าจอ ในกรณีที่เป็น GPU แบบออนบอร์ด จะมี RAM เพียงแค่ส่วนเดียว แล้วแบ่งพื้นที่ร่วมกันใช้งานกันคนละส่วน

ภาพจาก https://www.makeuseof.com/what-is-unified-memory/

ซึ่งจากโครงสร้างดังกล่าว จะเห็นได้ว่าข้อมูลจะต้องเดินทางไปมานั่นมานี่ การเคลื่อนย้ายข้อมูลที่เกิดขึ้นนี้ แม้จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่ระบบก็เสียเวลาให้กับการเดินทางของข้อมูลอยู่ดี

นี่เองที่เป็นเหตุผลให้ Apple พัฒนา Unified Memory ขึ้นมา

Unified Memory ทำงานอย่างไร ?
(How does Unified Memory work ?)

Apple ออกแบบให้ชิป M1 และ M2 เป็นชิปแบบ SoC ที่รวมทุกอย่างทั้ง CPU, GPU และ RAM เอาไว้ในแพ็กเกจเดียวกัน แม้ว่าการนำ RAM ไปรวมไว้ใน SoC ด้วยจะเป็นเรื่องธรรมดาที่สมาร์ทโฟนทำมานานแล้ว แต่สำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์ หรือโน้ตบุ๊ก ถือว่าเป็นไอเดียใหม่ ที่เพิ่มประสิทธิภาพให้กับระบบเป็นอย่างมาก

แทนที่ RAM จะถูกเชื่อมต่อกับ CPU ผ่านช่องเสียบบน เมนบอร์ด (Mainboard) ที่ทำให้มีคอขวดในการรับส่งข้อมูลไปให้ CPU ทาง Apple นำ RAM ไปเชื่อมต่อกับ CPU โดยตรง ผ่าน Interposer ซึ่งเป็นเพียงแค่ชั้นเลเยอร์ซิลิคอนบาง ๆ เท่านั้น การขยับ RAM ไปชิดติดกับ CPU ทำให้เวลาที่ข้อมูลใช้ในการเดินทางของข้อมูลเร็วขึ้นกว่าเดิมมากเลยทีเดียว

นอกจากนั้นแล้วทาง Apple ยังได้เปลี่ยนวิธีการที่ CPU และ GPU ใช้ในการเข้าถึงหน่วยความจำอีกด้วย แทนที่จะแยก RAM และ VRAM ออกจากกัน Apple กำหนดให้มี RAM เพียงตัวเดียว เพื่อให้ไม่ต้องส่งข้อมูล แลกเปลี่ยนไปมาระหว่าง RAM กับ VRAM อีกต่อไป

มันแตกต่างจากการทำงานของการ์ดจอแบบออนบอร์ดนะ อันนั้นสมมติ RAM มีอยู่ 16 GB. มันอาจจะถูกแบ่งเป็น RAM 14 GB. และ VRAM 2 GB.

ซึ่งทาง Apple ออกแบบให้ ทั้ง CPU และ GPU ใช้ RAM ร่วมกันโดยตรง ข้อมูลไม่จำเป็นต้องถูกส่งไปส่งมาเหมือนแต่ก่อน CPU จะบอก GPU โดยตรงเลยว่า ข้อมูลอยู่ในตำแหน่งไหน จากนั้น GPU ก็จะอ่านข้อมูลในตำแหน่งดังกล่าว แล้วตอบ CPU ไปว่า

"เฮ้ งานในหน่วยความจำตำแหน่ง 0x00000000 เสร็จแล้วพวก เอาไปใช้ได้เลย"

ภาพจาก : https://www.makeuseof.com/what-is-unified-memory/

RAM ยิ่งเยอะ ยิ่งเร็ว
(More RAM More Speed)

สำหรับ Unified Memory นั้น แบนด์วิธ ในการทำงานจะขึ้นอยู่กับขนาดของหน่วยความจำรวม ใน Macbook Pro ที่ใช้ชิป M1 Max นั้น มีขนาดหน่วยความจำรวมสูงสุด 64 GB. มีแบนด์วิธในการทำงานสูงถึง 400 GB/s และถ้าเป็นชิป M1 Ultra ที่มีหน่วยความจำรวมสูงสุด 128 GB. ก็จะมีแบนด์วิธในการทำงานสูงถึง 800 GB/s

เมื่อเทียบกับ CPU ของทาง Intel แล้ว อย่าง i9-12900HX Processor นั้นมีแบนด์วิธหน่วยความจำสูงสุดเพียง 
76.8 GB/s เท่านั้น ถ้าเอาไปเทียบกับชิป M1 Ultra แล้วจะต่างกันเกือบ 10 เท่า เลยทีเดียว

ข้อเสียของ Unified Memory
(Unified Memory Disadvantages)

เนื่องจาก หน่วยความจำแบบ Unified Memory เป็นส่วนหนึ่งของชิป SoC ดังนั้นผู้ใช้งาน จะไม่สามารถเพิ่ม RAM ได้เองตามต้องการเหมือนกับระบบแบบเก่า และแน่นอนว่าเมื่อชิป M1 เป็นผลิตภัณฑ์ของ Apple ราคาของมันจึงค่อนข้างแพงพอสมควรเลยทีเดียว

โดย RAM ขนาดความจุ 32 GB. หากเราซื้อมาใส่เอง สัก 5,000 บาท ก็หาซื้อได้แล้ว แต่ถ้าเลือกเพิ่ม RAM จาก 32 GB. เป็น 64 GB. ทาง Apple คิดเงินคุณเพิ่มถึง 14,000 บาท เทียบกับสมัยก่อนที่คุณซื้อ RAM มาใส่เพิ่มเองได้แล้ว Unified Memory ถือว่าต้องจ่ายเพิ่มขึ้นกว่าเดิมเยอะเลย

Unified Memory ไม่ใช่สิ่งใหม่
(Unified Memory is not a New Thing)

หากคุณสงสัยว่า ถ้า Unified memory ในชิปของ Apple มันดีขนาดนี้ แล้วทางฝั่งของ เครื่อง PC ล่ะ จะปรับไปใช้งานบ้างหรือเปล่า ? แนวคิดนี้ ทาง AMD ก็มีแผนที่จะทำแล้วเหมือนกัน คาดว่าน่าจะได้เห็นชิปรุ่นใหม่นี้ในปี ค.ศ. 2023 (พ.ศ. 2566)

ภาพจาก : https://www.anandtech.com/show/17445/amd-combining-cdna-3-and-zen-4-for-mi300-data-center-apu-in-2023