Apple Silicon Macの新しいシステムアーキテクチャについて

Apple Silicon Macの新しいシステムアーキテクチャについて

Apple Silicon Macは、AppleのSystems-on-Chip （SoC)　アーキテクチャを使い最新の強みをもたらします。CPUとGPUのタスクに統合メモリアーキテクチャを活用し、MetalやAccelerateといったApple SiliconがチューニングされたフレームワークでMac Appは驚くべきパフォーマンス上のメリットを享受します。ブート、セキュリティにおける新機能と変更点、またそれらがあなたのAppにどのように影響するかをお話します。

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“こんにちは　WWDC2020”
WWDCへようこそ “Apple Silicon Macの新しいシステムアーキテクチャについて” Core OSグループのギャヴィンです macOSをApple Siliconへ導入する仕事を担当していますこれらのシステムの変更点についてご紹介できることをうれしく思いますこれから新しい機能と― macOSアプリケーションでの活用法をお話ししますセキュリティ強化とアプリケーションの互換性にも触れます後ほど同僚のアナンドが― ブート機能と復元のお話をします IntelベースのMacはマルチコアCPUとディスクリート GPUで構成され― 最近のMacにはT2 チップも入っています T2 チップはApple PayやTouch ID Hey Siriを可能にしていますディスクリート GPU搭載のマシンは CPUとGPUにそれぞれメモリがあります
新しいApple Silicon Macは― これらを１つのチップに１つのシステムつまりSoCとしましたすべてを１つのチップに構築すると― unified memory architectureになりますつまりGPUとCPUが同じメモリで動作するのですテクスチャやイメージやジオメトリデータのような画像リソースを― CPUとGPU間で効率的に共有できます PCIe バスを通してデータをコピーする必要はないのです MacでApple Siliconを使えば― iPhoneとiPad用に開発された技術を Macに導入することができます Apple Siliconは強力なビデオエンコーダとデコーダそしてNeural Engineと― 行列乗算の機械学習アクセラレータを含むコプロセッサで構成されています
Macは長年マルチコアCPUでしたが― IntelベースのMacにとってコアはすべて同じ性能でした Apple Silicon Macは最大の性能を発揮するperformance coresと― 電力効率のよいefficiency coresの混合型です
asymmetric multiprocessing またはAMPと呼びますコアは同じアーキテクチャの機能をサポートし― 同じソフトウェアに命令を送ります macOSはこれらのコアを同時に使い― アプリケーションの最新の性能要件によって適切なコアを設定します
ではアプリケーションでどのように macOSの新しい能力を活用すべきでしょうか？新しいAPIを期待されているかもしれませんねしかし私たちは長年すべてのプラットフォームのAPIの構築と― Apple Siliconのフレームワークの最適化に努めてきました
GPUで作業を実行するためには― IntelベースとApple Silicon Macの両方で Metal APIを使うべきです Apple Siliconで unified memory architectureが― 力を発揮するタスクを実行すると速度が上がります
ハードウェアビデオエンコーダとデコーダを活用するために― 現在のmacOSのAVFoundationと VideoToolboxを使うことができます最高のパフォーマンスを得るには― ハードウェアが最適化されるピクセルフォーマットを使いたいでしょう Apple Siliconは特にこのような BiPlanarフォーマットの処理に効率的です BiPlanarという名称のコードがあれば注意してくださいね
Core MLコードはどのMacでも動作します機能的にはIntelベースのMacでも利用可能ですが― Apple Siliconのほうがずっと速く効率的です Neural Engineと機械学習アクセラレータを利用しています
Core MLコードは何の変更もなしに Neural Engineで動作するはずですモデルがCPUだけでまたはCPUとGPUで動作するように― 明確に設定してない事柄を確認したい場合について Neural Engine上で動作するためには― computeUnitsをすべてに設定しそれをデフォルトとします
Apple Siliconでは Accelerate frameworkを使いもっと直接的に― 機械学習アクセラレータを活用することができますもちろんAccelerateやCompressionや simdフレームワークのすべては― IntelベースとApple Silicon Macの両方で機能するよう調整されています
AMPに関して２つのアドバイスがありますまず作業アイテムのすべてに必ずQoSを設定してくださいこれらのQoSプロパティがどの作業を優先するかの指標になります最高のパフォーマンスで作業を完了するのか― 出力効率を優先すべきかを判断するのです
すべてのプラットフォームに QoSを正しく設定することが重要ですが― AMPのプラットフォームにおいては特に重要です QoSがタスクを実行するコアを決定するファクタだからです
２つめのアドバイスは Grand Central Dispatchを使うことですこれもすべてのプラットフォームで重要ですが― AMPシステムでは特に重要です
なぜでしょう？
コアにそれぞれ異なるパフォーマンスの特徴がある場合― 複数のコアで作業を分ける際に慎重さを要しますそれぞれに適切な割合のタスクを分配する必要があるからです
concurrentPerformのような Grand Central DispatchのAPIは― タスクを最適に分配しすべてのコアで並行に作業が進むようにします
このようなAPIを使う場合― 必ずタスクを十分な数のイテレーションに分けてくださいシステムの負荷を効率的に分散できます “WWDC セッション” これらのフレームワークは長年macOSにあるので― もっと理解したいなら多くの資料がありますよこれらのWWDCセッションから見てみてください
今年はMetalチームが新しいセッションを行います Apple Silicon MacのMetalについてです
これでApple SiliconのmacOSの説明を終わります次はセキュリティについて話します
iPhoneにすばらしいセキュリティ機能をもたらしたSilicon その機能をMacに導入しましたしかもMac本来の能力を失うことはまったくありません機能の例としては書き込みXOR実行カーネル整合性保護ポインタ認証とデバイス分離があります
Apple Siliconは書き込みXOR実行と呼ばれる制限を実施しますメモリページは書き込み可能でも実行可能でも構いませんが― 両方が同時になっていてはいけません書き込み可能かつ実行可能なページはセキュリティの脆弱性になり得ますただし最新のアプリケーションの多くは JITコンパイラを組み込んでおり― JavaやJavaScriptなどの言語をサポートしますこれらのコンパイラは― しばしばメモリが書き込み可能かつ実行可能であることに依存します
そこで我々は新しいAPIでメモリの― 書き込み権限と実行権限を素早く切り替えられるようにしましたすばらしいのはこれがスレッドごとに機能することです２つのスレッドが同じページで異なる権限を受けられますこれによりマルチスレッドJITでの採用が容易になり― また高速で安全なJITコンパイラが実現します Apple Siliconにはメモリコントローラ内でハードウェア･サポートがあり― OSカーネルのコードを不変にしますカーネルがメモリに読み込まれると― カーネル整合性保護がカーネルコードを含むページが変更されるのを防ぎます追加ページが実行可能にされることもです実行中に新しいコードがカーネルに挿入されるような攻撃をブロックします
ポインタ認証はポインタの誤用を防ぎ― リターン指向プログラミングなどの攻撃に対して強化できます 64ビットポインタの未使用ビットはポインタ認証コードを格納するために使われ― ポインタが使われた時にチェックされます現在カーネルやシステムアプリケーションシステムサービスで使用できるようにしていますポインタ認証のアプリケーションの配布を開始する準備はまだ整っていませんでも実験してみたければ自分で設定できるboot-argがあります
PCIe デバイスはIOMMUを介してシステムメモリにアクセスします IntelベースのMacでは― macOSはすべてのデバイスにシステムメモリの共有ビューを提供します
Apple Siliconではすべてのデバイスに個別のメモリマッピングが与えられ― デバイスのアクセスは意図するメモリのみに制限されますデバイス間のスヌーピングも防ぎます
PCIe デバイスドライバで DMA転送をセットアップするには― IOMapperとIODMACommand APIを使用する必要がありますデバイスからIOMapperを取得していることを確認し― IODMACommandを構成する時にそれをパスします
一部の古いドライバはこのAPIを使わず― IOMemoryDescriptorで直接 getPhysicalSegmentを使いますそれではうまくいきません新しいプラットフォームに移植する前に新しいAPIに更新する必要がありますこの古いAPIならカーネル拡張で書かれた IOKitドライバで使っているはずです
カーネル拡張は依然サポートされていますが― 開発者そしてユーザにとって不便さが増していくでしょう私が紹介した最後の３つのセキュリティ機能はカーネル拡張の開発に影響を与えますカーネル整合性保護をサポートできるようにするには― macOSがカーネル拡張をロードする方法を変更する必要がありましたつまり再起動が必要になります “カーネル拡張” そしてポイント認証ですカーネル拡張を開発する場合ポイント認証を有効にする必要がありますプラットフォームの改善が進むにつれカーネル拡張に関する摩擦は増すでしょう昨年 CatalinaでDriverKitを紹介しましたユーザ空間で実行するドライバを構築でき― システムの安定性とセキュリティが向上します開発するドライバにDriverKitを検討してないなら今そうすべきです DriverKitを使い始めるためにこのリソースをご利用くださいセキュリティについては以上です次にこのプラットフォームでのアプリケーションサポートを見てみましょう
Rosettaは既存のx86_64アプリケーションを実行するためのトランスレータですあらゆる種類のアプリケーションを実行します macOS Catalyst ゲーム… JITコンパイラが埋め込まれたWebブラウザなどの複雑なアプリケーションもです
Metalを使用するアプリケーションは Apple GPUに適切なコマンドを直接生成 Core MLを使用する翻訳済みアプリケーションは Neural Engineで実行できます Rosettaのパフォーマンスと互換性は― Apple Siliconとソフトウェアチームの連携により実現しました
Rosettaはアプリケーションがインストールされた瞬間から動作します App Storeかパッケージインストーラにトリガーされ― Rosettaはアプリケーション内のすべての実行可能コードの翻訳を開始アプリケーションが我々のインストーラを使用しない場合― 最初の起動時にDockに余計なバウンスの表示が出ることがありますそれから翻訳を開始します
またセキュリティはこの翻訳プロセスに深く統合されていますアプリケーションの翻訳はすべてコード署名されており― １つのマシンに関連付けられ安全に保存され OSのアップデートで更新されますアプリケーションが起動し保存されている翻訳を読み込ませると― Rosettaはx86_64プロセスを完全にエミュレートしますシステムコールインターフェースまでです全システムのフレームワークを含めプロセスのすべてが翻訳されます Rosettaがインストール時に翻訳されてないコードに新しく遭遇した場合― その場でコンパイルします Rosettaは期待どおりのセキュリティを維持します強化されたランタイム保護により実行されている全プロセスに実施されますすべてうまくいくといいですが― アプリケーションをデバッグかプロファイルする必要がある場合もフルにサポートされています Xcodeから直接翻訳済みAppをビルドし実行し Instrumentsからプロファイルできます LLDBなどのコマンドラインツールも使えます IntelベースとApple Silicon Macで実行されるプロセスに違いがありますページサイズメモリの順序規則 mach_absolute_timeの頻度― 浮動小数点の動作の細かいところこれらはすべて変わります Rosettaで実行されるアプリケーションでは― すべてがIntelベースのMacでの動作と一致することを確認しました Rosettaはx86へのAVXベクトル拡張をサポートしていませんアプリケーションは使用前にマシンがAVXをサポートしているかチェックしているはずです必要な場合 sysctlが使えます
Developer Transition Kitで実行されている制限もいくつか出てきますそのハードウェアに互換性の制限があるためです DTKのリリースノートに詳細があります最後にアプリケーションがRosettaで実行されている時に知る必要があれば― sysctl.proc_translatedでチェックします
以上 Rosettaでした顧客が本当に欲しいのはアプリケーションのネイティブARM64ポートですアプリケーションの移植と最適化については多くの情報が― 開発者向けドキュメントWebサイトにありますアプリケーションの移植に関するアドバイス満載のセッションもありますぜひチェックしネイティブポートに着手してください互換性のあるiPadとiPhoneアプリケーションも Macで利用可能となりましたそれについてのセッションもありますお役に立てたでしょうか macOSのApple Siliconと― 新しいセキュリティの強化とアプリケーションサポートの解説でした次はアナンドがこれらのシステムのブートアーキテクチャを解説しますありがとうありがとう　ギャヴィン Apple Siliconへの移行は試行の連続で― ブート時の変革が大きな課題でした今日はすべてをお話ししますこのセッションでは皆さんに新たなブートの方法を説明します起動やログイン方法が新しくなりました macOS 復元モードが変わりブート時の安全性やデータ保護も強化されました
Apple SiliconはiOSや iPadOSのセキュアブートで起動します暗号化したAppleの署名を持つ要素だけを選び取るのですこのため信頼できると証明されて初めて起動するわけです macOSの起動時の安全性を高めてくれます
内蔵や外付けといった複数のmacOSも― 同じように安全に起動するようにサポートしました AppleのmacOSならどのバージョンでも起動できますこれなら未来のmacOSで以前のバージョンも使用可能です新しいmacOS 復元も導入しました Apple Siliconの起動を説明します今までよりずっとシンプルです起動に使うキーは統一されました
Mac端末のTouch IDボタンを押し続けますデスクトップなら電源を入れ Startup optionsを立ち上げます Startup optionsは macOS 復元のUIです Startup optionsからは― UIやショートカットを使って各種機能やツールにアクセスできます実際にお見せしましょう macOS 復元のStartup optionsのUIです Startup Managerに組み込まれています起動や復元に関することならすべて macOS 復元だけで済ませられ― 新たなユーザ体験となっています中でも紹介したいのはStartup Diskと Mac Sharing Modeです Mac Sharing Modeはターゲットディスクモードの代わりをしますファイルレベルのデータへのアクセスを SMB経由で提供します有効にするにはユーザ認証が必要です次にStartup Diskです macOS 復元のStartup Diskは― それぞれのボリュームごとにセキュリティポリシーを選びますセキュリティはフルか縮小型どちらか選択可能です詳しく説明しましょう
Apple Siliconのフルセキュリティモードはトップクラスのセキュリティ技術です iPhoneと同じですねデフォルトでこの状態ですそして外付けディスクから起動してもセキュリティの強度は変わりません安心ですよね一方縮小型セキュリティなら― 自分のMacを思うままに設定できます素のままのMacです
これならどのバージョンのmacOSも使えます Appleの署名が外されたものも同様です認証を受けたカーネル機能拡張をインストールにするには― 縮小型セキュリティモードを選んでください縮小型を有効にするにはまずmacOS 復元の認証が必要ですセキュリティ構成ツール “csrutil”を使えば― 特定のワークフローを対象としたセキュリティを構成できます例えばあなたがカーネル機能拡張を開発したい人や研究者 Appleのプラットフォームを開拓したい人なら活用してください csrutliを使えば安全性を高めることができます IntelベースのMacでは― アクティブなセキュリティポリシーが全体に適用されましたつまり複数のボリュームに macOSをインストールすると― １つのダウングレードが全体に影響してしまいますしかしApple Silicon Macなら― 独立したセキュリティポリシーが適用されます開発中やテスト中のmacOSのセキュリティをダウングレードしても― 別の端末はセキュリティが万全のまま使用できるのです次は新しいログイン方法です
きれいですね Apple Silicon Macではログインは統合されています進化したグラフィックを搭載した優れたUIを実現していながら macOSらしさは失っていませんこれはユーザがアンロックすることなく macOSをフル起動させられるからですこのログインならFileVaultがオンの状態でも新機能を導入できます CCIDやPIVと互換性のある ICカードの認証は― ビルトインサポートとして搭載されていますさらにVoiceOverもサポートしています次にデータ保護です T2と同じようにApple Silicon Macもデフォルトでデータ全体を暗号化します FileVaultがオンならユーザに委ねられます
さらにセキュアハイバネーションもサポートしていますバッテリー残量が少ない時のアプリケーションの保存以外にも― セキュアハイバネーションは静止時に記憶内容全体を保護しますインテグリティやanti-replayによるものです Apple Siliconならではの機能です Apple Silicon Macの復元を説明しましょうソフトウェアは macOSとmacOS 復元から構成されています macOSにアクセスできない時は macOS 復元で再インストールし復旧させますでは macOS 復元にアクセスできない時は？
Intelベースならインターネット復元を使いますが―
Apple Silicon Macはシステム復元を使います隠れた場所に格納されている最小限のmacOSの環境です macOSやmacOS 復元を再インストールして Macを復元します
Apple Configurator 2もサポートするので― システム復元が機能しない時でも復元できます macOSを削除し再インストールできるのです今日はセキュリティ強化を含めた Apple Siliconの機能についてお話ししました macOSのアプリケーションならではの強みですアプリケーションの互換性や Rosettaも紹介し― 新しい起動時の機能や復元手順についても説明しました Apple SiliconになったmacOSは大きく進化しましたこのセッションでそれが伝わればうれしいですあなたのアプリケーションに役に立ててもらえるのを楽しみにしていますありがとうございました

9:42 - Set up DMA transfer in a PCIe driver

// Get the IOMapper for the device
IOMapper *mapper = IOMapper::copyMapperForDevice(device);

// Use an IODMACommand; pass the mapper when initializing
IODMACommand *dmaCommand = IODMACommand::withSpecification(
   outSegFunc, numAddressBits, maxSegmentSize, mappingOptions,
   maxTransferSize, alignment, mapper, refCon);

// Keep the IODMACommand prepared for the duration of the i/o

14:31 - Check if running in Rosetta

// Use "sysctl.proc_translated" to check if running in Rosetta

// Returns 1 if running in Rosetta
int processIsTranslated() {
   int ret = 0;
   size_t size = sizeof(ret);

   // Call the sysctl and if successful return the result
   if (sysctlbyname("sysctl.proc_translated", &ret, &size, NULL, 0) != -1) 
      return ret;

   // If "sysctl.proc_translated" is not present then must be native
   if (errno == ENOENT)
      return 0;

   return -1;
}

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