Was steckt im Smartphone? Folge 2: Der zentrale Chip (SoC)

Unsere Mini-Serie über das Innenleben von Smartphones beschäftigt sich in dieser Folge mit dem zentralen Baustein jedes Mobiltelefons: Dem sogenannten SoC, bei einigen Herstellern auch Mobilplattform oder Smartphone-Prozessor genannt. Wobei in diesen zentralen Smartphone-Chips in der Regel noch einiges mehr steckt als „nur“ die CPU. Aber lesen Sie selbst …

Aufmacherbild: (C) Qualcomm

Das technische Herz eines Smartphones ist das sogenannte SoC. In diesem Bauteil steckt vor allem der Hauptprozessor (CPU – Central Processing Unit), der heute bis zu acht Rechenkerne enthält. Um eine möglichst hohe Integration zu erreichen – und somit den Platz- und Gewichtsbedarf der Elektronik im Smartphone zu reduzieren –, enthält der Chip neben der CPU aber auch noch weitere Bauteile. Etwa einen Grafikprozessor samt Kamera-Controller sowie das Modem für die Mobilfunk-Kommunikation über alle unterstützen Standards wie 2G (GSM), 3G (UMTS) und 4G (LTE). Auch die Elektronik zur Steuerung, Decodierung und gegebenenfalls Codierung von WLAN-, Bluetooth-, GPS-, NFC- und USB-Signalen ist in diesem Zentralchip integriert. Weil es sich somit um ein fast komplettes Rechner-System auf einem einzigen Chip handelt, spricht man auch von „System on a Chip“ oder kurz SoC. Nur noch wenige Zusatz-Bauteile wie vor allem Arbeitsspeicher (RAM) und Massenspeicher (Flash-Memory) befinden sich in der Regel noch als separate Chips außerhalb des SoC.

Weniger ist mehr – beziehungsweise schneller: Der späte Siegeszug von RISC auf Smartphones

Auch wenn mehrere Hersteller Smartphone-SoCs entwickeln und produzieren, basieren alle aktuellen Systeme auf einer Architektur, die das britische Unternehmen ARM erfunden hat. Da diese Firma ihrerseits aus dem Computerhersteller Acorn hervorging, stand das Kürzel zunächst für „Acorn RISC Machines“ und wurde später in „Advanced RISC Machines“ umgedeutet. Beide Namen weisen darauf hin, dass die Architektur auf dem RISC-Prinzip basiert: „Reduced Instruction Set Computing“.

Als Prozessoren und ihre Befehlssätze in den 90er-Jahren immer komplexer wurden, entwickelte sich für ihr Architektur-Konzept die Bezeichnung CISC – „Complex Instruction Set Computing“. Kompliziertere Programmier-Befehle ließen nicht nur die Anzahl an Transistoren immer weiter ansteigen, sondern brauchten auch mehr Zeit für die Verarbeitung. Im Idealfall lieferte die komplexe, pro Einzelschritt zeitaufwändigere Bearbeitung dann in wenigen Verarbeitungsschritten das gewünschte Ergebnis. Doch diese Gleichung ging nicht immer auf, weshalb sich eine Art Gegenbewegung entwickelte: Prozessoren zu bauen, die weniger, einfachere Befehlssätze unterstützten, die Einzelschritte eines Programms dafür aber schneller abarbeiteten.

Geschäftsmodell Lizensierung: ARM und seine Cortex-Architekturen

Im Desktop-Markt hat sich dieses Konzept nicht durchgesetzt. Die aktuell dominierende Intel-Architektur (der auch andere Hersteller wie AMD folgen) umfasst heute sogar eigene Befehle für Multimedia-Funktionen oder die Behandlung von Datenströmen innerhalb des Computers. Doch bei Mobilgeräten ist RISC in Form der dominierenden ARM-Architektur heute das anerkannte Grundprinzip für die Arbeitsweise von Prozessoren.

Die RISC-basierte Cortex-Architektur von ARM ist heute Standard in praktisch allen Smartphone-Chips. (Bild: ARM)

ARM produziert jedoch selbst überhaupt keine Chips. Vielmehr entwickelt das Unternehmen die mit dem Familiennamen „Cortex“ benannte Prozessorarchitektur ständig weiter und lizensiert sie an die eigentlichen Hersteller von Smartphone-SoCs.

Dabei basieren heutige Smartphone-Chips auf Cortex-Versionen wie Cortex A55, Cortex A75 oder Cortex A76. Sie alle zählen übrigens bereits zur achten Generation der ARM/Cortex-Architektur.

Warum acht Kerne stromsparender arbeiten könne als vier – die Big.Little-Architektur

Allerdings gibt es bei der Entwicklung von Smartphone-Chips einen Zielkonflikt: Auf der einen Seite brauchen die Systeme für anspruchsvolle Anwendungen wie Videostreaming oder mobiles Gaming hohe Rechenleistung. Auf der anderen Seite sollen sie mit den vergleichsweise überschaubaren Akkukapazitäten der flachen Smartphones möglichst lang durchhalten – bis zu mehrere Tage. Moderne SoCs werden diesen widersprüchlichen Anforderungen gerecht, indem sie ein ebenfalls von ARM erdachtes Konzept realisieren: Die sogenannte Big.Little-Architektur.

Was steckt dahinter? Aktuelle SoCs enthalten meist Octacore-Prozessoren – sie besitzen also acht Rechenkerne. Davon sind vier Kerne auf hohe Leistung ausgelegt – sie nutzen zum Beispiel die Cortex-Version A75 oder A76. Vier weitere Kerne sind demgegenüber auf Energiesparen optimiert und bieten dafür eher geringe Leistung. Das ermöglichen etwa die Cortex-Varianten A7 oder A9. Wenn das Smartphone wenig zu tun hat – sich etwa im Bereitschaftsmodus befindet oder im Hintergrund geringe Datenmengen wie E-Mails oder Messages herunterlädt –, nutzt es die energiesparenden Prozessorkerne. Ruft der Nutzer Höchstleistung ab, schaltet das System auf die schnelleren, aber dafür mehr Energie verbrauchenden Kerne um.

Groß oder Klein nach Bedarf: Mit der Big.Little-Architektur können Smartphones zwischen leistungsstarken und stromsparenden Prozessorkernen wählen und umschalten. (Bild: Wikipedia/Linaro)

Wenn maximale Rechenleistung gefordert ist, können Big.Little-Prozessoren sogar alle acht vorhandenen Kerne zusammenschalten und parallel für Berechnungen nutzen. Diese clevere Kombination von schnellen und sparsamen Chip-Kernen hat sich heute im gesamten Smartphone-Markt und somit in fast allen aktuellen SoCs durchgesetzt.

Marktführer bei Mobil-Chips: Qualcomm

Der größte Hersteller von Smartphone-SoCs ist die in San Diego/Kalifornien ansässige Firma Qualcomm. Nach Intel, Samsung und TSMC ist Qualcomm der viertgrößte Halbleiterhersteller der Welt. Für Mobiltelefone und Tablet hat Qualcomm die SoCs der Serie Snapdragon entwickelt.

Der aktuelle Top-Chip Snapdragon 855 enthält vier Kerne in der leistungsfähigen Cortex-A76-Architektur und vier Stromspar-Kerne der Variante Cortex A55. Ein Subsystem für Mobilfunk-Kommunikation via LTE bis 2 Gbit/s ist ebenso eingebaut wie ein leistungsfähiger Grafikprozessor für 4K-HDR-Videostreaming. Auch spezialisierte Recheneinheiten für KI-Anwendungen (künstliche Intelligenz beziehungsweise Machine Learning) stecken im Snapdragon 855. Dieser SoC ist in High-End-Smartphones wie der Samsung-Galaxy-S10-Famile, dem Sony Xperia 1, dem OnePlus 7 (Pro) oder dem ZTE Axon Pro enthalten. In günstigeren Smartphones kommen seine kleineren Verwandten wie der Snapdragon 845 zum Einsatz, der mit weniger Rechenpower und Ausstattung bietet.

Die US-Firma Qualcomm ist Markführer für SoC in Smartphones . (Bild: Qualcomm)

Aktuell, im Herbst 2019, bietet übrigens noch kein Hersteller SoCs an, die bereits 5G-Modems enthalten würden. Auch der Snapdragon 855 arbeitet in den ersten 5G-Smartphones mit einem separaten, externen 5G-Modemchip zusammen. Noch sind die für 5G erforderlichen Schaltungen zu umfangreich, um mit den schon vorhandenen Recheneinheiten und Controllern in einem einzigen Chip kombiniert zu werden. Diese „Doppel-Bestückung“ ist neben anderen Aspekten ein Grund, warum 5G-Smartphones der ersten Generation noch vergleichsweise viel Strom verbrauchen. Vollintegrierte 5G-fähige SoCs erwarten Branchenkenner frühestens zum nächsten Mobile Word Congress, der im Februar 2020 in Barcelona stattfindet.

Angreifer aus Taiwan: Mediatek

Ein weiterer Hersteller von Smartphone-SoCs ist die in Taiwan beheimatete Firma Mediatek. Im Gegensatz zu Qualcomm besitzt Mediatek keine eigenen Chipfabriken, sondern lässt seine Prozessoren als Auftragsarbeiten von verschiedenen Fertigern produzieren. Traditionell erreichen MediaTek-Chips nicht ganz die High-End-Performance der stärksten und teuersten Qualcomm-Chips. Dafür sind Mediatek-Chips in der Smartphone-Mittelklasse und -Einstiegsklasse sehr beliebt, weil sie ein vergleichsweise attraktives Preis/Leistungs-Verhältnis bieten.

Das aktuelle Top-Modell von Mediatek ist der Helio G90, der vier Cortex-A76-Kerne und vier Cortex-A55-Kerne kombiniert. Mit an Bord sind ein LTE-Modem bis CAT-12 (max. 600 Mbit/s) und Bluetooth/GPS/WLAN. Außerdem stecken in dem Chip ein Controller für Kamera-Sensoren bis 64 Megapixel (beziehungsweise 4K für Videoaufnahmen) sowie eine Grafik-Einheit, die Displays bis zur Auflösung 2520 x 1080 Pixel unterstützt.

SoCs von Mediatek bieten ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis. Sie sind nicht die schnellsten Smartphone-Chips, kommen aber bevorzugt in der Smartphone-Mittelklasse zum Einsatz. (Bild: Mediatek)

Bei kleineren Modellen wie dem für die LTE-Mittelklasse ausgelegten MT6753 kombiniert MediaTek interessanterweise acht Cortex-A53-Kerne, lässt jeweils vier jedoch mit unterschiedlichen Taktfrequenzen laufen: Die vier Performance-Kerne sind mit 1,5 GHz getaktet, die vier Stromspar-Kerne mit maximal 1,3 GHz. Wobei beide Gruppen ihre Taktfrequenz zum Energiesparen auch reduzieren können.

Exynos und Kirin – herstellereigene Prozessoren von Samsung und Huawei

Während viele Smartphones auf SoCs von Qualcomm oder MediaTek basieren, setzen manche Hersteller zumindest für bestimmte Modellreihen auch SoCs aus hauseigener Entwicklung und Fertigung ein.

So nutzt Samsung vor allem in der Mittelklasse oder für bestimmte Märkte oft Chips aus seiner eigenen Exynos-Serie. Der jüngste und leistungsfähigste Exynos 9 kommt etwa in der preisgünstigeren Galaxy-S10-Variante S10e zum Einsatz. In leicht schwächerer Konfiguration findet er sich auch in den Modellen Galaxy Note 9 und S9/S9+. Der Chip kombiniert zwei Hochleistungskerne vom Typ Cortex A75 und vier Spar-Kerne vom Typ Cortex A55. LTE wird bis CAT-20 und somit bis zu 2 Gigabit/s im Downstream unterstützt.

Huawei besitzt mit Hisilicon eine eigene Tochterfirma für die Fertigung von SoCs. Das aktuelle Topmodell ist der Hisilicon Kirin 990, der in Varianten für 4G- und 5G-Smartphones erhältlich ist. Er kombiniert vier Cortex A76 und vier Cortex A55. Die Subsysteme für 4G/LTE- beziehungsweise 5G-Mobilfunk heißen bei dem chinesischen Hersteller „Balong“. Die 4G-Variante Balong 765 unterstützt LTE CAT-10 bis 1,6 Gigabit/s, die 5G-Version Balong 5000 ist für 5G-Verbindungen mit Datenraten von bis zu 4,6 Gigabit/s spezifiziert. Werden „5G New Radio“ und LTE kombiniert, sind sogar Downloads mit bis zu 7,5 Gigabit/s möglich.

In seiner Balong-Serie bietet Huawei auch schon Modemchips für 5G an. (Bild: Huawei)

Fast alles selbstgemacht: Smartphone-Prozessoren von Apple

Traditionell baut Apple die SoCs für seine iPhones und iPads selbst. Doch auch diese Chips, die mitterweile bei der Baureihe A13 angekommen sind, basieren auf ARM-Cortex-Architekturen. Da die Kalifornier die exakten Spezifikationen ihrer SoCs nicht veröffentlichen und nicht an Drittanbieter lizensieren, kann über deren exaktes Innenleben nur spekuliert werden. Bekannt ist vom A13, dass es sich um ein Sechskern-System handelt. Darin arbeiten zwei Hochleistungs-Kerne mit Taktfrequenzen bis zu 2,65 GHz, kombiniert mit vier Energiesparkernen. Enthalten ist außerdem ein auf vier Kernen basierender Grafikprozessor. Auch Apples aktuelle SoCs besitzen spezialisierte Recheneinheiten für Machine Learning, die Apples Marketingabteilung „Neural Engine“ getauft hat.

A wie Apple: Der aktuelle „A13 Bionic“-Chip mit „Neural Engine“ steckt in den iPhones 11 und 11 Pro. (Bild: Apple)

Apples A-Chips enthalten kein eigenes Mobilfunkmodem. Selbst in den im Herbst 2019 aktuellen iPhone-Modellen werden daher LTE-Modemchips von Qualcomm eingesetzt. Zwischenzeitlich hatten sich Apple und Qualcomm in einem erbitterten Streit um Lizenzgebühren vor Gericht auseinandergesetzt. Der Streit endete mit einem Vergleich: Apple zahlte fast fünf Milliarden Dollar an Qualcomm und verpflichtete sich, ab 2019 sechs Jahre lang weiterhin Qualcomm-Modemchips für seine iPhones und andere Geräte zu beziehen.

Was Apple mit der ehemaligen Mobilfunkchip-Abteilung von Intel vorhat

Dennoch ist zu vermuten, dass Apple in der Fertigung von Mobilfunkmodems auf längere Sicht eigene Wege gehen wird. Denn die Kalifornier kauften ebenfalls 2019 die bislang nur wenig erfolgreiche Mobilfunk-Modemabteilung von Intel. Der im Desktop-Markt führende Chiphersteller hatte es nämlich über Jahre kaum geschafft, im Bereich von Smartphone-SoCs und -Modems Fuß zu fassen. Mit den nun zugekauften Intel-Mobilfunkingenieuren will Apple dem Vernehmen nach eigene 5G-Modems entwickeln. Bis die Resultate dieser Entwicklung auf den Markt kommen, könnte es laut Insidern aber noch bis 2025 dauern. Andere Quellen rechnen damit, dass Apple bereits 2023 sein erstes eigenes 5G-Modem einsetzen könnte – auch wenn dieser Zeitplan als sehr ambitioniert gilt. Das für 2020 erwartete erste 5G-iPhone dürfte aber noch ziemlich sicher einen Modemchip von Marktführer Qualcomm enthalten.

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