Mobile Prozessoren

System-on-a-Chip (SoC): Prozessoren für mobile Geräte

Prozessoren für mobile Geräte werden immer schneller und dabei immer sparsamer. Wir zeigen Ihnen die verschiedenen Architekturen, die sich hinter ARM, Intel Atom und Co. verbergen.

Von Julian Ruecker / Alexander Kuch

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Qualcomm Snapdragon 865 Qualcomm Snapdragon 865
Bild: teltarif.de Wenn es um Geschwindigkeit und Leistung von Smartphones oder Tablets geht, spricht man oft vom "Prozessor" oder von "der CPU". Ganz so simpel ist es strenggenommen jedoch nicht. Statt einfacher Prozessoren stecken in modernen Mobilgeräten ganze Systeme, sogenannte Systems-on-a-Chip (SoCs), die sehr viel komplexer sind als ein einzelner Prozessor. Aber was genau steckt in einem SoC?

Moderne Smartphones und Tablets sind im Wesentlichen kleine Computer. Um so vielfältige Funktionen wie Apps, WLAN, Videos, Musik und Spiele auch auf dem Handy nutzen zu können, benötigen die kleinen Alltagsbegleiter ganz ähnliche Komponenten wie ihre Desktop-Pendants, das heißt CPU, Arbeitsspeicher, Grafik-Einheit, Modem etc. - und das alles auf sehr viel weniger Raum. Denn die Geräte sind nicht nur kleiner, sie benötigen auch einen möglichst ausdauernden - und daher großen - Akku. SoCs leisten genau dies: die wichtigsten System-Komponenten vereint auf einem kleinen Chip.

Was steckt in einem SoC? Die Komponenten im Überblick

Qualcomm Snapdragon 865 Qualcomm Snapdragon 865
Bild: teltarif.de Um besser zu verstehen, wie ein SoC funktioniert, hilft ein Blick auf die wichtigsten Komponenten. Beachten Sie aber, dass nicht alle der folgenden Teile auch in allen SoCs vorkommen. Die Welt der Ein-Chip-Systeme ist vielfältig und umfasst zahlreiche verschiedene Hersteller und Entwickler mit unterschiedlichen Produktpaletten für alle erdenklichen Einsätze wie in Smartphones, Smartwatches und anderen Wearables, Smart-TVs, IoT-Anwendungen, Autos, Receivern und vielem mehr. Im Folgenden werden daher nur einige der wichtigsten Komponenten genannt:

Die CPU
CPU steht für Central Processing Unit und bezeichnet den Hauptprozessor. Dieser kann einen oder mehrere Kerne beinhalten und steuert alle wichtigen Geräte-Funktionen. Auch Mehrprozessorsysteme sind möglich.
Weitere Prozessoren
Um die CPU zu entlasten, enthalten viele SoCs weitere Prozessoren, auf die sich einzelne Befehle und Rechenvorgänge auslagern lassen.
Die GPU
Der Grafikprozessor (englisch: Graphics Processing Unit) ermöglicht zum Beispiel die Anzeige komplexer 3D-Spiele auf dem Tablet oder Smartphone. Wie bei CPUs auch gibt es viele verschiedene GPU-Architekturen.
Cache-Speicher und RAM
Wie ein Computer benötigen auch Smartphones und Tablets einen Speicher, um Programme auszuführen (Programmspeicher) und Dateien ablegen und bearbeiten zu können (Datenspeicher).
Modem
Manche SoCs verfügen über ein Modem, so zum Beispiel zahlreiche Snapdragon-Modelle von Qualcomm mit eingebautem LTE- oder 5G-Modem. Auch integrierte Komponenten für WiFi oder Bluetooth sind üblich.

ARM-Architektur: Ein Erfolgsmodell

arm-Logo
Bild: arm

Ein-Chip-Systeme
mit ARM-Architektur

Die meisten Smartphone- und Tablet-SoCs basieren auf der sogenannten ARM-Architektur, ein besonders energiesparendes Prozessor-Design, das Anfang der achtziger Jahre von der britischen Computerfirma Acorn vorgestellt und seitdem stetig weiterentwickelt wurde. ARM (Acorn RISC Machine, wobei RISC Reduced Instruction Set Computer bedeutet, auf Deutsch etwa: Computer (Prozessor) mit einem reduzierten Befehlssatz) selbst stellt keine Chips her, sondern verkauft lediglich Lizenzen an Hersteller, die diese dann für die Entwicklung eigener Chips nutzen. Zu den Kunden der Briten zählen so namhafte Firmen wie Samsung, MediaTek oder IBM. Eine Übersicht über die ARM-Architektur finden Sie in unserem Ratgeber zur ARM-Prozessor-Architektur.

Weitere
Ein-Chip-Systeme

System-Performance: Es kommt auch auf die Software an

Wie wir gesehen haben, ist nicht allein die CPU ausschlaggebend für Leistung und Geschwindigkeit, sondern das SoC als Ganzes. SoCs sind weit mehr als nur der Hauptprozessor. Neben ihm spielen auch unzählige Sub-Prozessoren eine wichtige Rolle für die Gesamt-Performance des Systems: Grafik- und Audio-Prozessoren, Ver- und Entschlüsselungseinheiten, generelle Hardware-Beschleuniger - sie alle entlasten die CPU und ermöglichen eine schnellere Gesamt-Leistung.

Was neben den Hardware-Spezifikationen nicht vergessen werden darf: Für die reale Performance spielt immer auch die Software eine entscheidende Rolle. Bei den angegebenen Zahlen der Hersteller handelt es sich um theoretische Maximal-Werte, die nur bei perfekter Ausführung der Software erreicht werden können. Auch das leistungsstärkste SoC nützt also wenig, wenn die Software nicht mitspielt.

Qualcomm Snapdragon

Qualcomm Hauptverwaltung Qualcomm Hauptverwaltung
Bild: Qualcomm Der US-Halbleiterhersteller und Ausrüster für Mobilfunk-Konzerne Qualcomm (kurz für "Quality Communication") wurde 1985 von Irwin Jacobs und Andrew Viterbi gegründet. Seine Produktpalette umfasst neben Soft- und verschiedener Hardware vor allem SoCs der Snapdragon-Reihe, die zwar selbst entwickelt, aber vom Taiwanesischen Konzern TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) hergestellt werden.

Qualcomms Hauptprozessor-Komponente basiert auf der ARM-Mikroprozessor-Architektur. Das erste SoC mit der Modellnummer MSM7225 wurde 2007 vorgestellt und wird seitdem kontinuierlich weiterentwickelt, wobei sich die Bezeichnungen öfters änderten. Modellnummern, die mit MSM oder QSD beginnen, geben einen Hinweis auf ein integriertes Mobilfunkmodem, solche, die mit APQ beginnen, haben keines. Darüber hinaus wurden Qualcomms SoCs mit System 1 (S1) bis System 4 (S4) klassifiziert, wobei S1-SoCs für einfache Massenware und S4-SoCs für High-End-Geräte verwendet wurden. Innerhalb der verschiedenen Systeme gab es eine weitere Unterteilung. Beispielsweise wurden für die S4-Klasse die Kategorien "Play, "Plus", "Pro" und "Prime" ins Leben gerufen.

Mittlerweile wird der Einfachheit halber nur noch "Snapdragon", gefolgt von einer dreistelligen Nummer, für die Bezeichnung verwendet. So steht Snapdragon 200 für das untere Leistungsspektrum, Snapdragon 800 für das obere. Auf die Hinweise auf ein integriertes Modem gebende Modellbezeichnung muss allerdings nicht verzichtet werden. Beispielsweise steckt hinter dem Snapdragon 810 das Modell MSM8994. Das neuesten Modell aus dem Hause Qualcomm ist das 5G-SoC Snapdragon 888, es verfügt aber nicht über KI-Komponenten/neurale-Netzwerk-Hardware. Diese sind allerdings in anderen, ähnlich leistungsstarken Snapdragon-SoCs zu finden.

MediaTek

MediaTek-Dimensity-1200-SoC MediaTek-Dimensity-1200-SoC
Bild: MediaTek MediaTek (MTK) ist ein fabrikloses, 1997 gegründetes, taiwanesisches Unternehmen, das meist auf Basis der ARM-Architektur Mikrocontroller herstellt. Anfangs Geschäftsbereich des ebenfalls taiwanesischen Unternehmens United Microelectronics Corporation (UMC), das seinerseits ein 1980 gegründetes Spin-Off des staatlichen Industrial Technology Research Institute (ITRI) ist, wurde MTK schließlich ausgegliedert und ein eigenständiges Unternehmen. Wie auch Qualcomm lässt MTK seine SoCs bei anderen Unternehmen wie TSMC produzieren. Im 3. Quartal 2020 verdrängte MTK erstmals Qualcomm als größten Verkäufer von Smartphone-Chips, was mit einem Marktanteil von 31 Prozent einherging.

Der erste Chip erhielt die Bezeichnung MT6205 und gehörte zur Gruppe der ARM7-Prozessor-Kerne mit 32-Bit-RISC-ARMv5-Architektur. Als aktuellste Reihe kommt das SoC-Flagschiff Dimensity in verschiedenen Geräten wie Smartphones, Tablets, Smartwatches, Smart-TVs und für Anwendungen des IoTs zum Einsatz. Es hat einen Cortex-A78-Prozessorkern auf der 64-Bit-RISC-Architektur ARMv8.2-A.

Wie auch bei anderen Herstellern mittlerweile üblich, rüstet MTK seine neueren SoCs teilweise mit Hardware für KI-Anwendungen aus. Der Dimensity 1200 (MT6893) gehört allerdings zunächst nicht dazu. Über einen von MTK APU 3.0 genannten KI-Prozessor (englisch: APU - AI Processing Unit) verfügen der Dimensity 1000+ (MT6889Z/CZA), Dimensity 1000 (MT6889), Dimensity 820 (MT6875) und Dimensity 800U (MT6853V/TNZA bzw. MT6853T).

Intel

Intel-Atom-x5/-x7-SoC für Tablets (Schaubild) Intel-Atom-x5/-x7-SoC für Tablets (Schaubild)
Bild: Intel Intels Chips der 2011 vorgestellten SoC-Reihe bekamen den bereits bekannten Markennamen "Atom" und sind für den Einsatz in besonders preisgünstigen und energiesparenden Systemen wie Smartphones und Tablets vorgesehen. Als Befehlssatz wird vor allem die x86-Mikroprozessor-Architektur verwendet, später, noch im selben Jahr, folgte dann mit der Diamondville-Generation auch ein x64-Befehlssatz. Unter "Atom" sind bereits seit 2008 Intels Ultra-Low-Voltage-Mikroprozessoren bekannt.

Mit der Mikroarchitektur-Generation "Silvermont" wurden 2013 vier SoC-Familien angekündigt, von denen eine die beiden SoCs "Merrifield" und "Moorefield" beinhaltet, die für Smartphones vorgesehen waren und 2014 auch veröffentlicht wurden (Atom-Z34- und Z35-Serie). Sie spielen aber für den Einsatz in Smartphones keine Rolle und daher stellte Intel die Entwicklung konsequenterweise ein.

Auch die 2015 gestartete SoC-Plattform mit dem Codenamen "SoFIA" ("Smart or Feature Phone with Intel Architecture") - für Smartphones Atom-x3-Prozessoren - wurde bereits 2016 mit der Ankündigung einer Umstrukturierung wieder eingestellt. Intels Smartphone-SoCs, die ausschließlich die CISC-Architektur (Complex Instruction Set Computer) benutzten, wurden ebenfalls von TSMC produziert. Für andere mobile Geräte wie Tablets stellt Intel SoCs der Airmont-Familie (14-nm-die-shrink der Silvermont-Generation) zur Verfügung. Dazu gehören Prozessoren der x5- und x7-Reihe. Die vorerst letzte Meldung, die aufhorchen ließ, verlautete Pat Gelsinger von Intel höchstselbst. Dieser kündigte an, Apple als Kunden gewinnen zu wollen, sodass mit dem M1-SoC wieder Intel-Chips in Apples Computer Einzug halten würden.

Normalerweise gilt: Wo Intel ist, ist auch AMD (Advanced Micro Devices) nicht weit. Jedoch hat sich AMD aus dem Geschäft mit SoCs für Smartphones komplett verabschiedet und entwickelt diese nur noch für andere Hardware wie PCs und eingebettete Systeme. Gerüchten zufolge plant AMD mit dem Ryzen C7 ein eigenes SoC für Smartphones mit ARM-Cortex-A-Mikroprozessor-Architektur (TSMCs 5-nm-Fertigung). Ob sich AMD oder Intel allerdings nochmal als echte Alternative im Bereich von Smartphone-Prozessoren etablieren können, steht mit Blick auf die äußerst starke Konkurrenz von Mediatek, Apple und Qualcomm in den Sternen.

Apple

iPhone 13 Pro mit A15-Bionic-SoC iPhone 13 Pro mit A15-Bionic-SoC
Bild: Apple Die Basis für Apples (moderne) Smartphones legt die A-Serie der sogenannten Apple-designten Prozessoren (auch Apple Silicon genannt). Die Entwicklung begann bereits 2007 vor Einführung verschiedener Serien mit dem ersten SoC "APL0098" (auch "8900B" oder "S5L8900"), das in Apples erstem iPhone verbaut wurde. Das SoC gehörte zur Gruppe der ARM11-Prozessor-Kerne mit 32-Bit-RISC-ARMv6-Architektur. Weitere Serien bekamen u. a. die Buchstaben S, T, W, H, U und M. Mit dem Apple-M1-SoC bringt Apple den ersten Laptop mit ARM-Architektur auf den Markt.

Mit dem von Samsung gefertigten 32-Bit Package-on-Package (PoP) SoC A4 begann 2014 die Entwicklung der A-Serie. Es wurde zuerst im iPad der ersten Generation und kurze Zeit später für das iPhone 4 sowie weitere Geräte verwendet; der 2013 vorgestellte A7 war das erste 64-Bit PoP SoC. Nachdem bis zum A9 keine extra Namen vergeben wurden, bekam der A10 den Namen "Fusion", bevor ab der A11-Serie "Bionic" eingeführt wurde. Seit dem A10 lässt Apple seine Chips ausschließlich von TSMC produzieren, davor von Samsung bzw. in Teilen von Samsung und TSMC gemischt.

Das im September 2021 vorgestellte A15-Bionic-SoC wird in der iPhone-13-Reihe sowie im iPad mini 6 verbaut. Es basiert auf der 64-Bit ARMv8.5-A-Architektur, die - wie alle ARM-Prozessoren - den reduzierten Befehlssatz (RISC) verwendet. Als Besonderheiten sind vor allem zwei Dinge zu nennen. Zum einen gibt es dedizierte Neural-Netzwerk-Hardware (NPU: Neural Processing Unit, eine Form von KI-Hardwarebeschleunigung), die Apple "16-Core Neural Engine" nennt. Diese soll 15,8 Billionen Rechen-Operationen pro Sekunde schaffen und damit 4,8 Billionen mehr als der Vorgänger (A14 Bionic). Durch die höhere GPU-Leistung des A15 können auch die neuen anspruchsvollen Foto- und Video Optionen besser bedient werden.

Im März 2022 stellte Apple mit dem M1 Ultra die nächste M1-Generation der M1-SoC-Reihe vor, die im neuen Mac Studio eingesetzt wird. Das M1-Ultra-SoC besteht aus zwei M1-Max-SoCs, die durch Apples eigene UltraFusion-Technologie miteinander verbunden werden. So ergibt sich ein Chip mit einer CPU bestehend aus 20 Kernen (davon 16 Performance- und 4 Efficiency-Kerne), einer GPU mit 48 oder 64 Kernen sowie einer NPU mit 32 Kernen. Die Gesamtanzahl der verbauten Transistoren wird mit 114 Milliarden angeben, die maximal möglichen Rechenoperation pro Sekunde mit 28 Billionen, womit anspruchsvolle ML-Aufgaben beschleunigt werden sollen. Auch soll der Energieverbrauch weiter reduziert worden sein.

Samsung

Samsung Exynos-2100-SoC Samsung Exynos-2100-SoC
Bild: Samsung Samsungs auf der ARM-Architektur basierende SoC-Familie mit Namen Exynos wird seit 2010 von Samsung entwickelt und selbst produziert. Das erste SoC war das im 45-nm-Prozess gefertigte Single-Core-Exynos-3-SoC (ehemals Hummingbird S5PC110). Es wurde ein ARM-Cortex-A8 32-Bit-Prozessor verbaut, der die ARMv7-A-Architektur implementiert. Unter anderem wurden das Samsung Galaxy S 4G und das Google Nexus S mit diesem SoC versehen.

Die Entwicklung wurde seitdem weiter vorangetrieben, wobei sich der Herstellungsprozess am aktuellen Stand der Technik orientiert. Das im ersten Quartal 2021 vorgestellte Exynos-2100-SoC wird im 5-nm-EUV-Verfahren hergestellt und verfügt über acht Prozessorkerne, wobei ein ARM Cortex-X1 mit bis zu 2,9 GHz als Primär-Kern eingesetzt wird. Ergänzt wird dieser durch drei Cortex-A78 mit bis zu 2,8 GHz und vier Cortex-A55 mit bis zu 2,2 GHz. Alle drei CPU-Cluster implementieren den ARMv8.2-A-64-Bit-Befehlssatz. Als GPU kommt die ARM Mali-G78 MP14 zum Einsatz, die NPU (Neural Processing Unit) soll 26 TOPS (Trillion Operations Per Second) schaffen. Verbaut wird das SoC unter anderem im Samsung Galaxy S21 Ultra 5G.

Neben mobilen Prozessoren, die in erster Linie für Smartphones gedacht sind, ergänzen weitere SoCs die Exynos-Familie: Exynos i für IoT, Exynos Modem für 5G-Anwendungen und Exynos RF für mobile Vernetzung wie WLAN, FM-Radio, Bluetooth und Navigation.

Microsoft

Microsoft Surface Pro X Tablet Microsoft Surface Pro X Tablet
Bild: Microsoft Die in Kooperation mit Qualcomm entwickelten SoCs Microsoft SQ1, veröffentlicht im Oktober 2019, und SQ2, veröffentlicht im Oktober 2020, wurden exklusiv für das Surface Pro X entworfen und basieren auf der ARM-Architektur. Gefertigt werden die SoCs der Snapdragon 8cx-Serie im 7-nm-Verfahren bei TSMC und implementieren den ARMv8.2-A-64-Bit-Befehlssatz (Cortex-A76 Mikroarchitektur). Als Grafikeinheit kommt im SQ1 die Adreno 685 GPU und im SQ2 die Adreno 690 GPU zum Einsatz, die beide von Qualcomm entwickelt werden. Ein weiterer Unterschied lässt sich bei den CPU-Taktfrequenzen erkennen. Während das SQ1-Octacore-SoC vier Kerne mit bis zu 3 GHz und vier weitere Kerne mit bis zu 1,8 GHz erhält, sind es beim SQ2-SoC vier Kerne mit bis zu 3,15 GHz und vier weitere Kerne mit bis zu 2,42 GHz.