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

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
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

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Bild: arm

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.

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
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
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)
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 12 mit A14-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 neueste SoC, A14 Bionic, wird im iPhone 12 und dem iPad Air der vierten Gene­ration 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 Processin Unit, eine Form von KI-Hard­ware­beschleu­nigung), die Apple "16-Core Neural Engine" nennt. Diese soll 11 Tril­lionen Instruk­tionen pro Sekunde schaffen. Zum anderen verfügt das SoC über spezi­elle Einheiten der zweiten Gene­ration zur Beschleu­nigung von Matri­zen­berech­nungen für KI-Anwen­dungen.