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

arm-Logo
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. Die neuesten Entwick­lungen aus dem Hause Qual­comm sind die SoCs der 8er-Serie, von denen auch einige über KI-Kompo­nenten/neuro­nale-Netz­werk-Hard­ware verfügen und für die der Ferti­gungs­pro­zess mitt­ler­weile bei 4 nm ange­kommen ist.

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. Je nach Modell werden u. a. Cortex-A-Prozes­sor­kerne, die den 64-Bit-RISC-Befehls­satz ARMv8.2-A imple­men­tieren, oder Cortex-X-Prozes­sor­kerne, die den 64-Bit-RISC-Befehls­satz ARMv9-A imple­men­tieren, einge­setzt. Für die SoCs der Dimen­sity-7000er-, 8000er- und 9000er-Reihe setzt auch Mediatek teil­weise auf 4-nm-Ferti­gung.

Wie auch bei anderen Herstel­lern mitt­ler­weile üblich, rüstet MTK seine neueren SoCs zum Teil mit Hard­ware für KI-Anwen­dungen aus. Über einen von MTK APU 3.0 genannten KI-Prozessor (englisch: APU - AI Proces­sing Unit) verfügen u. a. Dimen­sity 1100 (MT6891 bzw. MT6891Z/CZA), Dimen­sity 1200 (MT6893) und Dimen­sity 1300 (MT6893Z).

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. Doch daraus wurde bekannt­lich nichts. Apple entwarf das ARM-SoC selbst und lässt es wie üblich bei TSMC herstellen.

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
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. Der Nach­folger A16 Bionic wurde im September 2022 vorge­stellt. Das SoC enthält 16 Milli­arden Tran­sis­toren, wird von TSMC im 5-nm-Prozess herge­stellt und imple­men­tiert den ARMv8.6-A-Befehls­satz. Außerdem wurde eine verbes­serte 16-Kern-NPU (Apple Neural Engine), sowie ein Image Signal Processor (ISP) bzw. eine Image Proces­sing Unit (IPU) verbaut.

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.

Im Juni 2022 folgte dann das M2-SoC, das - wie das M1-SoC - von TSMC im 5-nm-Prozess herge­stellt wird und wie andere SoCs der M-Reihe den ARMv8.5-A-Befehls­satz imple­men­tiert. Es wurden 20 Milli­arden Tran­sis­toren verbaut, in der Version M2 Pro sind es 40 Milli­arden und in der Version M2 Max 67 Milli­arden. Auch die M2-SoCs haben eine NPU und ein ISP bzw. eine IPU.

Samsung

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 den ARMv7-A-Befehls­satz imple­men­tiert. U. a. 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 u. a. im Samsung Galaxy S21 Ultra 5G. Der Nach­folger, das SoC Exynos 2200 (veröf­fent­licht im 1. Quartal 2022), wird im 4-nm-EUV-Verfahren herge­stellt und seine Kerne, u. a. mit der ARM-Cortex-X2-Mikro­archi­tektur versehen, imple­men­tieren den ARMv9-A-Befehls­satz.

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
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 Grafik-Einheit 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.

Ende 2022 wurde das Surface Pro 9 vorge­stellt, das wahl­weise mit einem SQ3-Arm-SoC bestellt werden kann. Dieses beinhaltet neben 5G-Unter­stüt­zung auch eine NPU, durch die KI-Funk­tionen wie zum Beispiel Windows-Studio-Effekte frei­geschaltet werden können.

Nähere Infor­mationen und Details zu diesem Tablet sowie weiteren Micro­soft-Geräten sind in einem eigenen Ratgeber zu finden.

Google

Bereits 2015 nutzte Google für Rechen­zen­tren intern Tensor Proces­sing Units (TPUs), die im Mai 2016 als TPUv1 offi­ziell vorge­stellt und 2018 für die Nutzung durch Dritte zur Verfü­gung gestellt wurden. Dabei handelt es sich um anwen­dungs­spe­zifi­sche inte­grierte Schalt­kreise (ASIC: Appli­cation-Specific Inte­grated Circuit), die in diesem Fall auf künst­liche Intel­ligenz (KI)/neuro­nale Netz­werke und maschi­nelles Lernen (ML) ausge­richtet sind (KI-Beschleu­niger-ASIC). 2017, 2018 und 2021 folgten die Versionen TPUv2, TPUv3 und TPUv4, an TPUv5 wird seit 2022 gear­beitet. Eben­falls 2018 wurde die Edge-v1-TPU vorge­stellt, die unter dem Namen Pixel Neural Core im Pixel 4 verbaut ist. Als Soft­ware kommt das eigens entwi­ckelte Frame­work TensorFlow zum Einsatz.

Google Tensor
Bild: Google Das erste Smart­phone-SoC von Google wurde 2021 vorge­stellt und bekam den Namen Google Tensor. Als ISP kommt die NPU edgeTPU zum Einsatz. Da Google die erste Version des SoCs im 5-nm-Verfahren von Samsung herstellen lässt, baut dieses SoC auf der Exynos-Reihe auf. Es imple­men­tiert den ARMv8.2-A-64-Bit-Befehls­satz, die CPU besteht aus acht Kernen mit Cortex-X1 Mikro­archi­tektur (zwei Kerne), Cortex-A76 Mikro­archi­tektur (zwei Kerne) und Cortex-A55 Mikro­archi­tektur (vier Kerne). Es wird unter anderem im Pixel 6 und Pixel 6 Pro einge­setzt.

Die 2022 vorge­stellte zweite Gene­ration, Google Tensor G2, kommt mit sehr ähnli­chen Spezi­fika­tionen und ist unter anderem im Pixel 7 und Pixel 7 Pro zu finden. Nach Angaben von Google soll sie jedoch 60 Prozent mehr Leis­tung liefern und 20 Prozent effi­zienter sein als ihr Vorgänger. Als Hersteller zeichnet auch für dieses SoC sehr wahr­schein­lich Samsung verant­wort­lich, das eben­falls bereits am für 2023 geplanten Nach­folger tüfteln soll. Die frühes­tens im Herbst 2023 auf dem Markt erwar­teten Smart­phones Pixel 8 und Pixel 8 Pro sollen bereits diese nächste Gene­ration - Google Tensor G3 - verwenden.