Das Große Smartphone-CPU Spezial
Was tickt da eigentlich unter der Haube?
Smartphone-Prozessoren: Der Stand der Dinge
Während man in der PC-Ära beim Neukauf eines Rechners vor die Frage gestellt wurde: "Welcher Prozessor soll's denn sein - Intel oder AMD?", hat sich praktisch niemand darum geschert, von welchem Chip eigentlich sein Handy betrieben wird. Doch seit Smartphones nicht nur immer größer und schärfer, sondern auch immer schneller werden, hat auch der verbaute Prozessor an Interesse gewonnen. Schließlich sind die heutigen Smartphones nichts anderes als Computer im Taschenformat. LTE-Anbieter.info gibt einen Überblick über die Welt der mobilen Prozessoren in Smartphones und Tablets. Was gibt es für Prozessort-Typen, welche Rolle spielt die Anzahl der Kerne und wie kann man sich beim Kauf heute orientieren? Zudem klären wir gängige Abkürzungen und Begriffe auf.
Beispiel Exynos Samsung SoC | Bild: Samsung
Der Hype begann mit dem iPhone
Führten Smartphones zunächst jahrelang ein Nischendasein, traten diese ab 2007 mit der Vorstellung von Apples erstem iPhone einen Siegeszug an, der in der Geschichte der Unterhaltungselektronik einzigartig ist. Dass das Ur-iPhone damals durch seine flüssige Bedienung und Leistungsfähigkeit so begeistern konnte, lag auch an der zentralen Steuereinheit, welche in der Folge immer mehr Aufmerksamkeit genoss. Als Prozessor für sein erstes iPhone, ließ Apple in China den ARM 1176 verbauen, hergestellt vom südkoreanischen Weltkonzern Samsung. Der 32-Bit-Prozessor war mit 412 MHz getaktet. Zwei Jahre später folgte das erste Modell mit Googles neuem Betriebssystem "Android", das HTC Dream. Es wurde in Deutschland von T-Mobile als "G1" vertrieben und besaß einen ARM-1136-Prozessor, der mit einer Frequenz von 528 MHz pulsierte. Samsung legte noch im gleichen Jahr mit dem Galaxy i7500 sein erstes eigenes Gerät auf und brachte dem Android-System dadurch den nötigen Schub im aufkeimenden Duell gegen Apples Betriebssystem iOS. Apple wiederum konterte im iPhone 3GS mit einem 620-MHz-Chip.
Meilensteine im CPU-Rennen
Fortan ging es recht schnell voran im Prozessoren-Rennen. Der erste 1-GHz-Chip kam 2009 im Toshiba TG01 zum Einsatz, auch das HTC Desire oder Googles Nexus One liefen in diesem Takt. 2010 begann mit dem ersten iPad dann der Tablet-Hype, wobei Apple hier den gleichen A4-Chipsatz einsetzte wie im iPhone 4. LG verbaute 2011 in seinem P990 Optimus Speed den ersten Dual-Core-Prozessor. Bereits ein Jahr darauf setzte HTC beim Modell One X auf einen Quad-Core, den Nvidia Tegra 3, der dann auch in Samsungs Galaxy S3 zum Einsatz kam. Nur wenig später folgten erste 8-Kern SoC´s. Apples A7, der 2013 im iPhone 5S arbeitete, war der erste dieser Art. Das erste Octa-Core-Smartphone mit 64-Bit-CPU war dann das HTC Desire 820, welches 2014 auf einen Snapdragon 615 setzte. Mittlerweile werden schon Deca-Core-Chips verbaut (10 Kerne), und auch die 64-Bit-Architektur hat längst Einzug in Smartphones gehalten.
Definitionen: CPU, GPU, SoC
Bei der ganzen Thematik rund um CPU, Prozessor, Chip, SoC und Kerne kommt man allerdings schnell mal durcheinander, wenn die Begriffe nicht definiert sind. Die zentrale Recheneinheit eines Smartphones ist der Prozessor, auch CPU (Central Processing Unit) genannt. Er besitzt einen oder mehrere Rechenkerne und thront auf einem Chip. Dort sitzt er allerdings nicht alleine, sondern die CPU wird z.B. flankiert von einem Grafikprozessor (GPU), dem Arbeitsspeicher, einem Audiodekoder oder Controllern für diverse Schnittstellen wie USB, Bluetooth und Netzwerk. Diese Kombi wird System-on-a-Chip (SoC) genannt.
Wer macht was im System-on-a-Chip (SoC)?
Der Hauptprozessor des ersten iPhones beispielsweise, saß gemeinsam mit einem Grafikchip sowie 128 MB RAM auf einem Samsung-SoC namens S5L8900. Die einzelnen Komponenten auf einem SoC teilen sich die Arbeit brüderlich. So sorgt der Hauptprozessor für eine ruckelfreie Bedienung des Touchscreens inklusive Scrollen, Wischen und Zoomen, übernimmt die nötigen Rechenoperationen und verwaltet die interne Datenverarbeitung. Dabei ist ein Smartphoneprozessor deutlich kleiner als eine CPU in einem PC oder Laptop. Er benötigt dadurch weniger Platz (der ja begrenzt ist in einem Smartphone), verbraucht weniger Strom (der hier von einem Akku kommt und nicht aus der Steckdose) und entwickelt weniger Hitze (muss also nicht extra gekühlt werden). Die GPU wiederum bekommt bei Grafiken, Spielen oder Videos am meisten zu tun und entlastet den Hauptprozessor. In den Arbeitsspeicher werden laufende Prozesse ausgelagert. Faustformel: Je mehr RAM, desto besser.
ARM - Der Standard für die meisten Chipsätze
Die meisten aktuellen Smartphone-Prozessoren bauen auf einer sogenannten ARM-Architektur auf. Dabei entwickelt die britische Firma ARM das Design für diese Art der Mikroprozessoren und vergibt Lizenzen zur Fertigung an Unternehmen wie Samsung, Qualcomm, Nvidia, Intel oder auch Apple. Das ARM-Design zeichnet sich durch eine hohe Performance bei gleichzeitig niedriger Leistungsaufnahme aus - perfekt also für Smartphones.
Weit verbreitet: ARMv7
Seit Mitte der Achtziger Jahre bringt ARM immer neue Versionen seiner Chiparchitektur heraus (ARMv1, v2, v3 usw.). Mit ARMv7 führten die Briten 2005 auch die Prozessorenfamilie Cortex-A ein. Zu dieser gehören sowohl leistungsstarke, als auch stromsparende Mehrkern-CPUs, die auch miteinander kombiniert werden können. So können beispielsweise auf einem System-on-a-Chip ein Cortex-A15 mit hoher Rechenleistung und ein Cortex-A7 mit einem niedrigen Energieverbrauch gekoppelt werden. Wird vom Smartphone maximale Performance benötigt, arbeitet der A15, bei weniger intensiven Anwendungen wird dagegen der akkuschonende A7 eingesetzt.
So setzte schon Apple bei seinen Prozessoren A4 und A5 auf die ARMv7-Architektur, ebenso Samsung beim Exynos, Nvidia beim Tegra 2-4 und natürlich Qualcomm, z.B. beim Snapdragon S4. Die weite Verbreitung von Qualcomm-Snapdragon-SoCs in Smartphones machten die Kalifornier zum drittgrößten Chiphersteller weltweit, hinter Intel und Samsung.
Von 32 zu 64 Bit
Seit 2013 lizenziert ARM die v8-Stufe seiner Chiparchitektur. Sie bedeutet den Sprung von 32 auf 64 Bit, d.h. die Prozessoren können doppelt so viele Bit in der gleichen Zeit verarbeiten. Die zu ARMv8 gehörigen Prozessoren-Familien Cortex-A53 und -A57, sollen laut ARM in Kombination bei gleichem Stromverbrauch und gleicher Taktfrequenz die dreifache Leistung erzeugen. Dabei ist der A57 das Kraftpaket und der A53 der Energiesparer.
Von 28 zu 10 nm
Während also 64 Bit tendenziell schneller laufen als 32 Bit, hat auch das Fertigungsverfahren Einfluss auf die Performance. Apples 64-Bit-Prozessor A7 aus dem iPhone 5S wurde von Samsung im sogenannten 28-Nanometer-Verfahren hergestellt. Neuere Chips werden noch kleiner - mit 20-Nanometer-Technik - gefertigt, was laut Samsung zu 25 Prozent Energieeinsparung bei höherer möglicher Taktfrequenz führt. Apples A8-Prozessor aus dem iPhone 6 ist so ein 20-nm-Chip, ebenso der Exynos 5430 in Samsungs Galaxy Alpha. Der A11 Bionic, welcher z.B. im iPhone X und iPhone 8 verbaut wurden, werden mit gerade einmal 10nm Strukturbreite im FinFET-Verfahren gefertigt.
Von 28 zu 5 nm
Während also 64 Bit tendenziell schneller laufen als 32 Bit, hat auch das Fertigungsverfahren großen Einfluss auf die Performance. Auch hier wurden im Laufe der Zeit immer mehr Verbesserungen erreicht und Fortschritte gemacht.
Apples 64-Bit-Prozessor A7 aus dem im Herbst 2013 vorgestellten iPhone 5S wurde von Samsung im sogenannten 28-Nanometer-Verfahren hergestellt. Bei nachfolgenden Chips kam dann bereits die 20-Nanometer-Technik zum Einsatz, was laut Samsung zu 25 Prozent Energieeinsparung und höherer möglicher Taktfrequenz führte. Apples A8-Prozessor aus dem iPhone 6 ist so ein 20-nm-Chip, ebenso der Exynos 5430 in Samsungs Galaxy Alpha. Der A11 Bionic, welcher z.B. im iPhone X und iPhone 8 verbaut wurde, fertigte Apple mit 10nm Strukturbreite im FinFET-Verfahren.
Qualcomm produzierte 2020 seinen Snapdragon 765 im 7-Nm-Verfahren, genauso Apple seine A12- und A13-Prozessoren. Qualcomms Flaggschiff-SoC aus dem Jahr 2021, der Snapdragon 888, sowie der A14 von Apple im iPhone 13 werden mittlerweile sogar mit 5-Nanometer-Fertigungstechnologie hergestellt. Und dies ist vermutlich immer noch nicht das Ende der Fahnenstange. Generell gilt: Je kleiner die Fertigungstechnologie, desto schneller und energiesparsamer arbeitet ein Chip.
Mehr Kerne = Mehr Leistung?
Auch die Verdopplung der Kerne - von Single-Core zu Dual-Core, Quad-Core und Octa-Core - brachte jeweils einen Performanceschub. Wird die Arbeit auf mehrere Kerne verteilt, kann sie effizienter, schneller und sogar mit niedrigerer Taktfrequenz erledigt werden, was wiederum stromsparender ist. Umgekehrt muss bei der Formel "mehr Gigahertz = mehr Leistung" berücksichtigt werden, dass ein Prozessor umso mehr Strom verbraucht und umso mehr unerwünschte Wärme produziert, je schneller er taktet. Ein Vorteil für Mehrkernprozessoren - zumindest auf den ersten Blick. Darüber hinaus muss aber vor allem die Software mitspielen: So ist es zu erklären, dass Apple weiterhin auf 6-Core-Prozessoren setzt, die dank des perfekten Zusammenspiels mit dem Betriebssystem iOS ähnlich leistungsfähig sind wie Octa-Core-CPUs anderer Hersteller.
Die Grenzen des Sinnvollen
Fakt ist: SoCs mit Octa-Core-Prozessoren werden mittlerweile schon in Mittelklasse-Smartphones verbaut. Auch hier gilt die vom PC bekannte Regel, dass man immer mehr Leistung für sein Geld bekommt, je länger man wartet. Ob aber bald CPUs mit 16 Kernen Einzug in Smartphones halten, ist fraglich. Der damit einhergehend wachsende Stromverbrauch, steht aktuell in keinem Verhältnis zur Leistung und überhaupt deren Notwendigkeit. Hier könnte irgendwann die gleiche Sinnfrage gestellt werden, wie bei Smartphone-Displays mit 4K-Auflösung oder Smartphone-Kameras mit mehr als 40 Megapixeln. Doch in der Unterhaltungselektronik zeigt sich immer wieder: Was technisch möglich ist, wird auch gemacht - mal sehen, ob es der Konsument annimmt.
Hersteller für SoC´s
Den Markt dominieren aktuell vier Anbieter. Apple (Ax) und Samsung (Exynos) stellen selbst die verwendeten Prozessoren her. Wichtigste Zulieferer für die meisten Android-Smartphones und Tablets ist Qualcomm mit seinen Snapdragon-Prozessoren. In China Smartphones dominieren dagegen günstigere, aber oft ähnlich leistungsstarke, Mediatek oder Hisilicon-Chips.
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Quellen: www.arm.com; golem.de; Wikipedia
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