Smartphone SoCs erklärt: Alles, was Ihr wissen müsst

Ein SoC oder "System on a Chip" ist die zentrale Komponente jedes modernen Smartphones, auch wenn es ein Zusammenschluss vieler Technologien ist. Dieser Artikel soll Euch einen grundlegenden Überblick über die Funktionen eines modernen Smartphone-SoCs und den aktuellen Stand auf dem Markt für "mobile Prozessoren" geben.

Das Ziel ist es, Euch, den Verbraucher:innen, zu helfen, diese Informationen zu nutzen, um Euch bei der Wahl eures nächsten Smartphones zu helfen. Es geht hier nicht darum, tief in die Funktionsweise eines modernen Smartphone-SoCs einzutauchen oder die Neugierde eines bereits gut informierten Smartphone-Fans zu befriedigen.

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Stattdessen wollen wir Euch, dem durchschnittlichen Smartphone-Käufer, so viele Informationen wie möglich an die Hand geben, damit Ihr Euch für ein Smartphone entscheiden könnt, das genau das Richtige für Eure Zwecke ist. Auch auf die Gefahr hin, dass wir uns wiederholen, wollen wir Euch helfen, gerade genug zu wissen, damit Ihr am Ende einen informierten Kauf tätigen könnt.

Dieser Sammelartikel verlinkt zu mehreren anderen individuellen Smartphone-SoC-bezogenen Artikeln, in denen wir bestimmte Modelle im Detail vergleichen, besprechen und diskutieren werden.

Sind Prozessoren, SoCs und Chipsätze dasselbe?

Erfahrene Smartphone-Kenner spotten in der Regel über das Wort "Prozessor" und werden Euch sagen, dass ein SoC (kurz für System-on-a-Chip) oder "Chipsatz" der genauere Begriff ist. Letztendlich müsst Ihr aber nur wissen, dass sich die Begriffe "Prozessor", "SoC" und "Chipsatz" in einem Smartphone (in den meisten Fällen) auf die gleiche Einheit beziehen – auch wenn die Terminologie nicht ganz korrekt ist.

Der Begriff "Prozessor" wurde allgemein verwendet, um die Central Processing Unit zu bezeichnen, die in Desktop-Computern verwendet wird. Moderne SoCs bekommen auch eine CPU/Prozessor – aber dieser ist nur eine der vielen Komponenten, die ein SoC ausmachen. Die Antwort lautet also wie folgt: Während ein SoC und ein Prozessor konkret nicht dasselbe sind, hat es sich mit der Zeit eingebürgert, ein SoC als Prozessor oder Chipsatz zu bezeichnen. Ich weiß, es ist kompliziert.

Wenn es nicht dasselbe ist wie ein Prozessor, was ist dann eigentlich ein SoC?

Die häufigste Antwort, die Ihr vielleicht schon gehört habt, setzt den SoC mit dem menschlichen Gehirn gleich. Ich bin da anderer Meinung. Ein genauerer Weg, um zu verstehen, was ein SoC ist, ist, ihn nicht als das Gehirn zu betrachten – sondern als den menschlichen Kopf. Ja, Ihr habt es richtig gelesen.

Ich weiß, das Beispiel ist ein wenig komisch, aber es ist einfach einfacher, sich Euren Kopf als SoC vorzustellen – und Euer Gehirn (das sich im Kopf befindet) – als den Prozessor. Genauso wie Euer Kopf viele andere Teile integriert, enthält auch der SoC verschiedene Komponenten. Viele dieser Komponenten tragen dazu bei, den Prozessor zu entlasten und helfen ihm, effizienter zu arbeiten.

Werft einen Blick auf das folgende Diagramm, um alle Komponenten zu visualisieren, aus denen ein modernes SoC besteht.

Ihr könnt Euch den SoC auch als den wichtigsten Teil eines modernen Smartphones vorstellen. Er funktioniert effektiv als eine einzige Einheit und ist für fast jede einzelne Aufgabe verantwortlich, die Ihr von Eurem Telefon verlangt. Sei es etwas relativ Banales wie das das Telefonieren bis hin zu etwas Komplexerem, wie die Verwendung der Telefonkamera zur Aufnahme von Bildern und Videos, um dann ein Endprodukt mit einer Bearbeitungs-App zu bearbeiten und zu rendern.

Was ist die ARM-Architektur?

Ein weiterer Name, den Ihr vielleicht schon einmal gehört habt, wenn es um Smartphone-SoCs geht, ist ARM. Ihr müsst wissen, dass ARM ein britisches Unternehmen ist, dem die CPU-Architektur, der Befehlssatz und das Kerndesign gehören, die in den meisten Smartphones, Smartwatches und einigen anderen elektronischen Geräten verwendet werden.

Egal, welche Smartphone-Marke Ihr kauft und unabhängig davon, welches SoC verwendet wird, kommt als Basis immer eine ARM-Architektur zum Einsatz.

Ihr werdet viel über ARM hören, wenn Ihr Artikel über die Markteinführung von Smartphones lest – besonders wenn Ihr an dem Teil angelangt, in dem die SoC-Spezifikationen erwähnt werden. In diesen Artikeln wird zum Beispiel hervorgehoben, welche Art von "ARM Cortex"-Kernen ein bestimmtes SoC verwendet.

Zusatz-Wissen: Es ist auch interessant zu wissen, dass große SoC-Hersteller wie Apple, Qualcomm, MediaTek, Huawei und Unisoc SoCs eigentlich nicht in ihren eigenen Werken herstellen. Stattdessen lagern sie diese Aufgabe an spezialisierte Halbleiterfertigungsunternehmen wie TSMC, Samsung Foundry, Globalfoundries und SMIC aus. Samsung ist der einzige Smartphone-SoC-Hersteller in der obigen Liste, der in der Lage ist, seine eigenen ARM-basierten SoCs zu entwerfen und sie auch komplett im eigenen Haus zu fertigen.

Welche Komponenten enthält ein SoC?

Ein typisches modernes Smartphone-SoC enthält in der Regel die folgenden Komponenten.

Zentrale Recheneinheit (CPU)

Die wichtigste Komponente eines modernen Smartphones, die CPU, ist das eigentliche Gehirn Eures Smartphones. Eine moderne Smartphone-CPU hat typischerweise mehrere Kerne und ihre Leistung wird in GigaHertz (GHz) gemessen.

Wenn wir Techniktester über die Leistung von Smartphones sprechen, verwenden wir oft Begriffe wie "Cortex-X4" oder "Cortex-A520". Dies sind die Namen der eigentlichen CPU-Kerne, die im SoC stecken. Wir werden in einem separaten Artikel mehr über Smartphone-Kerne und Prozessoren erfahren.

Grafikverarbeitungseinheit (GPU)

Während die CPU mehrere Aufgaben bewältigen kann, ist sie nicht speziell für die Verarbeitung von Grafiken ausgelegt. Da die meisten heutigen Smartphones sehr anspruchsvolle Spiele (und Videoinhalte) verarbeiten müssen, wird diese Aufgabe von einer dedizierten GPU übernommen.

In Smartphone-Rezensionen werdet Ihr viel über GPUs hören. Qualcomm SoCs verwenden in der Regel ihre eigenen Adreno-GPUs, während andere SoC-Hersteller entweder auf ARM Mali (Google, MediaTek), AMD Radeon (Samsung) oder PowerVR GPUs (eine Weiterentwicklung davon wird in der iPhone-Familie verwendet) setzen.

Bildverarbeitungseinheit (ISP)

Moderne Smartphones haben in der Regel eine separate Bildverarbeitungseinheit. Diese ermöglicht es ihnen im Wesentlichen, Daten von einem Bildsensor in ein brauchbares Foto zu "konvertieren", das Ihr dann bearbeiten und mit Freunden und Verwandten teilen könnt.

Früher wurde diese Aufgabe auch von der CPU übernommen. Aber die Hersteller haben bald erkannt, dass es immer besser ist, diese Aufgaben an eine separate Bildverarbeitungseinheit auszulagern. Namen, auf die Ihr stoßen werdet, wenn Ihr über ISPs diskutiert, sind "Spectra" von Qualcomm und "Imagiq" von MediaTek.

Moderne ISPs können Daten von mehreren Kameras verarbeiten, Effekte anwenden, die Bildqualität verbessern (einer der Gründe, warum Selfies von Handys besser sind als die Webcams von Laptops) und sogar Elemente in der Szene erkennen (z. B. kann die GPU ein Hintergrundbild anwenden, das dein Wohnzimmer ersetzt).

Integrierte Modems

Moderne Smartphones sind Kommunikationsgeräte und ein Modem ist die wichtigste Komponente, die diese grundlegende Funktion ermöglicht. Ein Modem wird verwendet, um drahtlose Signale in Daten umzuwandeln, die Euer Telefon verstehen kann. Heutige Smartphone-Modems integrieren 5G, 4G, 3G, Wi-Fi und Funktionen in einer einzigen Einheit. Und während die Mehrheit der heutigen Smartphone-SoCs über ein integriertes Modem verfügt, gibt es ein paar Ausnahmen.

Jüngste Beispiele sind der Qualcomm Snapdragon 8 Gen 3 und der Apple A17, die beide ein Qualcomm-Modem verwenden – einen internen Snapdragon X77 bzw. einen externen X70. Mit "extern" meinen wir, dass die Modemeinheit nicht Teil des SoC ist. Ein weiteres Beispiel sind die Tensor-Chips von Google, die ein Modem von Samsung verwenden (ein interner Kern auf dem ursprünglichen Tensor und ein integrierter auf den G2- und G3-Chips).

Nicht alle SoC-Hersteller sind scharf darauf, ihre Modems zu benennen. Qualcomm ist eine Ausnahme und das Unternehmen bezeichnet seine Modems normalerweise mit dem Buchstaben X, gefolgt von einer Zahl. Das neueste 5G-Modem von ihnen ist zum Beispiel der Qualcomm Snapdragon X80.

MediaTek, HiSilicon und Samsung erwähnen die Modem-"Markennamen" in der Regel nicht auf ihren technischen Datenblättern und haben sich generell davor gescheut, sie zu benennen. Kürzlich machte MediaTek jedoch eine große Sache daraus, als es sein erstes 5G-mmWave-kompatibles Modem ankündigte und es als MediaTek M70 5G Modem bezeichnete. HiSilicon-Modems laufen unter dem Markennamen "Balong". Allerdings werdet Ihr diesen Namen selbst auf den offiziellen Websites nur selten finden.

Andere Komponenten
Während diese vier Komponenten essentiell sind, sind in einem modernen SoC auch andere Bauteile integriert. Zum Beispiel werden digitale Signalprozessoren (DSP) typischerweise verwendet, um Aufgaben wie die Analyse von Daten von Onboard-Sensoren zu übernehmen und manchmal sogar bei der Musikwiedergabe zu helfen.

Da künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen als das nächste große Ding angepriesen werden, ist es nicht unüblich, dass Smartphone-SoCs eine dedizierte Neural Processing Unit (NPU) integrieren, die speziell für die Bewältigung solcher Aufgaben entwickelt wurde.

NPUs werden schon seit vielen Jahren in Smartphone-SoCs für Aufgaben wie Bildverbesserung, Sprachverarbeitung, Gesichtserkennung und mehr eingesetzt. Der aktuelle Trend zu generativer KI und großen Sprachmodellen (LLMs) versetzt die Chipdesigner/innen in einen Wettlauf, um mehr TOPS (Tensoroperationen Teraoperationen pro Sekunde) als ihre Konkurrenten anzubieten.

Herstellungsprozess

Ein Begriff, auf den Ihr beim Lesen von SoC-Spezifikationen häufig stoßen werdet, ist der so genannte "Fertigungsprozess", der in Nanometern (nm) angegeben wird. Die einfachste Erklärung, die mir im Moment einfällt, ist, dass ein Fertigungsprozess eine Zahl ist, die verwendet wird, um zu verstehen, wie klein die internen Knoten des SoCs sind.

Wir können zwar eine wissenschaftliche Dissertation über Fertigungsprozesse und den Halbleiterherstellungsprozess führen, aber das würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Was Ihr als Verbraucher verstehen müsst, ist, dass das SoC umso komplexer/ teurer / leistungseffizienter ist, je kleiner der Herstellungsprozess ist.

Die aktuellen Flaggschiff-SoCs basieren auf 3-nm-Fertigungsprozessen, während die Flaggschiff-SoCs von 2020 auf einem 7-nm-Knoten basieren. Mittelklasse- und Budget-SoCs basieren in der Regel auf 5-, 6- und 7-nm-Fertigungsprozessen.

Wer stellt Smartphone-SoCs her?

Zu den wichtigsten Akteuren im Smartphone-SoC-Segment gehören die folgenden Unternehmen.

• Apple
• Qualcomm
• MediaTek
• Samsung
• HiSilicon
• Unisoc

Hier ist ein kurzer Überblick über die Produkte der einzelnen SoC-Marken

Apple-SoCs

Da Apple seine SoCs nicht für mehrere Geräte benötigt, kündigt das Unternehmen in der Regel nur ein Smartphone-SoC pro Jahr an. Bis 2010 verließ sich Apple bei den iPhone- und iPad-Modellen auf SoCs, die von Samsung stammten. Seitdem ist das Unternehmen jedoch auf eigene ARM-basierte SoCs umgestiegen. Der erste von Apple entworfene SoC war der Apple A4, der 2010 vorgestellt wurde.

Seitdem hat sich das sogenannte Apple Silicon mit den SoCs der Apple S-, M- und H-Serien auf andere Märkte ausgeweitet, darunter Smartwatches, PCs und Kopfhörer, sowie andere Arten von Controllern und Chips für andere Geräte.

Qualcomm-Snapdragon-SoCs

Qualcomm ist einer der führenden Hersteller von Android-SoCs und vor allem für seine Snapdragon-Prozessoren bekannt, die die gesamte Bandbreite des Smartphone-Marktes abdecken. Die Chips des Unternehmens waren nicht nur im allerersten Android-Handy, dem HTC Dream/T-Mobile G1, verbaut, sondern auch schon in früheren Windows Mobile- und BlackBerry-Handys.

Die mobilen Snapdragon-Prozessoren sind in die Serien 8, 7, 6, 4 und 2 unterteilt, vom High-End-Android-Flaggschiff-Segment bis hin zu den Low-End-KaiOS-Feature-Phones und noch einfacheren Modellen. Qualcomm hat sein Branding sogar noch weiter unterteilt und ein "s" oder "+" hinzugefügt, um eine niedrigere bzw. höhere Chipklasse innerhalb der gleichen Serie zu kennzeichnen.

Neben Handys umfasst die Snapdragon-Familie auch andere Geräte: die Snapdragon-X-Serie für den PC-Markt, die Snapdragon-W/Wear-Serie für Wearables, XR und AR für Virtual/Mixed/Augmented Reality-Geräte und einige andere.

MediaTek-Dimensity-SoCs

MediaTek ist ein taiwanisches Unternehmen, das ursprünglich für seine erschwinglichen SoCs bekannt war, die typischerweise in billigeren Smartphones zum Einsatz kamen, und Smartphone-SoCs entwickelt. In letzter Zeit haben sie es jedoch geschafft, dank ihrer wettbewerbsfähigen Einstiegs- und Mittelklasseprodukte eine erhebliche Bedrohung für Qualcomms Vorherrschaft in diesem Segment darzustellen. Auch MediaTek rückt mit seinen neuen High-End-Chipsätzen immer näher an Qualcomm heran. MediaTek verwendet mehrere Markennamen für seine SoCs. Zu den beliebtesten gehören die Helio- und Dimensity-Reihe.

MediaTek-Prozessoren für Smartphones werden derzeit als Dimensity oder Helio gebrandmarkt. Die 4G-Helio-Produktreihe wird langsam durch 5G Dimensity-Alternativen ersetzt, so dass sie keine neueren Angebote erhält.

Die Dimensity-Chips decken die gesamte Bandbreite des Smartphone-Marktes ab, von der 6000er-Serie für Einsteiger bis hin zur 9000er-Flaggschiff-Serie. Bis 2021 war die Familie in die 700er und 1000er Serie unterteilt, und während des Übergangs zwischen den beiden Namensschemata wurden einige Chips umbenannt, was die Verwirrung noch vergrößerte.

Samsung-Exynos-SoCs

Exynos ist der Markenname für die hauseigenen SoCs von Samsung. Der südkoreanische Konzern entwirft seine Chips nicht nur, sondern produziert sie auch mit seiner Tochtergesellschaft Samsung Foundry (die auch für Google und Qualcomm "fabt"). In der Vergangenheit hat das Unternehmen auch seine eigenen Hummingbird/Mongoose/Exynos-CPU-Kerne entwickelt, die jedoch aufgrund mangelnder Wettbewerbsfähigkeit und Effizienz durch Standard-Cortex-Kerne ersetzt wurden.

Die SoC-Bemühungen von Samsung gehen auch in die Zeit vor Android zurück, denn die Chips des Unternehmens waren bereits in den ersten iPhone-Generationen und früheren Smartphones im Einsatz. Die aktuelle Exynos-Familie lässt sich bis zu den früheren Galaxy-S-Modellen zurückverfolgen, wobei die 2000er-Serie das Flaggschiff und die 1000er-Serie den Mittelklassemarkt abdeckte.

Die Google Tensor-Familie ist mit der Exynos-Reihe verwandt – bis hin zu den Samsung-Codenamen –, mischt aber Standard-ARM-Cortex-CPUs, ARM-Mali-GPUs und Samsung-Modems mit eigenen Google-Kernen, vor allem der Tensor NPU.

HiSilicon-SoCs  (Huawei)

Auch der chinesische Gigant Huawei entwickelt seine eigenen Chips unter der Marke HiSilicon Kirin. Bei seinem rasanten Aufstieg an die Spitze des Telefonmarktes war das Unternehmen jedoch 2020 eines der Hauptziele der von den USA verhängten Handelssanktionen, die seine Kapazitäten zur Herstellung seiner Kirin-Chips mit dem langjährigen Partner TSMC aus Taiwan beeinträchtigten.

Während der Kirin 9000 von 2020 im Vergleich zu anderen Android-Flaggschiff-SoCs sehr wettbewerbsfähig war, wurde Huawei/HiSilicon verboten, seine Chips von TSMC zu beziehen und konnte erst 2023 mit dem Kirin 9000s-Chip zurückkehren, der von SMIC in Shanghai hergestellt wurde.

Wie der Name schon sagt, ist der 9000s in Bezug auf die Leistung ungefähr gleichauf mit seinem älteren Geschwisterchen und verwendet einen weniger fortschrittlichen chinesischen 7nm-Prozessknoten. SMICs ältere 14-nm-Prozesse werden auch für die preiswerteren Kirin 710-Chips verwendet.

Unisoc-SoCs (ehemals Spreadtrum)

Unisoc ist eine weitere Smartphone-SoC-Marke. Sie ist zwar nicht so bekannt wie Qualcomm, MediaTek, Samsung oder Huawei, aber Unisoc hat ein umfangreiches Sortiment an Smartphone-SoCs im Angebot. Sie werden hauptsächlich von Herstellern verwendet, die sich auf die Produktion von Geräten im unteren Preissegment konzentrieren.

Obwohl die SoC-Familien Tiger und Tanggula seit mindestens 2020 leistungsstarke Alternativen versprechen, basieren die neuesten Angebote des Unternehmens (ab 2024) auf dem Cortex-A76 CPU-Kern von 2018.

Es ist vielleicht bezeichnend, dass die 4G-Chips von Unisoc in aktuellen Modellen von Samsung, Motorola, Realme, Nokia und anderen beliebten Marken für den Low-End-Handymarkt zu finden sind. Die 5G-Chips des Unternehmens sind praktisch ausschließlich in Hisense- und ZTE/Nubia-Handys zu finden.

Jetzt, wo Ihr wisst, was ein Smartphone-SoC ist und welche Unternehmen in diesem Bereich tätig sind, könnt Ihr diese Informationen nutzen, um die Hardware-Spezifikationen eures Handys besser zu verstehen. Dies ist nur der erste Artikel in einer geplanten Serie von Smartphone-SoC-Themen hier auf nextpit. Wir werden diesen Artikel in naher Zukunft mit weiteren Links zu verwandten Themen aktualisieren.

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Der Artikel wurde im Juli 2024 mit den neuesten Entwicklungen aktualisiert.