Technikwissen
Hintergrund: Smartphone-Prozessoren
Der Prozessor ist das Herz jedes Smartphones und kommt von Qualcomm, Intel, Nvidia oder auch Samsung. Was Käufer und Nutzer über dieses miniaturisierte Rechenzentrum noch wissen müssen.
Der "Motor" in einem Smartphone ist der Prozessor. Diese zentrale Recheneinheit (auf Englisch heißt sie "CPU" - Central Processing Unit) arbeitet alle Programmschritte und Rechenaufgaben der Software ab.
Sie liest und verarbeitet Daten von der E-Mail bis zum Videostream und besitzt spezialisierte Unterbaugruppen, die zum Beispiel für die schnelle Aufbereitung von Grafiken (Grafikprozessor), die effiziente Manipulation von Multimedia-Daten (DSP - Digitaler Signal-Prozessor) oder die blitzschnelle Verbesserung der vom Fotosensor eingefangenen Bilddaten (Kamera-Controller) ausgelegt sind.
Smartphone-Chips leisten immer mehr
Tatsächlich sind heute aktuelle Smartphone-Prozessoren schon fast eigenständige Computer, die nur noch wenig externes Zubehör wie Speicherchips, Kamerasensor und GPS-Antenne brauchen.
Auf den leistungsstärksten Vertretern ist sogar schon die Verwaltungselektronik für alle unterstützten Funkstandards untergebracht. Die "Controller" für LTE, UMTS bis hin zu DC-HSPA+, GSM mit GPRS und EDGE, WLAN bis zum brandneuen 11ac- Standard und Bluetooth 4.0 brauchen dann im Wesentlichen noch externe Antennen und ein wenig Anpassungselektronik - schon kann das System online gehen.
Diese Auslegung hilft den Entwicklern moderner Handys, Platz und Gewicht zu sparen, da mehrere sonst erforderliche Zusatzchips entfallen können.
Der Prozessor als Entscheidungshilfe beim Handykauf
Ein genauerer Blick ins Innenleben von Smartphone-Prozessoren kann bei der Suche nach dem richtigen Smartphone helfen. Taktfrequenz und Anzahl der Prozessorkerne sind dabei zwei wichtige Faktoren. So kann man schon vor dem Kauf abschätzen, ob bestimmte Einschränkungen für Sie relevant sind oder nicht.
Snapdragon, Tegra, Exynos: Neue CPU-Generation
Die Prozessorbestückung eines Smartphones gibt connect bei jedem Test an und führt sie auch in der Bestenliste. Was sich technisch jeweils dahinter verbirgt, finden Sie in der folgenden Bildergalerie, in der wir die aktuell wichtigsten Prozessoren vorstellen.
Doch welche Rolle spielen die dort genannten technischen Daten? Im Android-Markt basieren fast alle relevanten Prozessoren auf der sogenannten ARM-Architektur. Das bedeutet, dass sie nach einem vom britischen Chiphersteller "Advanced RISC Machines Holding" entwickelten Standard arbeiten.
Das Kürzel RISC steht für "Reduced Instruction Set Computing" - vereinfacht gesagt unterstützen solche Chips weniger Befehle, die sie dafür schneller abarbeiten können. Auf allen Chips, die auf dem ARM-V7-Befehlssatz basieren, laufen dieselben Apps.
Im Umkehrschluss folgt daraus allerdings: Die derzeit noch zahlenmäßig geringen Android-Geräte mit einem Atom-Chip von Intel (der auf Intels eigener x64-Architektur basiert), brauchen speziell aufbereitete Software.
Deshalb können das Motorola RAZR i oder das Lenovo K800 nicht alle Apps aus den einschlägigen App-Stores nutzen - auch wenn das Angebot an x64-kompatiblen Android-Apps beständig wächst.
Die 10 besten Android-Handys im Test
Aufgeführt haben wir in der Überischt auch, mit welcher Herstellungstechnologie die jeweiligen Chips produziert werden. Diese Angabe in Nanometer sagt aus, wie "breit" die ins Silizium geätzten Leiterbahnen sind. Vereinfacht gesagt braucht ein Chip umso weniger Strom, je weniger Nanometer seine Strukturbreite beträgt.
Auch auf den Speicher kommt es an
Die sogenannten Caches sind Zwischenspeicher, auf die der Chip besonders schnell zugreifen kann. Hier lässt sich generell sagen: Je größer die Level-1- und Level-2-Caches, umso besser. Denn dann kann der Prozessor mehr Daten ohne Nachladen oder Auslagerung in den langsameren Arbeitsspeicher bearbeiten.
Interessant ist auch, welche Grafikeinheit im Prozessor enthalten ist. Sie läuft typischerweise mit geringerer Frequenz als die CPUKerne. Doch auch hier gilt vereinfacht: Je mehr Kerne und je mehr Megahertz, umso schneller manipuliert der Prozessor die Pixel. Apropos Speicher:
Wichtig für die Leistung eines Prozessors ist nicht zuletzt, wie schnell er auf den externen Arbeitsspeicher (also das RAM) im Smartphone zugreifen kann. Werden hier zwei Speicherkanäle unterstützt, finden die Zugriffe schon mal doppelt so schnell statt. Und 64-Bit-Architekturen können in einem Schritt mehr Dateninhalte bewegen als 32-Bit-Varianten.
Für die in der Tabelle angegeben maximale Speichertaktfrequenz gilt wieder: Je schneller, desto besser. Wichtig zum Verständnis: Die von uns angegebenen Frequenzen sowie Pixelzahlen und ähnliche Werte sind meist die vom jeweiligen Chip unterstützten Maximalwerte. Nicht jedes Smartphone reizt diese auch bis zum Anschlag aus.
Mehr Leistung verbraucht mehr Strom
Allerdings hat jeder Leistungszuwachs gerade bei Smartphone-Komponenten auch seine Nachteile. Zwar brillieren vier gleichzeitig betriebene Rechenkerne (Quad-Core) beim Abarbeiten mehrerer paralleler Aufgaben durch Höchstleistung, doch zehren so ausgestattete Prozessoren auch umso stärker am chronisch knappen Akkustrom.
Die Hersteller der Zentralchips erfinden deshalb ständig neue Tricks, wie sie den Energieverbrauch eindämmen und dennoch bei Bedarf möglichst hohe Leistung bieten können.
Der Chiphersteller Nvidia kombiniert zu diesem Zweck zum Beispiel einen klassischen Vierkernprozessor mit einem fünften, auf Stromsparbetrieb optimierten Kern. Letzterer ist aktiv, wenn das Telefon im Ruhezustand vor sich hindämmert und allenfalls auf ankommende Nachrichten oder das Aufwecken durch seinen Benutzer wartet.
Will der User jedoch aufwendige Spiele spielen oder Bilder umrechnen, schaltet der Chip auf seine vier Hochleistungskerne um.
Einen ähnlichen Weg geht Samsung bei seiner neuesten Prozessorfamilie Exynos 5: Hier stehen sogar gleich zwei mal vier Kerne bereit - vier auf Leistung getrimmte Recheneinheiten, die auf der modernen und starken "Cortex A15"-Architektur basieren, und vier fürs Batteriesparen optimierte Kerne, welche die ältere, aber genügsamere "Cortex A7"-Architektur nutzen. Die in den USA verkaufte Variante des Samsung-Topmodells Galaxy S4 setzt auf diesen als "big.LITTLE" bezeichneten Aufbau - bislang so gut wie exklusiv.
Marktübersicht: Smartphones und Tablets mit LTE
In den hierzulande und im Rest Europas angebotenen S4-Varianten kommen Chips aus der Qualcomm-Serie Snapdragon 600/800 zum Einsatz. Sie können zwar auch Strom sparen, bewerkstelligen dies aber durch gezieltes Ein- und Ausschalten ihrer vier Kerne sowie durch Reduktion der Taktfrequenzen.
Texas Instruments wiederum verfolgt bei seinem "OMAP 4"-Chip eine ähnliche Strate gie wie Samsung und Nvidia, beschränkt sich dabei aber auf zwei mal zwei Kerne.
