Smartphone-Prozessor (CPU)

Zentrale Recheneinheit eines Smartphones

Die englische Abkürzung CPU steht für „Central Processing Unit“ und bezeichnet den Prozessor des mobilen Endgeräts. Als zentrale Recheneinheit eines Mobile Devices bearbeitet der Prozessor Befehle, führt Rechenoperationen aus, verarbeitet Daten und gibt diese wieder aus.

Eine Smartphone-SoC (System-on-a-Chip) ist ein Kästchen mit einer Kantenlänge von ungefähr einem Zentimeter.

Prozessorkerne

Die Beschreibung des Prozessors eines Smartphones  beinhaltet in der Regel, dass der CPU-Hersteller, der Prozessortyp, die Anzahl der Prozessorkerne sowie die CPU-Taktrate für die einzelnen Prozessorkerne angegeben werden.

Ein-Kern-Prozessoren gibt es bei aktuellen Smartphones nicht mehr – alle setzen auf Mehr-Kern-Prozessoren. Mit einem „Kern“ (engl.: core) ist eine Einheit aus Rechen- und Steuerwerk gemeint, die von weiteren Bauteilen wie dem Cache-Speicher und der MMU (Memory Management Unit) vervollständigt wird.

Fast alle gängigen Smartphone- und Tablet-Modelle setzen ARM-Prozessoren ein und folgen damit dem Mikroprozessor-Design des britischen Lizenzgebers ARM Limited. Die Prozessoren werden paarweise in ein Stück Silizium gelasert. Da noch weitere System-Bauteile (zum Beispiel ein dedizierter Grafikprozessor (GPU), das Mobilfunk-Modem, KI-Beschleuniger oder Bluetooth- und WLAN-Steuereinheiten) hinzukommen, spricht man auch von SoC-Prozessoren, wobei SoC für „System on a Chip“ steht.

Je nach Anzahl der Prozessorpaare bezeichnet man die SoC-Prozessoren dann als

• Dual-Core (ein Prozessorpaar),
• Quad-Core (zwei Prozessorpaare),
• Hexa-Core (drei Prozessorpaare) oder
• Octa-Core (vier Prozessorpaare).

Taktfrequenz

Die CPU-Geschwindigkeit (Taktung) ist maßgeblich für das Nutzererlebnis: Ist ein Smartphone oder Tablet mit einem leistungsarmen Prozessor ausgestattet, kommt es zu verlangsamtem oder unberechenbarem Verhalten von Apps oder detailarmen Darstellungen. Vereinfacht gibt die Taktrate an, mit welcher Frequenz die Kerne die Aufgaben abarbeiten. Die Hertz-Anzahl eines Prozessors gibt die Zeit an, die für die Ausführung eines Arbeitsschritts nötig ist.

Bei einer Taktrate von einem Gigahertz beträgt die Taktperiode eine Nanosekunde. Ein Octa-Core-Prozessor mit acht 1-GHz-Kernen würde entsprechend acht Befehle pro Nanosekunde ausführen können. Die maximal Taktrate liegt bei aktuellen (Stand: 2023) Top-Smartphones oder -Tablets zwischen zwei und drei Gigahertz (GHz). Eine höhere Taktrate würde zu viel Strom verbrauchen und in einer zu kurzen Akkulaufzeit resultieren. Zudem wäre auch die Hitzeentwicklung zu stark.

Die Smartphone-Hersteller vereinen mittlerweile aus Performance-Gründen Prozessorkerne unterschiedlicher Taktungen auf einem Chip. Dabei werden stromsparende Effizienz-Kerne (oft basierend auf dem ARM-Design Cortex-A53 oder Cortex-A55) durch leistungsstarke Performance-Kerne (zum Beispiel ARM Cortex-A72, -A73 oder -A75) ergänzt, die bei rechenintensiven Anwendungen für die benötigte Leistung sorgen.

Beispiel Google Pixel 7a: Das Android-Modell setzt auf den Prozessor „Google Tensor G2″, bestehend aus:

• zwei Performance-Kernen des Typs ARM Cortex-X1 (2,85 GHz),
• zwei Midrange-Kernen ARM Cortex A78 (2,35 GHz) und
• vier ARM-Cortex-A55-Kernen mit jeweils bis zu 1,8 GHz.

CPU-Hersteller

Eine Reihe von Herstellern teilt den Smartphone-CPU-Markt unter sich auf, wobei der taiwanische Auftragsfertiger TSMC große Volumen übernimmt. Die hauseigenen Chipsätze haben dabei eigene Markenbezeichnungen, so zum Beispiel die A-Serie (Apple), Exynos-Serie (Samsung), Kirin-Serie (Huawei) und Snapdragon-Serie (Qualcomm).

Einige Beispiele:

• Apple A13 Bionic im iPhone 11
• Huawei bzw. HiSilicon Kirin 980 im Huawei P30 Pro
• MediaTek MT6755S im Nokia 5.1
• Qualcomm Snapdragon 855 im Google Pixel 4
• Samsung Exynos 9820 im Galaxy S10

Prozessor-Benchmarking

Aufgrund der vielen verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten von SoC-Prozessoren ist es schwer, die Leistung der CPUs nur auf dem Papier einzuschätzen. Die Erhebung von Benchmarks in Tests ist dabei aussagekräftiger. Eine sehr ausführliche Dokumentation von Smartphone- und Tablet-CPU-Benchmarks findest du bei den Kollegen von notebookcheck.com.