Wachablösung

Mobilprozessoren der 28/32-nm-Generation

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Während Apple still und heimlich das erste 32-nm-ARM-SoC ausliefert, geht Qualcomm mit dem Snapdragon S4 noch einen Schritt weiter, könnte aber wiederum bald von Samsung und TI überholt werden.

Derzeit stehen bei den Prozessoren für Smartphones und Tablets Generationswechsel in mehreren Disziplinen an: Vorgelegt hatte bereits Ende 2011 Nvidia mit dem ersten Quad-Core, musste dafür beim Tegra 3 aber noch ältere Coretx-A9-Kerne mit 40-nm-Strukturen ins Rennen schicken. Die Lorbeeren für den ersten ARM-Prozessor mit 32-nm-Strukturen gehen indes an Apple – aber nicht etwa für das neue Topmodell A5X des iPad 3, sondern für die überarbeitete Auflage des A5 im Apple TV. Der trägt intern nun die Bezeichnung S5L8942 (oder auch A5R2). Die ältere 45-nm-Version heißt S5L8940. Von dem unterscheidet sich der neue weder bei den CPU-Kernen (Cortex-A9) noch bei der Grafikeinheit (PowerVR SGX543MP2). Zum Vergleich: Der A5X des iPad 3 hat ebenfalls (nur) zwei Cortex-A9-Kerne von ARM, aber eine PowerVR-SGX543MP4-Grafikeinheit. Er entsteht noch in einem 45-nm-Prozess bei Samsung.

Beim Apple TV deaktiviert Apple allerdings einen der beiden A9-Kerne. In der Neuauflage des iPad 2 darf der 32-nm-A5 indes beide Kerne nutzen. Auch darum macht Apple kein Aufhebens – wahrscheinlich, weil sich die verkleinerten Strukturen des System-on-Chip weder auf die Performance noch auf die Akkulaufzeit signifikant auswirken. Laut Chipworks ist das Silizium-Die des neu aufgelegten A5 nur 69,6 mm2 groß, während die ältere 45-nm-Version noch auf 122 mm2 kommt.

Mit dem A5 hat Apple die anderen SoC-Hersteller rechts überholt: Texas Instruments (OMAP 5) und Samsung (Exynos 5) reden zwar bereits über 32- respektive 28-nm-Chips, können aber bislang keine in Serie produzierten Endgeräte vorweisen. Fairerweise muss man allerdings auch anerkennen, dass sie nicht einfach nur einen bestehenden Chip verkleinern.

So hat Qualcomm für den zu Ostern debütierten Snapdragon S4 das eigene ARM-Design überarbeitet und ist bei der Fertigungstechnik (28 mm) noch einen Halbschritt weiter als Apple. Die neuen Krait-Kerne lassen sich – ebenso wie ihre Scorpion-Vorgänger des Snapdragon S3 – nicht ohne Weiteres mit den Cortex-Standardkernen von ARM vergleichen. So verwendet Qualcomm beispielsweise eine 13-stufige Pipeline, während die des Cortex-A9 nur acht Stufen umfasst. Auch bei der Gleikommaeinheit sieht Qualcomm Vorteile der eigenen Architektur, die aber denselben ARMv7-Befehlssatz verwendet. ARMs Cortex-A15 – auf den beispielsweise TI und Samsung setzen – verwendet wiederum eine 15-stufige Pipeline und beherrscht Tricks, um auf mehr als 4 GByte RAM zuzugreifen. Kurzum: Krait liegt irgendwo zwischen Cortex-A9 und -A15, während Scorpion zwischen Cortex-A8 und A9 angesiedelt war.

Nachgemessen

Wir konnten den ersten Vertreter der S4-Familie im Smartphone HTC One S untersuchen: Den beiden mit 1,5 GHz getakteten Krait-Kernen steht die ebenfalls neue Grafikeinheit Adreno 225 zur Seite. Die Benchmarktabelle zeigt, dass der MSM8260A in den CPU-lastigen Disziplinen rund 25 bis 30 Prozent schneller rechnet als die gleich getakteten Vorgänger MSM8260 respektive APQ8060. Die Grafikeinheit schafft sogar einen Vorsprung von 85 Prozent. Auch am Cortex-A9 zieht Krait vorbei. Doch der Unterschied fällt bei identischer Taktfrequenz geringer aus, als es die Tabelle vermuten lässt: Normiert auf 1 MHz bleiben nur 15 Prozent übrig. Im JavaScript-Benchmark Sunspider, der nicht von vielen Kernen, sondern nur von hoher Single-Thread-Performance profitiert, schlägt das HTC One S mit seinen zwei Kernen und 1,5 GHz Nvidias Quad-Core.

Noch besser als die CPU steht die neue Grafikeinheit Adreno 225 da. Sie verdoppelt im GLBenchmark mit 95 fps beinahe die Frame-Rate des Vorgängers und überholt die ULP-GeForce-Grafik des Tegra 3. An die 250 fps des iPad 3 (PowerVR SGX MP43MP4) kommt sie aber nicht annähernd heran.

Auch wenn Qualcomm noch ein Krait-Ass mit vier Kernen im Ärmel hat, dürfte der Vorsprung nicht allzu lange reichen, denn bei Samsung und TI stehen Exynos 5 respektive OMAP 5 mit Cortex-A15 in den Startlöchern. Die sollen pro Taktzyklus doppelt so viel Rechenarbeit erledigen, wie die A9-Vorgänger und Taktfrequenzen bis 2,5 GHz erreichen. Rechnet man die Performance des OMAP4460 in der Tabelle hoch, sieht es nicht mehr so gut aus für Krait. Allerdings mehren sich die Anzeichen dafür, dass der A15-Kern auch reichlich Strom schluckt – vermutlich zu viel, um vier davon in ein Smartphone zu stecken.

So will Nvidia laut einer Roadmap, die die chinesische Webseite VR-Zone ausgegraben hat, für den Tegra 4 zwar auch auf vier (plus eins) A15-Kerne setzen, spricht beim Zielmarkt aber nur von High-End-Tablets mit 10-Zoll-Displays und Geräte zum Aufklappen („Clamshell“) – sprich: Netbooks. Von Smartphones ist jedenfalls keine Rede. Der erste Tegra-4-Chip könnte T40 heißen, 2013 erscheinen und mit 1,8 GHz laufen. Seine GPU erhält eine Unified-Shader-Architektur. Für Ende 2013 steht dann mit T43 noch ein 200-MHz-Nachschlag in Aussicht.

Bis dahin kommen für den Tegra 3 (Codename Kal-El) alias T30/T30S/T30SL erst noch einmal Varianten (T33, T33S und T33SL) mit etwas höherer Taktfrequenz von bis zu 1,7 GHz statt ursprünglich 1,3 GHz im Einkern-Turbo-Modus. Ebenfalls noch in diesem Jahr will Nvidia unter dem Codenamen „Kal-El+“ den Fertigungsprozess von 40- auf 28-nm-Strukturen umstellen. Der Chip dürfte dann erst einmal T35 heißen und gegen Ende des Jahres als T37 (oder auch AP37) noch einmal ein paar zusätzliche Megahertz spendiert bekommen. Spekuliert wird über 1,7 GHz. An der Architektur dürfte sich – entgegen früheren Gerüchten – aber nichts ändern.

Apropos Strukturgröße: 28- und 32-nm-Prozesse gehören zur selben Generation, sprich sie verwenden dieselbe Lithografie-Technik. Man spricht daher auch von Full- (32 nm) und Half-Nodes (28 nm). Nicht jeder Chip-Hersteller macht jeden Halbschritt mit. In der Halbleiterindustrie ist es üblich, nicht gleichzeitig Architektur und Fertigungsprozess zu verändern. Mit einem erprobten Design lässt sich der Umstieg auf die neue Herstellungstechnik (High-K, Metal Gate, Gate first) leichter in den Griff bekommen. (bbe)

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