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Spekulationen um iPad-Innereien (Updates)

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Silizium-Rätsel Apple A4

(Bild: Apple)

Ein Teil der wilden Spekulationen im Vorfeld der Ankündigung des Apple iPad, das ja erst in zwei bis drei Monaten lieferbar sein wird, drehte sich um den von Apple selbst entwickelten Prozessor. Leider hat Apple zu diesem offiziell auf den Namen A4 getauften System-on-Chip (SoC), das mindestens einen Prozessorkern sowie einen Grafikkern auf einem Stück Silizium vereint, kaum mehr verraten, als dass der oder die CPU-Kerne mit maximal 1 GHz Taktfrequenz laufen. Deshalb schießen nun weitere Spekulationen über den Aufbau und das Leistungsvermögen des Apple A4 ins Kraut: Eine Bestandsaufnahme.

Auf dem iPad läuft iPhone OS 3.2 als Betriebssystem, auch sämtliche iPhone-Apps sollen ohne Änderungen an ihrem jeweiligen Programmcode funktionieren. Damit ist klar, dass der Rechenkern im A4-SoC ebenfalls ARM-Architektur aufweist – fragt sich bloß, welche. In Handys und Smartphones, die jeweils in Millionenstückzahlen gefertigt werden, stecken üblicherweise kundenspezifische (OEM-)Prozessoren beziehungsweise SoCs – also im Vergleich zu den Standardprodukten der einschlägigen Embedded-Prozessorhersteller (unter anderem Freescale, Infineon, NXP, Qualcomm, Texas Instruments, Samsung) modifizierte Versionen, die möglichst exakt an die Bedürfnisse des jeweiligen Gerätes angepasst sind. Die Entwickler des Gesamtgerätes suchen jeweils einen optimalen Kompromiss aus Kosten, Platzbedarf, Performance und Leistungsaufnahme.

iPad: Reicht ein einzelner 1-GHz-Kern?

Der Apple A4 wurde mit zugekauften beziehungsweise als geistiges Eigentum (Intellectual Property, IP) lizenzierten Standardkernen von ARM und vermutlich weiteren IP-Core-Anbietern von Entwicklern ausgetüftelt, die Apple 2008 mit der Firma P. A. Semi übernommen hat. Zu diesem Design-Team gehört der P.A.-Semi-Gründer Dan Dopperpuhl, der noch in seiner Zeit bei DEC gemeinsam mit ARM den StrongARM entwickelte. Welcher Chiphersteller den Apple A4 letztlich fertigt und mit welchen Strukturbreiten, ist ebenfalls unklar – auf dem Bild aus dem Apple-Video zum iPad wird zwar der A4 auf der iPad-Platine in Nahaufnahme gezeigt (etwa bei Minute 6:24), aber die dort erkennbaren Typenbezeichnungen (wie H8MBT00V0MTR-OEM) lassen bisher keine Rückschlüsse auf den Auftragsfertiger zu.

So, wie der A4 in dem Video aussieht, handelt es sich aber wohl um einen Kombi-Chip, genauer: Um ein Package-on-Package (PoP). Direkt auf der Platine dürfte das eigentliche A4-SoC mit seinem Ball-Grid-Array-(BGA-)Gehäuse festgelötet sein; oben auf dem SoC sitzt ein weiteres Bauelement, üblicherweise ein DRAM-Speicherchip oder eine Kombination aus (Mobile-DDR-)DRAM und nichtflüchtigem NAND- oder NOR-Flash-Speicher – solche Speicher-Kombis, die vor allem Platinenfläche einsparen, verkauft etwa Samsung als Multi-Chip-Packages (MCP). Die erwähnte Typennummer bezieht sich dann womöglich bloß auf die Speicherchip-Komponente des SoC-DRAM-PoP.

Wie sogenannte Teardown-Analysen ergeben haben, die darauf spezialisierte Anbieter wie iSuppli durchführen, um deren Ergebnisse an konkurrierende Gerätehersteller und Analysten zu verkaufen, steckt im aktuellen iPhone 3GS ein Samsung-SoC, das einen einzelnen ARM-Cortex-A8-Kern enthält. Auf diesem SoC sitzt ein sparsames 2-GBit-(256-MByte-)Mobile-DDR-DRAM. Das 65-nm-Samsung-SoC läuft im iPhone 3GS (und im iPod Touch) mit 600 MHz – laut Samsung soll der S5PC100, quasi die Grundlage des iPhone-SoC, bis zu 833 MHz erreichen (PDF-Datei). Apple begnügt sich vermutlich deshalb mit 600 MHz, um die Wärmeentwicklung auch bei hohen Außentemperaturen im Griff zu behalten und akzeptable Akkulaufzeiten zu erreichen.

Texas Instruments OMAP4430: 2 x ARM Cortex A9 MPCore, PowerVR SGX540

(Bild: Texas Instruments)

Im iPhone-3GS-SoC steckt ein PowerVR-Grafikkern der Firma Imagination Technologies, an der außer Intel (dort kommt PowerVR-Grafik im Atom-Z500-Chipsatz US15W als GMA 500 zum Einsatz) auch Apple mit 9,5 Prozent beteiligt ist. Bei der iPhone-3GS-Grafik soll es sich um den PowerVR SGX535 handeln, der unter anderem OpenGL ES 2.0 und OpenVG 1.1 unterstützt. Er soll sich zwar etwa auch via OpenGL 2.0 ansprechen lassen, unter iPhone OS ist aber nur Open GL ES nutzbar.

SoCs mit Cortex-A8-CPU und PowerVR-SGX-Serie-5-GPU kommen auch in mehreren anderen aktuellen Smartphones zum Einsatz, etwa im Motorola Milestone (alias Droid), Nokia N900 oder Palm Pre jeweils in Form des TI OMAP3430 (Cortex A8 600 MHz/PowerVR SGX530). Mittlerweile sind auch schon Smartphones und Tablets mit 1-GHz-Cortex-A8-Prozessoren auf dem Markt, etwa Acers neoTouch S200, Googles Nexus One oder Toshibas TG01 (alle mit Qualcomm Snapdragon mit "ATI"-Grafik). Qualcomm hat bereits einen Snapdragon QSD8672 mit zwei Kernen und 1,5 GHz angekündigt, Samsung den 45-Nanometer-Hummingbird mit 1 GHz.

(Update:) Laut Qualcomm ist der "Scorpion"-Kern des Snapdragon effizienter und bei gleicher Taktfrequenz etwas leistungsfähiger (PDF-Datei, S. 19) als ein ARM Cortex A8; beim Scorpion handelt es sich aber genau wie bei Cortex A8 und A9 um einen ARM-v7-Kern (/Update).

Bei solchen Vergleichen muss man allerdings berücksichtigen, dass bei Embedded-Prozessoren zwischen der ersten Ankündigung eines IP-Cores und dem Verkaufsstart fertiger Großserienprodukte, die ein SoC mit diesem Kern enthalten, schon mal vier bis fünf Jahre vergehen. Den Cortex A8 etwa hatte ARM 2005 angekündigt, der PowerVR SGX535 ist angeblich seit November 2007 "available" – fast zeitgleich hatte ARM den Cortex A9 (auch als MPCore) avisiert. Bisher ist aber noch kein Smartphone, Netbook oder Tablet mit dem ARM-Mehrfachkern Cortex A9 MPCore auf dem Markt, der bis zu 2 GHz erreichen soll, dann aber wohl zuviel Energie verbraucht für ein Smartphone, nämlich 1,9 Watt. Bei 800 MHz sollen es laut ARM maximal 0,5 Watt sein – sicherlich akzeptabel für ein 10-Zoll-Tablet mit ausreichender Kühlfläche und 25-Wattstunden-Akku. (Update:) Aus der Apple-Laufzeitangabe zum iPad von bis zu 10 Stunden bei kontinuierlicher Benutzung und aus der Akkukapazität ergibt sich eine mittlere Leistungsaufnahme von 2,5 Watt; davon dürfte der größte Teil auf die LED-Hinterleuchtung (das Backlight) des IPS-Panels entfallen; LC-Displays dieser Bauart schlucken typischerweise etwas mehr Licht als die in Notebooks üblichen (und billigeren) TN-Panels, für gleiche Helligkeit braucht man also bei IPS ein helleres Backlight. Zum Vergleich: Die sparsamsten 10-Zoll-Netbooks mit der von Intel eigentlich nicht dafür gedachten Chipkombination Atom Z500/US15W kommen im Leerlauf mit 3,5 Watt aus (MSI Wind U115 Hybrid) (/Update)

Nvidia hatte anlässlich der CES 2010 mit dem Tegra 250 eines der ersten SoCs mit zwei Cortex-A9-MPcores vorgestellt, das unter anderem Asus und MSI in Tablets einbauen wollen, die noch in diesem Jahr erscheinen sollen. Den OMAP4430 – ebenfalls mit zwei A9-Kernen, aber mit PowerVR-SGX540-Grafik – hatte TI indes bereits vor rund einem Jahr angekündigt.

Das beantwortet aber nicht die Frage nach Zahl und Typ der ARM-Kerne im Apple A4, aber einiges spricht für einen einzelnen Cortex A8: So läuft auch unter iPhone OS 3.2 weiterhin nur jeweils genau eine Applikation, die auch den Bildschirm (ganz) nutzt. Es mag auch sein, dass das iPhone OS auf dem iPad-SoC weitere Hardware-Beschleunigungsfunktionen nutzen kann, etwa solche des Grafikkerns oder Zusatzfunktionen wie die SIMD-Einheit ARM Neon. Schließlich könnte auch der Arbeitsspeicher des iPad viel größer, schneller oder über mehr Leitungen angebunden sein als beim iPhone 3 GS. Und obwohl mancher auf den Einsatz des ARM-eigenen Mali-Grafikkerns im A4 wettet, so ist es doch angesichts der Beteiligung an Imagination Technologies recht wahrscheinlich, dass Apple der PowerVR-Technik die Stange hält.

Bemerkenswert ist auch, dass Apple trotz des im Vergleich zu einem Smartphone gigantischen Gehäuses des iPad weiterhin weder einen direkt nutzbaren Standard-USB-Port, noch einen Speicherkarten-Steckplatz zur Erweiterung des internen NAND-Flash-Speichers eingebaut hat. Es gibt zwar als Zubehör das Camera Connection Kit für den Dock-Anschluss, bestehend aus einem SD-Card-Leser und einem USB-Adapter, und auch via iPad Dock sind USB-Geräte anschließbar – aber eben nicht unmittelbar am iPad. Außerdem schreibt Apple, man könne Fotos und Videos via USB und von SD-Karten "importieren".

Für 16 GByte beziehungsweise 32 GByte mehr internen Flash-Speicher verlangt Apple jedenfalls jeweils 100 US-Dollar Aufpreis, während eine microSDHC-Karte mit 16 GByte Kapazität lediglich 35 Euro kostet. Apple verdient also kräftig am zusätzlich verkauften Flash-Speicher und kauft nach einer Schätzung von DRAMeXchange.com (über langfristige Verträge) bereits ein Fünftel der gesamten, weltweit produzierten NAND-Flash-Speicherkapazität. Wenn Apple vom iPad in diesem Jahr 9 bis 10 Millionen Stück verkauft, schätzt DRAMeXchange, werden alleine die Apple-Tablets 1 bis 2 Prozent der gesamten NAND-Flash-Fertigungskapazität konsumieren.

(Update:) Diskussionen gibt es auch um das Format der SIM-Karte für die UMTS-tauglichen iPad-Versionen. Statt des bisher üblichen SIM-Kartenformats setzt Apple auf eine neuartige Micro-SIM, die das Standardisierungsgremium ETSI auch unter der Abkürzung 3FF (Third Form Factor) spezifiziert hat (PowerPoint-Präsentation). Bisherige SIM-Karten passen also nicht in die Ende April erwarteten iPads mit Mobilfunk (/Update).

(Update:) Die Firma Lok8u hatte anlässlich der CES 2010 ebenfalls ein Gerät (nämlich eine Armbanduhr mit GPS-Positionssender) mit der auch Mini-UICC genannten SIM-Karte im 12 Millimeter x 15 Millimeter großen Format angekündigt; die passenden 3FF-Karten will T-Mobile bereitstellen. Die heute gebräuchlichsten SIM-Kärtchen weisen das im Standard ISO 7816 definierte 2FF-Format 15 mm x 25 mm auf (auch ID-000 genannt, PDF-Datei), die Kontaktpositionen beider Karten sind aber gleich – theoretisch kann man also eine herkömmliche SIM-Karte auf Micro-SIM-Format zurechtschneiden. (/Update). (ciw)

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