Der kompakte Smartphone-CPU Guide

Wir erklären Ihnen die Welt der Smartphone-Prozessoren von CPU bis Taktung, von SoC bis ARM!
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Wir erklären Ihnen die Welt der Smartphone-Prozessoren von CPU bis Taktung, von SoC bis ARM!

© Samsung

Was Sie schon immer über Smartphone-Prozessoren wissen wollten, aber sich nie getraut haben, die Nerds zu fragen. Mit unserem Guide werden Sie vom Smartphone-Besitzer zum Smartphone-Versteher.

In diesem Artikel lesen Sie in verständlicher und doch technisch professioneller und seriöser Form alles über Prozessoren, die in Smartphones verbaut werden. Denn nur wenn Sie über CPU, GPU und die weiteren Komponenten Bescheid wissen, können Sie zum Beispiel die richtigen Kaufentscheidungen in Sachen Smartphones treffen. Denn dieses Wissen ist kein unnützes Insider-Wissen, Sie können es direkt anwenden beim Kauf, Test oder beim Aufrüsten Ihres Smartphones. Aus diesem Grund informieren wir Sie hier darüber:

  • was die CPUs aus den unterschiedlichen Preisklassen leisten
  • wie Sie Ihr eigenes Modell testen und klassifizieren können

Durch welche Produktinformationen welche technischen Bauteile von welchem Hersteller und Qualität angezeigt werden und wie es sich mit der daraus ableitbaren Leistungsfähigkeit verhält.

Der Dschungel an technischen Begriffen und Markennamen für Kerne, CPU und GPU

Die CPU (englisch: central processing unit - deutsch: zentrale Verarbeitungseinheit), also der Prozessor, ist nach wie vor auch nicht nur bei stationären Computern, sondern auch bei mobilen Geräten wie Smartphones oder Tablets die wichtigste Hardware, wenn es um das Thema Leistungsfähigkeit geht. Leider machen es die Hersteller ihren Kunden nicht gerade leicht, die Produktinformationen zu entschlüsseln und sinnvolle Fakten für die eigenen technischen Ansprüche daraus abzuleiten.

Zudem ist das Angebot an unterschiedlichen CPU-Modellen sehr groß. Und welcher Hersteller verbaut welchen Prozessor in welchem Smartphone? Bei all diesen Fragen herrscht eine Verwirrung, die zum Teil wie gewollt von den Herstellern daher kommt. Nicht nur bei den Produktnamen ist es schwer, den Durchblick zu behalten, da es sich zum Teil um firmeneigene, also "ausgedachte" Bezeichnungen handelt. Hinzu kommt eine schier unüberschaubare Fülle an weiterführenden, höchst detaillierten technischen Angaben auf den jeweiligen Datenblättern. Nicht zu vergessen auch die oftmals übertrieben hochgerechneten Zahlen zur Taktrate.

Die Produktinformationen: Eine Decodierung der Herstellerangaben für Einsteiger:

Fangen wir bei den einfacheren Begriffen an. Das System on a Chip (SoC) wird von einigen Herstellern auch Smartphone-Prozessor oder Mobilplattform genannt.

Core: Dieser englische Begriff bedeutet übersetzt: Kern. Bei der Anzahl der Kerne werden zwei Sprachen gemischt, dabei handelt es sich um die englische und die lateinische Sprache. Die Anzahl der Kerne wird in Latein angegeben und dann das englische Core angehängt. Bei Prozessoren mit zwei Kernen lautet der Fachausdruck: Dualcore. Sind vier Kerne vorhanden, dann spricht man von einem Quadcore. Und bei acht Kernen handelt es sich um einen Octacore.

Wenn in einem Smartphone-Prozessor mehr als ein Kern verbaut wird, dann werden sie in einem Stapel angeordnet.

Je höher die Anzahl der Kerne ist, desto mehr Aufgaben kann ein Prozessor parallel bearbeiten. (So steht es zumindest im Lehrbuch, aber es kommt der Wahrheit näher, wenn zwischen der Anzahl der real verbauten Cores und der Anzahl der tatsächlichen Programmabläufe (auch "Threads" in der Fachsprache genannt, unterschieden wird.) Grundsätzlich stimmt es natürlich, dass eine höhere Anzahl von Cores eben auch eine höhere Rechenleistung gewährleistet. Doch nicht jeder Kern ist für jeden Einsatzzweck "ausgebildet". Bestimmte Kerne können eine bestimmte Art von Software maximal nutzen und deren Aufgaben bestmöglich bearbeiten.

Ein Kern ist im Grunde ein komplette Einheit, welche mit dem Steuerwerk, dem Rechenzentrum und um weitere Elemente wie dem MMU (Memory Management Unit) und dem Cache Speicher ergänzt wird.

Das kernige Rechenzentrum - Grundlagenwissen über die CPU in Smartphones

Die SoC (System-on-a-Chip, oder auf deutsch: Das Ein-Chip-System) bildet das technische Herz von Smartphones und Tablets. In dieser komplexen Architektur sind alle Komponenten integriert, welche für alle oder fast alle Funktionen des elektronischen, programmierten Systems zuständig sind. Diese unglaubliche Integrationsdichte ist ein Meilenstein in der Computertechnik. Das Ein-Chip-System besteht nicht nur aus der CPU, es besitzt auch einen Prozessor für die Grafik, inklusive Controller für die Kamera (GPU = Graphics Processing Unit), einen Prozessor, der zuständig ist für Multimedia, ein Modem mit LTE, UMTS oder/ und GSM-Unterstützung für die mobile Kommunikation, einen Prozessor für Signale, einen Beschleuniger für die Performance im Bereich der künstlichen Intelligenz, diverse Sicherheitsfunktionen und häufig auch noch Bauteile, welche die Funktionen für WLAN und Bluetooth mitbringen.

Auf separaten Chips außerhalb dieses SoCs befinden sich nur noch wenige Bausteine, wie ein Massenspeicher (Flash-Memory) und ganz wichtig: Der Arbeitsspeicher (RAM).

Hersteller dieser SoC-Wunderwerke sind (unter anderem) die drei Marktführer Qualcomm, Samsung und Huawei. Mit dieser Art von Rechnerarchitektur wird also der einfache Prozessor um einige Elemente erweitert.

Das Datenblatt eines Smartphones informiert detailliert darüber, welche Elemente in seinem SoC-System integriert sind. Und auch, welche Arbeitsaufgaben von welchen Komponenten ausgeführt werden.

Die CPU ist selbstverständlich das oberste ausführende Organ bei jeder Rechenoperation. Bei High-End-Smartphones wird dieser "Chef" von einer GPU (graphics processing unit) unterstützt. Die GPU ist der Prozessor, der auf die Grafik spezialisiert ist. Da der technische Trend zu immer anspruchsvolleren Grafiken bei hoher Auflösung geht, unterstützt die GPU die CPU bei der Darstellung von Videos und Bildern. Die GPU kommt auch dann zum Einsatz, wenn für die Ausgabe von Grafiken 3D-Bilddaten berechnet werden müssen. Damit die Darstellung auf dem Display perfekt funktioniert, arbeitet ein Controller Hand in Hand mit der GPU. Speziell bei Games und Anwendungen im Virtual-Reality- und Augmented-Realitiy-Bereich haben der Grafikprozessor und der Controller viel zu tun.

Die CPU hat also im Bereich der grafischen Darstellungen einen Spezialisten an ihrer Seite, durch die partielle Delegation dieser Arbeitsaufgabe wird die CPU sinnvoll entlastet, dies hat den positiven Nebeneffekt eines niedrigeren Stromverbrauchs.

Wenn Künstliche Intelligenz dem SoC beim Denken hilft

In High-End-SoCs befinden sich meist spezielle Prozessoren für Anwendungen, bei denen künstliche Intelligenz benötigt wird. Und das ist heute schon häufiger als gedacht, zum Beispiel bei der Erkennung von Bildern und Sprache und auch die persönlichen Assistenten im Smartphone wie der Google-Assistent oder Alexa funktionieren nicht ohne KI. Und last but not least ist auch bei zahlreichen Sicherheitsfunktionen der reibungslose Ablauf nur mit künstlicher Intelligenz gewährleistet.

Allerdings funktionieren die Apps, bei denen mit KI gerechnet wird nur, wenn die Netzverbindung steht, diese stabil ist und zudem eine passende Anwendung in der Cloud im Hintergrund zur Verfügung steht.

Und auch im Prozessor-Sektor der künstlichen Intelligenz stiften die Hersteller - ob nun gewollt oder ungewollt - eifrig Verwirrung durch die Vergabe von uneinheitlichen Modellnamen.

Apple zum Beispiel hat seinen aktuellen Prozessor für mobile Geräte auf den Namen A13 Bionic getauft. In diesem brandneuen Chip arbeiten unfassbare 8,5 Milliarden an Transistoren. Er setzt sich aus sechs Kernen zusammen, davon arbeiten zwei im Hochleistungsbereich mit 2,66 Gigahertz. Neben den vier sogenannten "Effizienzkernen" mit einer niedrigeren Taktrate besitzt der A13 Bionic ein LTE-Modem, einen Grafikprozessor mit vier Kernen und einen Bildprozessor, welcher die Kameras der iPhones unterstützt.

Für KI-Befehle weist dieser Wunder-Prozessor einen Coprozessor auf, dabei handelt es sich um eine Recheneinheit mit acht Kernen. Laut Aussage von Apple kann dieser KI-Prozessor fünf Billionen Rechenoperationen innerhalb einer Sekunde durchführen. Dank dem A13 Bionic Chip arbeitet das Programm Face ID nun wesentlich schneller und zuverlässiger. Noch einen größeren Schritt in Richtung Zukunft kann Apple aber bei der Sprachverarbeitung verbuchen. "Text to Speech" funktioniert damit probat und wesentlich natürlicher als mit dem Vorgänger des aktuellen Prozessors.

Das Unternehmen Huawei verwendet beim Thema künstliche Intelligenz immerhin den Begriff: NPU (Neural Processing Unit). Dieser Ausdruck wird nicht nur firmenintern verwendet, sondern allgemein in Fachkreisen. Dabei steht NPU für einen neuronalen Prozessor, dessen Stärken speziell im Erkennen und Analysieren von Mustern liegen. Ein NPU-Prozessor verarbeitet Befehle im Bereich der Sprach- und Bilderkennung bis zu 20 Mal rascher als die klassischen CPUs und GPUs.

ARM und das universelle Prozessor-Design

Eigentlich könnte diese Technik so wunderbar übersichtlich sein, denn sämtliche Hersteller beziehen die Grundlagen, also die Bauweise und das Design ihrer Prozessoren von einem einzigen Anbieter: ARM.

Allein dieses Unternehmen mit Sitz in Großbritannien entwickelt die Architektur der Mikro-Prozessoren. Die Kunden von ARM, also zum Beispiel Apple, Huawei, Samsung oder Intel erwerben die Lizenzen zur Fertigung bestimmter CPU-Modelle.

ARM mit seinem Know-How ist nicht ohne Grund in diese (fast) Monopolstellung geraten. Denn es ist dem Unternehmen geglückt, über die Jahre ein immer kompakteres Design zu entwickeln, welches immer mehr Leistung bringt und dabei eine sehr niedrige Leistungsaufnahme zeigt. Mit solchen Produkten kann der Akku immer weiter in der Größe minimiert werden und das bei gleichbleibender oder sogar längerer Laufzeit.

Es ist klar, dass gerade im Bereich der CPU für Smartphones und Tablets eine große Nachfrage nach immer kleineren und kompakteren Modellen besteht. Seit dem Jahr 2011 ist Version 8 von ARM auf dem Markt. Der Mikro-Prozessor trägt den Namen: ARMv8. In der Serie der v8er brachte ARM 2013 dann CPUs auf den Markt, die eine 64-Bit-Architektur besitzen. Damit war es auf einen Schlag möglich, gleich die doppelte Anzahl von Bits innerhalb eines gleichen Zeitfensters zu verarbeiten.

Für die unterschiedlichen Einsatzzwecke vertreibt ARM diverse Designs. Da uns in diesem Artikel speziell die Prozessoren für Smartphones und Tablets interessieren, sei an dieser Stelle der Cortex A genannt. Bei der Serie ARM Cortex A handelt es sich um Designs im Bereich der Mikro-Prozessoren, die schnell und zuverlässig höchst komplexe Rechenoperationen durchführen.

DAS Tool für CPU-Benchmarking: AnTuTu

Zum Glück muss man sich als Nutzer nicht (nur) auf die Angaben der Hersteller verlassen, wenn man die Performance seines Smartphones oder Tablets ermitteln möchte. Um die reale Geschwindigkeit Ihres Prozessors zu ermitteln, steht Ihnen zusätzlich ein sehr aussagekräftiger Benchmark-Test zur Verfügung. AnTuTu unterstützt nicht nur das Betriebssystem Android, auch die Besitzer von Apple-Produkten können damit ihre Geräte auf den Prüfstand stellen. Diese Vielseitigkeit ist lobenswert und hat nur eine kleine Schwachstelle: Die Testergebnisse der unterschiedlichen Betriebssysteme sind untereinander nicht vergleichbar. Diese Inkompatibilität ist bei dieser hochwertigen Software aus China aber auch die einzige Sache, die wir zu bemängeln haben.

Der Gesamttest besteht aus mehreren Teilen. In den einzelnen Abschnitten des AnTuTu-Benchmarks-Test werden Schritt für Schritt die Leistungsfähigkeit des Betriebssystems, des Speichers, der SD-Karte, den Grafiken, die in 2D und 3D erstellt werden und natürlich die komplette Effektivität der CPU und der GPU ermittelt.

Das Testergebnis erhalten Sie für jeden Teilbereich und für das gesamte Ergebnis in einem numerischen Wert. Diesen Wert können Sie direkt mit den anderen Nutzern des Benchmarks teilen. Das Teilen ist nicht nur für Sie von Vorteil, da Sie auf diese Weise nicht nur vergleichen können. Sondern sie Tragen auch zur Erstellung einer signifikanten Datenbank bei AnTuTu-Benchmark bei.

Nach dem Test sehen Sie so nicht nur die Werte Ihres eigenen mobilen Endgerätes, die ja alleine für sich keine sehr hohe Aussagekraft besitzen. Sondern Sie lesen auch die Werte von anderen relativ baugleichen Smartphones und Tablets. Auf dieser Basis können Sie fundiert vergleichen.

Der Anbieter, der hinter dem AnTuTu-Benchmark steht, erstellt aus den Werten seiner Nutzer einmal im Monat eine Statistik und zeigt dieses Zahlenwerk auf seiner Webseite. Das aktuelle Ranking der diversen Android- und iPhone-Modelle wird stets von der Fachwelt aber auch von interessierten Laien mit Spannung erwartet.

Die Taktrate und ihre Tücken

Die Maßeinheit für die Geschwindigkeitsangabe eines Prozessors ist Gigahertz und nennt sich Taktrate. Mit dieser Angabe lässt sich die Performance von Smartphones und Tablets ermitteln. Ist die Taktrate im oberen Bereich, dann kann das Gerät eine Vielzahl von Aufgaben und Threads in einem extrem kleinen Zeitfenster abarbeiten.

Der Wert, der in Gigahertz gemessen wird, drückt also in dieser elektronischen Einheit aus, mit welcher Frequenz die Smartphone-Prozessoren die Threads abarbeiten. Die Dauer einer Taktperiode wird durch die Hertz-Zahl der CPU angegeben. Dabei gibt der Begriff Taktperiode die Zeit an, die der Prozessor braucht, um einen Arbeitsschritt zu bewältigen. Das Ganze rechnet sich so: 1 Gigahertz = 1 Nanosekunde. Unter optimalen Bedingungen der übrigen Hard- und Software kann eine CPU mit 8 Kernen dann 8 Arbeitsschritte pro Nanosekunde abarbeiten. Oder anders ausgedrückt: Wenn das Betriebssystem oder eine entsprechende App zum Team gehören, dann ist ein Octacore dazu in der Lage, bis zu acht Threads gleichzeitig zu bewältigen.

Die aktuellen High-End-Smartphones arbeiten mit einer Taktrate, die mindestens 2 und höchstens 3 Gigahertz beträgt. Das sind an sich schon unglaublich hohe Geschwindigkeiten, aber das Tempo könnte rein theoretisch noch weiter hochgeschraubt werden. Davon sehen die Hersteller aber zur Zeit noch ab, da sich auf diesem Weg in die Zukunft zwei Probleme ergeben. Dabei handelt es sich um die Temperaturentwicklung, welche bei einer noch höheren Taktrate geschehen würde. Im schlimmsten Fall könnte das zu Defekten an der Smartphone-Hardware führen.

Das zweite Problem bei der Erhöhung der Taktrate ergibt sich aus dem parallel dazu ansteigenden Stromverbrauch. Die Laufzeit des Akkus gehört bei Smartphones zu den Qualitätsmerkmalen, da kann es sich kein Spitzenmodell erlauben, aufgrund einer höheren Taktrate die Akkulaufzeit zu senken. Für dieses Problem haben die Entwickler aber zumindest schon eine Teillösung gefunden: Sie mixen die Frequenzen der Kerne. Rechenintensive Threads erhalten eine hohe Taktrate, dafür werden simplere Befehle von niedrigeren Taktfrequenzen übernommen.

Die Tücke der Taktrate besteht darin, dass es sich um einen äußerst wichtigen Messwert für die Definition und Einschätzung der Leistungsfähigkeit handelt. Aber sie gibt wenig Information darüber aus, wie schnell die CPU im jeweiligen Smartphone im realen Leben die Befehle abarbeitet. Denn die Arbeitsgeschwindigkeit hängt auch von weiteren Elementen ab, die sich in der Hard- und Software eines Smartphones befinden. Ein wirklich fundiertes Messergebnis über die Komplettleistung eines Tablets oder Smartphones erhalten Sie durch einen Benchmark-Test, wie dem AnTuTu.

Welche Prozessoren sind in den aktuell hochwertigsten Smartphones verbaut?

Ein Top-Smartphone erkennen Sie heutzutage daran, dass es einen Prozessor mit acht Kernen aufweist. Wir haben uns vier Geräte aus dem High-End-Bereich näher angeschaut. Dabei handelt es sich um das Huawei P30 Pro, das Samsung Galaxy S10, das OnePlus 7T Pro und das iPhone 11 Pro. Die CPU in Form des Octa-Core verbindet diese Flaggschiffe. Doch die Art des Chipsatzes ist bei jedem Modell anders.

Huawei hat in seinem P30 Pro den Kirin 980 Prozessor eingebaut. Diese CPU ist sehr schnell, falls Sie aber NOCH rasanter arbeiten und surfen möchten, dann sollten Sie einen Blick auf das Huawei Mate 30 Pro riskieren. Denn im Mate 30 Pro drückt ein Kirin 990 aufs elektronische Gaspedal.

Im Galaxy S10 aus dem Hause Samsung findet sich als Prozessor ein firmeneigenes Bauteil mit dem Produktnamen Exynos 9820. Wie bei allen von uns analysierten Prozessoren ist auch der Exynos 9820 eine Kombination aus verschieden spezialisierten Kernen. In diesem Fall handelt es sich um zwei Kerne aus der Cortex A Reihe und zwei von Samsung selbst entwickelte Kerne aus dem M4-Bereich. Dabei sind wie immer die Kerne mit der höheren Taktung für die rechenintensiven Operationen vorgesehen.

Niemand kann das OnePlus 7 Pro überholen! In diesem Spitzenmodell arbeitet nämlich ein Spitzenchipsatz, genauer gesagt der Snapdragon 855 Plus. Der Snapdragon ist kein Eigengewächs von OnePlus, sondern wird von Qualcomm zugekauft. Dank dieser CPU ist das OnePlus 7 Pro der unangefochtene Sieger beim AnTuTu-v8-Benchmark.

Wie bereits erwähnt, lassen sich die Werte von Android und iOS nicht direkt miteinander vergleichen. Deshalb können wir die Messergebnisse des iPhone 11 Pro lediglich mit den anderen Modellen aus dem Hause Apple gegeneinander abwägen. Innerhalb dieses Rankings liegt das iPhone 11 Pro aktuell auf Platz vier, direkt hinter den beiden iPad-Modellen aus der Pro-Reihe und dem iPhone 11 Pro Max.

Das iPhone 11 Pro arbeitet übrigens mit einem A13 Bionic Prozessor. Er besteht aus zwei Kernen, die eine Taktrate von bis zu 2,66 Gigahertz erreichen und vier Effizienzkernen.

Die Benchmark-Werte der Mittelklasse-Smartphones

Auch wenn in einigen Modellen der Mittelklasse Chipsätze verbaut werden, die zu den Spitzenreitern gehören, wie zum Beispiel der Kirin 980 oder der Snapdragon 855, so ist doch ein starkes Leistungsgefälle im Vergleich zum vorderen Feld zu beobachten. In Zahlen ausgedrückt, können das bis zu 100.000 Punkte Differenz sein, die im AnTuTu-v8-Benchmark errechnet wurden. Diese niedrigen Werte im Mittelklasse-Bereich, also bei Smartphones die bis zu etwa 450 Euro kosten, ergeben sich nicht nur aus der CPU. Es kommt auch auf die weiteren Bauteil an und das effektive Zusammenspiel der gesamten technischen Architektur.

Ein Ausreißer im positiven Sinne ist das Xiaomi Mi 9T Pro. Dieses vergleichsweise preiswerte Smartphone muss sich nicht vor den Top-Modellen verstecken. Denn der verbaute SoC ist fast der Gleiche wie beim OnePlus 7T Pro. Der Benchmark-Test ergibt im Vergleich zu den Spitzenreitern und dem Xiaomi Mi 9T Pro eine Differenz von 50.000 Punkten.

Auch in Sachen KI sind die Mittelklasse-Smartphones, wie das Honor 20 Pro, das LG G7 ThinQ oder das Samsung Galaxy S9 keine Waisenkinder. Denn auch diese Modelle sind mit CPUs ausgestattet, welche lernfähig sind und sogar grafisch und sprachlich mitdenken können.

Wie sieht es aber bei den günstigen Modellen für Smartphone-Einsteiger aus? Also bei den Geräten, die bis zu 300 Euro kosten. Einen aktuellen Vergleich können wir hier noch nicht liefern, da der v8-Vergleich noch nicht veröffentlicht wurde. Deshalb musste der v7-Benchmark hier zu Rate gezogen werden.

Auch in dieser Preisklasse gehört die Einbindung von KI zum Standardkonzept. Und auch die anderen Leistungswerte der CPU können sich absolut sehen (und messen) lassen! Besonders positiv ist uns das Xiaomi Mi 8 aufgefallen, denn es erreicht innerhalb seiner Klasse extrem hohe Messwerte beim AnTuTu-Benchmark.

Ihr gläsernes Smartphone: So finden Sie heraus, was an inneren Werten genau drin steckt

Sie möchten nun detailliert wissen, welche Bauteile in Ihrem Smartphone oder Tablet integriert sind? Auch hier kann Ihnen die AnTuTu-App Antworten liefern. Denn neben dem Leistungsvergleich verrät sie Ihnen auch, welcher SoC und anderen Komponenten genau Ihrem Modell verbaut sind. Dazu klicken Sie nach dem Testen einfach auf: "Mein Gerät". Und schon werden Ihnen die technischen Werte und sämtliche CPU und GPU-Elemente präsentiert. Durch die Informationen in diesem Artikel wird es Ihnen nun leicht fallen, die einzelnen Bauteile, inklusive deren Modellnamen und Nummern zu verstehen und zu bewerten. So können Sie ab jetzt ein fachlich fundiertes Urteil über CPUs fällen!

Quelle: In Zusammenarbeit mit PC-Welt
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