Vom Nokia 3310 zum iPhone: Chips verändern alles

Vor 25 Jahren war das Nokia 3310 ein legendäres Handy. Es war der Höhepunkt der einfachen mobilen Elektronik. Die Platine war noch relativ einfach. Das ganze Kommunikations-System brauchte weniger als zehn wichtige Halbleiter-Teile.

Die Produktion war zwischen etwa 180 nm und 500 nm. Ein Chip hatte nur wenige Millionen Transistoren. Ein Transistor ist ein kleines Teil auf dem Chip. Er schaltet elektrischen Strom an und aus und verarbeitet Signale. Damals war Rechenleistung nicht am wichtigsten. Wichtig waren lange Akku-Zeit im Stand-by, stabiles Funk-Signal (RF), ein robustes Gehäuse und billige Produktion in großen Mengen.

Heute ist ein neues iPhone ganz anders. Es ist viel komplexer und viel stärker integriert. Die Platine von einem modernen Smartphone kann mehr als hundert verschiedene Spezial-Chips haben. Sie kommen aus einer weltweiten Lieferkette mit sehr hoher Spezialisierung. Der A-Prozessor von Apple wird in 3-nm-Technik bei TSMC gebaut. TSMC ist eine Fabrik für Chips. Ein Prozessor hat jetzt mehrere zehn Milliarden Transistoren auf nur wenigen hundert Quadratmillimetern.

Die Chip-Industrie verlässt das Modell „eine Firma macht alles“

Zuerst sieht die Veränderung einfach aus. Es ist das Mooresche Gesetz: Transistoren werden immer kleiner. Die Zahl der Transistoren auf einem Chip verdoppelt sich alle 18 bis 24 Monate. Sie werden immer schneller und sparsamer.

Aber die wirkliche Revolution in den letzten 25 Jahren ist nicht nur die Größe der Transistoren. Es ist die Struktur der ganzen Industrie. Chips werden immer komplexer. Keine Firma kann mehr alles allein machen. Die Industrie teilt sich auf.

Zur Zeit des Nokia 3310 arbeitete die Industrie meist im IDM-Modell. IDM heißt Integrated Device Manufacturer. Eine Firma kontrollierte fast die ganze Kette: Design von ICs, Produktion von Wafern, Verpackung, Test und Basis-Software. IC heißt integrierter Schaltkreis, also viele Transistoren auf einem Stück Halbleiter. Wafer ist eine runde Scheibe aus Silizium für die Chip-Produktion. Wer auf dem Markt sein wollte, musste fast alles selbst produzieren.

Das „Gehirn“ von modernen Smartphones kommt aus einem anderen System: fabless-foundry. Das heißt Trennung von Design und Fabrik. Zuerst kam TSMC, der größte Auftrags-Hersteller der Welt, Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre. Das brachte eine neue Ordnung für die Chip-Industrie.

Heute konzentriert sich Apple auf System-Architektur und Chip-Design. TSMC produziert die modernen Wafer. Qualcomm ist führend bei Modem und Baseband. Broadcom ist stark bei drahtloser Verbindung. Skyworks Solutions und Qorvo arbeiten am RF-Frontend und an mmWave. RF-Frontend ist der Funk-Teil zwischen Modem und Antenne für das Senden und Empfangen. MmWave sind Millimeter-Wellen, sehr hohe Frequenzen für einige schnelle 5G-Netze. Dazu gibt es viele Firmen nur für Sensoren, PMIC, Speicher, Substrat oder moderne Verpackung. PMIC ist ein Chip für das Strom-Management. Substrat ist eine Zwischenschicht zwischen Chip und Platine.

Die ganze Industrie geht weg vom Modell „eine Firma macht alles“. Jetzt gibt es ein weltweites Netzwerk mit sehr hoher Spezialisierung. Auch in einem Chip sieht man das: Alles wird in Spezial-Blöcke geteilt. Jeder Block ist für eine Aufgabe optimiert.

Jetzt ist das Smartphone wirklich ein heterogenes Computer-System. In einem Gerät mit nur wenigen Watt Strom arbeiten viele verschiedene Teile gleichzeitig: CPU, GPU, NPU, ISP, Modem, Video-Engine, Display-Pipeline, Memory-Controller und Secure Enclave. CPU ist der zentrale Prozessor für die Haupt-Aufgaben. GPU ist der Grafik-Prozessor für Bilder und paralleles Rechnen. NPU ist ein Spezial-Prozessor für künstliche Intelligenz. ISP verbessert die Daten von der Kamera. Video-Engine kodiert und dekodiert Video. Display-Pipeline bereitet Bilder für den Bildschirm vor. Memory-Controller verbindet Prozessor und Speicher. Secure Enclave ist ein sicherer Bereich für sensible Daten wie Fingerabdruck oder Schlüssel.

Die Stärke von modernen Smartphones kommt nicht mehr von einem schnelleren Transistor. Sie kommt von guter Koordination zwischen vielen Rechen-Bereichen in einem sehr kleinen Wärme-Limit.

Das Paradox der Zeit mit sehr vielen Transistoren

Das Wärme-Limit bringt ein Paradox. Bei modernen Chips kann man nicht mehr alle Transistoren gleichzeitig anschalten. Die Hitze wäre zu groß für das Gerät.

So kommt das Konzept „dark silicon“. Ein Teil der Transistoren muss in jedem Moment pausieren. Die wichtigste Aufgabe ist nicht mehr, Transistoren schneller zu machen. Die Aufgabe ist, Energie zu managen, Arbeit (Workload) zu verteilen und Ressourcen intelligent zu steuern. So bleibt die Leistung gut bei nur wenigen Watt Strom.

Wenn das 180-nm-Telefon vor allem ein Kommunikations-Gerät mit einfacher Rechenleistung war, dann ist das 3-nm-Smartphone heute eine komplette Edge-Computing-Plattform. Edge-Computing heißt: Die Daten werden direkt auf dem Gerät verarbeitet, nicht nur in der Cloud.

Die Geräte können KI direkt auf dem Gerät rechnen, Fotos mit Algorithmen und KI in Echtzeit verbessern (Computational Photography), komplexe 3D-Grafik zeigen, Sprache sofort übersetzen oder Aufgaben laufen lassen, die früher nur Laptops und starke Computer konnten.

Diese Veränderung zeigt auch eine tiefere Veränderung, wie Menschen Technik bauen. Vor zwanzig Jahren konnte eine gute Gruppe von Ingenieuren fast die ganze Architektur von einem Telefon verstehen. Heute ist das fast nicht mehr möglich.