Das große Rätsel Welcher Prozessor treibt das iPhone 5 an?

Apples A6-Chip wird in Samsungs 32-nm-High-K/Metal-Gate-Prozess gefertigt und treibt das iPhone 5 an.
Apples A6-Chip wird in Samsungs 32-nm-High-K/Metal-Gate-Prozess gefertigt und treibt das iPhone 5 an.

Gestern Abend hat Apple das neue iPhone vorgestellt und damit gleichzeitig einen neuen Prozessor: Das A6 genannte SoC soll die doppelte Rechen- und Grafikleistung als der A5 liefern und dabei 22 % kleiner sein. Über die verwendeten Cores und Taktfrequenz schwieg sich Apple aus. Wir haben trotzdem versucht es herauszufinden.

Unsere Vermutung ist: Es handelt sich um einen in Samsungs 32-nm-High-K/Metal-Gate gefertigten mit maximal 1 GHz getakteten Dual-Core-ARM-Cortex-A15.

Also warum kein Quad-Core? Sehen wir die Präsentation einmal aus Marketing-Sicht: Nachdem die Publikumspresse größtenteils die Arbeitsgeschwindigkeit eines Handys an Hand der Anzahl der Cores bewertet, hätte sich Apple dieses Argument bei Einführung eines Quad-Core-Chips sicher nicht entgehen lassen, zumal bei der Einführung des A5 die Dual-Core-Architektur explizit hervorgehoben wurde.

Weiterhin spricht gegen einen Quad-Core-Chip, dass dessen Einsatz in Handys mangels Software-Unterstützung zumindest aktuell keinen Sinn macht. Es spricht also alles für einen Dual-Core-Chip, diesmal jedoch mit dem stärkeren Cortex-A15 (eine technische Analyse von ARMs stärksten Prozessor-Core finden Sie hier).

Bei der Grafik ist es recht einfach: Schon der im Apple iPad 3 eingesetzte A5X-Chip setzt die Grafik-Einheit PowerSGX543MP4 von Imagination ein, schon hier sprach Apple von einer Verdoppelung der Grafikleistung gegenüber der Power SGX543MP2 aus dem A5-Chip. Da der Bildschirm des iPhone wesentlich kleiner ist als der des iPad, dürfte eine abgespeckte Drei-Core-Variante PowerSGX543MP3 Einzug in den A6 gehalten haben, vermutlich wie im iPad 3 mit 400 MHz getaktet.

Sicher ist auch das Schrumpfen des Fertigungsprozesses auf 32 nm. Hierzu muß man wissen, dass Apple fast unbemerkt bereits ab März 2012 testweise einen in 32 nm gefertigten A5-Chip im iPad 2 (Variante mit nur WIFI) und Apple-TV der 3. Generation zum Einsatz brachte. Dieser wurde beide Samsung in dem High-K/Metal-Gate-LP-Prozess gefertigt und brachte eine Flächenreduktion auf 57 % des architektonisch identischen 45-nm-Chips mit sich (von 122,2 mm2 auf 69,6 mm2). Dies ist ein exzellenter Wert, wenn man bedenkt, dass der theoretisch erzielbare Wert 50,5 % wäre.

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Das neue iPhone 5

Das neue iPhone 5

Da im März 2012 das iPad 3 mit dem weiterhin in 45 nm gefertigten A5X vorgestellt wurde und die Verkaufszahlen des iPad 2 drastisch zurückgingen, konnte Apple hiermit still und heimlich in geringen Stückzahlen den 32-nm-Prozess ausprobieren – hätte er nicht funktioniert, hätte man einfach weiterhin iPad 2 mit dem 45-nm-A5 geliefert.

Hätte man den A5X mit seinen 165 mm2 (in 45 nm) auf ebenfalls 57 % geschrumpft, käme man auf eine Die-Fläche von 94,05 mm2. Apple sprach beim A6 von „22 % weniger Fläche“ als beim A5. Geht man hier vom 45-nm-Produkt aus, bedeutet dies für den A6-Die eine Fläche von 95,3 mm2 (122,2 mm2 minus 22 % davon).

Der 32-nm-A6-Chips ist also unwesentlich größer als ein theoretisch geschrumpfter A5X, um etwa 1,3 mm2, was durch den Wechsel von Cortex-A9 auf Cortex-A15 zu erklären wäre.

Leider hat Apple bei der Aussage „2x schneller“ nicht erklärt, auf welche Art von Workload man sich bezieht. Die Aussage, dass man bestimmte Applikationen shcneller starten kann, hängt ja primär mit der Speicherarchitektur zusammen. Der Cortex-A9 lieferte bei 800 MHz in einer Dual-Core-Ausführung im iPhone 4S 2 x 800 MHz x 2,5 DMIPS/MHz= 4.000 DMIPS. Im Extremfall würde das iPhone 5 bei purer Verdoppelung der Integer-Rechenleistung, 8.000 DMIPS liefern, was beim Cortex-A15 zu einer Berechnung der Taktfrequenz zu 1,14 GHz führen würde: 8.000 DMIPS/2 Cores/3,5 DMIPS/MHz=1,14 GHz.

Wir nehmen jedoch an, dass Apple zugunsten der Batterielaufzeit den A6 mit maximal 1 GHz taktet. Das Schrumpfen der Prozessgeometrie von 45 nm auf 32 nm HKMG bietet die Option, entweder bei gleichen Leckströmen die Taktfrequenz um 40 % anzuheben oder bei identischer Transistor-Schaltgeschwindigkeit die Leckströme um Faktor 10 zu reduzieren.

Natürlich sind auch Betriebspunkte zwischen diesen beiden Extremen möglich. Da der Cortex-A15 zwar mehr Rechenleistung/W als der A9 liefert aber absolut gesehen mehr Energie aufnimmt, ist ein „energiefreundlicher Betriebspunkt“ des A6 erheblich wahrscheinlicher als einer, der auf maximale Rechenleistung abzielt. Dafür spricht auch das nochmal dünnere Gehäuse und die damit verbundene Problematik der Wärmeabführung.

Sollten sich unsere Vermutungen bewahrheiten, wäre Apple der erste Hersteller, der ein SoC mit Cortex-A15 in einem Smartphone zum Einsatz bringt und damit ironischerweise nicht nur Texas Instruments mit dem OMAP 5, sondern auch seinen – trotz aller Patentprozesse weiterhin existierenden - Foundry-Partner Samsung düpieren, der mit dem Exynos 5250 ein SoC mit Dual-Core-Cortex-A15 angekündigt hat.