System-on-a-Chip

In einem klassischen Desktop-Rechner steckt jede Aufgabe in einem eigenen Bauteil. Ein Baustein rechnet, ein zweiter erzeugt Bilder für den Bildschirm, ein dritter verwaltet den Arbeitsspeicher, ein vierter sorgt für WLAN. Diese Teile sitzen einzeln auf der Hauptplatine und sind über Leiterbahnen verbunden. Ein System-on-a-Chip fasst all das auf einem einzigen Stück Silizium zusammen, das kleiner ist als ein Daumennagel. Statt vieler getrennter Chips gibt es nur noch einen, der praktisch den kompletten Computer enthält. Der Name sagt genau das: ein ganzes System auf einem Chip.

Warum Handys ohne SoC nicht funktionieren würden

Der wichtigste Grund ist Platz. In ein Smartphone passt keine Hauptplatine mit zwanzig einzelnen Bausteinen. Je mehr Funktionen auf einen Chip wandern, desto mehr Raum bleibt für den Akku. Genau deshalb hat sich diese Bauweise bei Mobilgeräten vollständig durchgesetzt.

Der zweite Grund ist der Stromverbrauch. Jedes Signal, das von einem Chip zu einem anderen über die Platine läuft, kostet Energie. Innerhalb eines einzigen Chips sind die Wege tausendfach kürzer. Das spart Strom und macht die Übertragung schneller. Ein Handy hält damit einen Tag durch statt zwei Stunden.

Inzwischen betrifft das auch größere Geräte. Apple hat 2020 damit begonnen, seine Notebooks auf eigene SoCs umzustellen, statt getrennte Prozessoren und Grafikkarten zu verbauen. Andere Hersteller ziehen nach. Der Nachteil: Wenn alles auf einem Chip sitzt, lässt sich nichts mehr einzeln aufrüsten. Mehr Arbeitsspeicher nachrüsten ist bei solchen Geräten meist unmöglich.

Was alles auf dem Silizium sitzt

Der Kern ist die CPU, also die zentrale Recheneinheit für allgemeine Aufgaben. Daneben liegt die GPU, eine Einheit, die auf viele gleichartige Rechnungen gleichzeitig ausgelegt ist und Bilder für den Bildschirm erzeugt. Dazu kommen ein Speichercontroller, der den Arbeitsspeicher verwaltet, sowie Funkeinheiten für Mobilfunk, WLAN und Bluetooth. Auch Bildverarbeitung für die Kamera und Video-Decoder für Streaming stecken meist mit drin.

Neu hinzugekommen ist in den letzten Jahren die NPU, die Neural Processing Unit. Das ist ein Rechenwerk, das speziell auf die Art von Rechenoperationen zugeschnitten ist, die KI-Modelle brauchen. Sie erledigt Aufgaben wie Spracherkennung oder Bildbearbeitung stromsparend direkt auf dem Gerät. Ohne sie müsste das Handy die Daten an ein Rechenzentrum schicken.

Alle diese Blöcke sind über ein internes Verbindungsnetz gekoppelt und teilen sich häufig denselben Arbeitsspeicher. Man kann sich das wie ein Bürogebäude vorstellen: Früher saßen die Abteilungen in verschiedenen Häusern und schickten sich Post. Jetzt sitzen sie auf einer Etage und rufen sich über den Flur zu. Wichtig ist dabei ein Punkt, der oft missverstanden wird: Ein SoC ist keine besonders starke CPU, sondern eine Bauform. Die einzelnen Teile sind dieselben wie vorher, sie sitzen nur zusammen.

Von Snapdragon bis Apple M-Serie

Die bekanntesten SoCs für Android-Handys sind die Snapdragon-Chips von Qualcomm. Apple baut die A-Serie für iPhones und die M-Serie für Macs und iPads. Samsung nutzt eigene Exynos-Chips, Google entwickelt die Tensor-Reihe. Wenn in einer Produktvorstellung von einem neuen Chip die Rede ist, ist praktisch immer ein SoC gemeint.

Auch außerhalb von Smartphones sind sie überall. Ein Fernseher, ein Router, ein Auto-Infotainmentsystem und der Raspberry Pi laufen jeweils auf einem SoC. Die Spielekonsolen von Sony und Microsoft verwenden ebenfalls einen einzigen großen Chip mit CPU und GPU zusammen.

In Wirtschaftsnachrichten taucht der Begriff auf, wenn es um Lieferketten geht. Entworfen werden diese Chips von Firmen wie Apple oder Qualcomm, gefertigt aber fast ausschließlich von wenigen Auftragsfertigern, vor allem TSMC in Taiwan. Diese Abhängigkeit ist einer der Gründe, warum Chipfabriken heute ein politisches Thema sind.