Supercomputer für die Hosentasche

Sie sind Computer, Telefon, MP3-Player, Navigationsgerät und vieles mehr. Möglich macht dies der stetige Fortschritt der Chiptechnologie.

Gordon Moore ist an allem schuld: Er formulierte in den 1960er-Jahren jenes „Gesetz“, das seitdem den Fortschritt der Halbleitertechnik antreibt: Rund alle 18 Monate verdoppelt sich die Leistungsfähigkeit der Chips – bzw. sinken entsprechend deren Größe und deren Preis.

Mobile Fakten

Größenunterschied: Die größten Smartphone-Displays im Handel besitzen derzeit eine Bildschirmdiagonale von 7 Zoll, also knapp 18 cm. 10 cm kleiner fallen die kleinsten Vertreter mit einer 3-Zoll-Displaydiagonalen aus.

Abspeckkurs: Heutzutage wiegen Smartphones zwischen 91 g und 283 g. Zu Beginn der digitalen Mobilfunkära wog das erste serienmäßige Handy, der „Knochen“ von Motorola, noch knapp 800 g.

Ausdauer: Die heutigen Akku-Kapazitäten von Smartphones reichen von 1000 mAh bis zu 5000 mAh. Je nach Nutzungsverhalten ist so eine Batterielaufzeit von mehreren Tagen möglich.

Klassiker: 17 Jahre nach Erscheinen des Nokia 3310 wird zurzeit über eine Neuauflage des Nokia-Klassikers spekuliert. Damals war er das meistverkaufte Handy weltweit und bestach mit langer Akku-Laufzeit, geringem Gewicht und stabilem Gehäuse.

Mobiler Zuwachs: 5,8 Mrd. Smartphones sollen nach der internationalen Mobilfunkorganisation GSMA 2020 weltweit existieren. Im Vergleich zu 2015 entspricht das einem Zuwachs von 2,6 Mrd. Geräten.

Datenexplosion: 2020 sollen laut GSMA die Smartphone-Nutzer weltweit durchschnittlich 7 GByte an Datenaufkommen pro Monat verursachen.

Jobbörse: Vergleicht man die Beschäftigungszahlen, die sich aus dem mobilen Ökosystem ergeben, sollen die Arbeitsplätze von 17 Mio. im Jahr 2015 auf 20 Mio. im Jahr 2020 weltweit ansteigen.

Update-Wünsche: 63 % der Smartphone-Nutzer in Deutschland wünschen sich laut Bitkom-Studie für ihr nächstes Smartphone eine längere Akku-Laufzeit. 36 % legen großen Wert auf eine Kamera mit mehr Qualität, 35 % liebäugeln mit mehr Speicherkapazität, 23 % mit mehr Rechenleistung und 19 % mit einem größeren Display.

Dass dieses Gesetz heute nicht nur Ingenieuren bei Chipherstellern bekannt ist, hat einen simplen Grund: Alle Fortschritte der Chiptechnik schlagen sich mehr oder weniger deutlich auch in jenen Produkten nieder, die mit diesen Chips gefertigt werden. Beispiel Cray-2, der seinerzeit schnellste Supercomputer aus dem Jahr 1985. Der Rechner war deutlich über 1 m³ groß, wog inklusive des flüssigen Kühlmittels an die 2,5 t und hatte eine Rechenleistung, die in der Größenordnung des iPhone 4 von Apple liegt. Das erschien 2010, war weniger als 10 mm dick und wog 137 g. Griffiger lassen sich 25 Jahre Technikentwicklung vom Computer zum Smartphone kaum darstellen.

Eigentlich ist so ein Smartphone ein unmögliches Produkt: Es vereinigt in wenigen Kubikzentimetern ein Mobiltelefon, Navigationssystem, Digitalkamera, MP3-Spieler, Taschenrechner, UKW-Radio, elektronisches Notizbuch und einen leistungsfähigen Computer. Und natürlich den Akku, der das alles möglichst lange mit Strom versorgen soll. Allein die diversen Mobilfunk-, WLAN- und Bluetooth-Funkverbindungen stellen die Entwicklungsingenieure vor immer neue Aufgaben. Muss doch ein modernes Smartphone neben den neuesten LTE-Funkverbindungen bei Bedarf auch die alten, zum Teil in länderspezifischen Ausprägungen differierenden Standards UMTS, GPRS, GSM und mehr bedienen können.

Chiphersteller, die diese Bereiche adressieren, sind Spezialisten wie Skyworks oder Broadcom, die außerhalb der Szene eher unbekannt sind. Aber auch der Chipprimus Intel spielt hier eine Rolle, nachdem die Kalifornier Ende 2010 die Funkchipsparte von Infineon übernommen haben. Im aktuellen iPhone 7 stecken – nach sechs Jahren Abwesenheit – wieder Funkchips des Chip-Weltmarktführers, wie die Experten des Marktforschungsunternehmens IHS nach Analyse der Hardware herausgefunden haben. Wayne Lam von IHS kommentiert das so: „Lange abgeschlagen im LTE-Markt, hat sich Intel wieder ins iPhone zurückgearbeitet. Das ist ein riesiger Erfolg, wenn er auch kurzfristig keinen großen finanziellen Erfolg darstellen wird.“ Denn an den gesamten Materialkosten eines iPhone 7 von – laut IHS – 219,80 $ machen sämtliche Chips für den Mobilfunk lediglich 33,90 $ aus. Sie stammen von insgesamt fünf Anbietern. Mit weiteren 8 $ schlagen die Komponenten für WLAN, Bluetooth und die Satellitennavigation zu Buche.

Den größten Einzelposten in der Materialliste stellt laut IHS mit 43 $ das Display dar (s. Beitrag S. 21), das eigentliche Herz des Smartphones, der Applikationsprozessor (AP) kostet 26,90 $. In diesem Fall ist es ein Apple-eigenes Design namens A10 mit vier Kernen, basierend auf einem Design der englischen Prozessorschmiede ARM.

Ähnlich wie in den 1990er-Jahren während des PC-Booms stehen heute im Fokus der Marketing-Strategen und damit auch der Käufer die Zentralprozessoren der Smartphones. Sie bestimmen zwar nicht allein über die Gesamtleistung eines Geräts, aber sie sind in ihren Leistungsdaten griffig zu kommunizieren.

So wie Intel den Markt der PC-Prozessoren dominiert und darüber vor 25 Jahren zum Weltmarktführer aufstieg, hat sich bei den Smartphone-Prozessoren Qualcomm in den letzten Jahren in eine führende Position geschoben. Das Unternehmen aus dem kalifornischen San Diego hat seine Wurzeln in Chips für die mobile Kommunikation und ist auch dort spitze. In der Top Ten der weltgrößten Chiphersteller ist es mittlerweile auf Platz drei angekommen. Die Marktforscher von Strategy Analytics geben den AP-Gesamtmarkt im 3. Quartal 2016 mit 6,1 Mrd. $ an. Davon hält Qualcomm einen Anteil von 35 %, gefolgt von Apple und dem taiwanischen Chiphersteller Mediatek, der in ausgelieferten Stückzahlen den US-Rivalen beinahe einholte.

Anders als beispielsweise Intel verfügen viele Anbieter von Chips für Smartphones nicht über eine eigene Chipfertigung. Sie verlassen sich auf die Dienste der sogenannten Foundries, die Chips nach Kundenentwürfen fertigen. In den Anfangsjahren wurde dieses Modell von etablierten Chipherstellern eher belächelt. Legendär ist der Ausspruch von AMD-Gründer Jerry Sanders: „Real men have fabs“, frei übersetzt: „Echte Kerle haben Fabriken.“ Doch der Erfolg der Fabless-Anbieter in den letzten Jahren hat auch die Foundries zu beachtlichen Playern gemacht. Laut den Marktforschern von IC Insights produzierte Marktführer TSMC Chips für fast 30 Mrd $, das sind fast 9 % des Chipweltmarktes. Der Zweitplatzierte Globalfoundries folgt mit knapp 5,6 Mrd. $.

Anfang Februar kündigte Globalfoundries weitere Milliardeninvestitionen in seine Fertigungsstandorte, darunter Dresden, an. Denn in der Halbleitertechnologie müssen auch Foundries an der Spitze des Fortschritts stehen, wenn sie ihre Kunden am Fortschreiten des Mooreschen Gesetzes teilhaben lassen wollen. So stehen den Komponentenlieferanten für die Smartphones die jeweils kleinsten und modernsten Chipstrukturen zur Verfügung. Das macht deren Chips mit jeder Generation schneller, leistungsfähiger, kleiner und sparsamer in Sachen Energie und Abwärme.

Strategy Analytics erwartet für die Jahre 2017 bis 2022 ein jährliches Wachstum des AP-Marktes um 2,1 % auf 25,3 Mrd. $. Doch das ist nur die wirtschaftliche Seite der Medaille, der technische Fortschritt die andere. So sollen schon 2017 rund 14 % der Prozessoren mit Strukturen von 10 nm gefertigt werden, der derzeit aktuellen Stufe des Mooreschen Gesetzes. Dazu erwarten die Auguren stetig mehr Funktionen, die in die Chips integriert werden: 4k-Video und neue Funkstandards wie LTE Advanced und 5G.

In einer ganz anderen Liga spielen Komponenten, die viele der Funktionen eines modernen Smartphones erst möglich machen: die Sensoren. Angefangen von den akustischen Sensoren – vulgo Mikrofone – über Lage- und Drehratensensoren bis hin zu barometrischen Drucksensoren, reicht das Spektrum. Hier kommen spezielle Halbleitertechniken zum Einsatz, die mikroelektronische und mikromechanische Elemente miteinander verbinden – sogenannte Mems. Einer der führenden Anbieter hier ist die deutsche Bosch Sensortec. Für das aktuelle iPhone steuern die Reutlinger laut IHS den barometrischen Drucksensor bei.