Vom Nokia 3310 zum iPhone: So verändert sich die Chip-Industrie

Vor 25 Jahren: Das Nokia 3310

Vor 25 Jahren ist das Nokia 3310 ein legendäres Symbol. Es steht für den Höhepunkt der einfachen mobilen Elektronik. Die Architektur der Platine ist damals relativ einfach. Das ganze Kommunikationssystem braucht weniger als zehn wichtige Halbleiter-Bauteile.

Die Herstellungstechnologie liegt damals zwischen etwa 180 nm und 500 nm. Ein Chip hat nur einige Millionen Transistoren. Ein Transistor ist ein kleines Basis-Bauteil auf dem Chip. Er schaltet elektrische Signale an und aus und verarbeitet sie. Die wichtigste Priorität in dieser Zeit ist nicht die Rechenleistung. Wichtig sind die lange Akkulaufzeit im Standby, die stabile RF-Funktion (die Verarbeitung von Funksignalen), die mechanische Stabilität und die Massenproduktion zu vernünftigen Kosten.

Heute: Das moderne iPhone

Heute ist die Architektur eines neuen iPhones ganz anders. Sie ist viel komplexer und viel stärker integriert. Die Platine eines modernen Smartphones kann mehr als hundert verschiedene spezialisierte Mikrochips enthalten. Diese Chips kommen aus einer globalen Lieferkette mit sehr hoher Spezialisierung. Der A-Prozessor von Apple wird in der modernen 3-Nanometer-Technologie hergestellt. Der Hersteller ist die Chip-Fabrik TSMC. Die Dichte der Transistoren ist jetzt sehr hoch: Es gibt mehrere zehn Milliarden Transistoren auf einer Fläche von nur einigen hundert Quadratmillimetern.

Bildbeschreibung: Die verschiedenen Farben zeigen spezialisierte Funktionsblöcke auf einem Pentium II Chip, einem berühmten Prozessor von Intel Ende der 1990er Jahre. Das zeigt die Spezialisierung in der Halbleiter-Industrie. Aber die Chip-Architektur ist damals noch relativ einfach im Vergleich zu modernen Prozessoren mit mehreren zehn Milliarden Transistoren. Bild: Wikicommons

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

Auf den ersten Blick sieht die Veränderung nur wie eine natürliche Fortsetzung des Mooreschen Gesetzes aus. Das Gesetz sagt: Transistoren werden immer kleiner. Die Zahl der Transistoren auf einem Chip verdoppelt sich etwa alle 18 bis 24 Monate. Die Chips werden immer schneller und verbrauchen weniger Strom.

Aber wenn man genauer hinschaut, ist die revolutionäre Veränderung der letzten 25 Jahre nicht nur die Geometrie der Transistoren. Es ist die Struktur der ganzen Industrie. Chips werden immer komplexer. Deshalb kann keine Firma mehr alles allein machen. Eine große Trennung verändert die Halbleiter-Industrie.

In der Zeit des Nokia 3310 arbeitet die Halbleiter-Industrie hauptsächlich mit dem IDM-Modell. IDM bedeutet Integrated Device Manufacturer, also integrierter Gerätehersteller. Eine Firma kontrolliert fast die ganze Wertschöpfungskette selbst. Das geht vom Design des IC (integrierter Schaltkreis, also ein Mikroschaltkreis mit vielen Transistoren auf einem Halbleiter-Träger) über die Herstellung von Wafern (runde Silizium-Scheiben für die Chip-Produktion) bis zur Verpackung, zum Test und zur Basis-Software. Wer auf den Markt will, muss fast die ganze Produktion selbst besitzen, von Anfang bis Ende.

Im Gegensatz dazu ist das "Gehirn" der modernen Smartphones das Ergebnis eines reifen Ökosystems aus Design und Chip-Fabriken (fabless-foundry). Die Geburt von TSMC, dem größten Auftrags-Chiphersteller der Welt, Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre schafft eine neue Ordnung für die Chip-Industrie. Sie trennt Foundry (die Fabrik, die produziert) und Fabless (die Firma, die nur designt).

Bildbeschreibung: Das "Gehirn" moderner Smartphones ist das Ergebnis des reifen Ökosystems aus Design und Chip-Fabriken (fabless-foundry). Bild: Shutterstock

Heute konzentriert sich Apple auf die Systemarchitektur und das Silizium-Design. TSMC produziert die modernen Wafer. Qualcomm ist führend bei Modem und Baseband. Broadcom dominiert die drahtlose Verbindung. Skyworks Solutions und Qorvo konzentrieren sich auf das RF-Frontend (der Funk-Schaltkreis zwischen Modem und Antenne für das Senden und Empfangen von Funksignalen) und auf mmWave (Millimeterwelle, ein sehr hohes Frequenzband für einige schnelle 5G-Netze). Daneben gibt es viele Firmen, die nur auf ein Gebiet spezialisiert sind: Sensoren, PMIC (Chip für das Energiemanagement, er steuert die Energie für das ganze Gerät), Speicher, Substrate (eine Zwischenschicht, die den Chip mit der Platine verbindet) oder moderne Verpackung.

Die ganze Industrie wechselt vom Modell "eine Firma macht alles" zu einem globalen Netzwerk der Zusammenarbeit mit einer Spezialisierung wie nie zuvor. Die Aufteilung innerhalb eines Chips spiegelt auch die Arbeitsweise der Halbleiter-Industrie wider: Alles wird immer mehr in spezialisierte Blöcke getrennt, um jede Aufgabe optimal zu lösen.

Deshalb wird das Smartphone wirklich zu einem heterogenen Computersystem. Das bedeutet: Viele verschiedene Prozessoren arbeiten zusammen. In einem Gerät, das nur wenige Watt Strom verbraucht, müssen viele verschiedene Verarbeitungsblöcke gleichzeitig arbeiten:

• CPU (zentraler Prozessor für die Hauptaufgaben)
• GPU (Grafikprozessor für Bilder und paralleles Rechnen)
• NPU (spezialisierter Prozessor für Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen)
• ISP (Bildsignalprozessor für Daten von der Kamera)
• Modem
• Video-Engine (spezialisierter Block für das Kodieren und Dekodieren von Video)
• Display-Pipeline (Kette für die Verarbeitung von Bilddaten vor der Anzeige auf dem Bildschirm)
• Memory-Controller (Steuerung für die Kommunikation zwischen Prozessor-Chip und Speicher)
• Secure Enclave (isolierter Sicherheitsbereich für sensible Daten wie biometrische Daten)