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Die Abkürzung "SoC" steht für "Systems on a Chip" oder auf deutsch "System auf einem Chip". Prozessoren (CPUs) sind eine Baugruppe, genau so wie Speicherbausteine, Grafikprozessoren (GPUs) u.s.w. bei einem SoC werden alle diese einzelnen Baugruppen in einem Chip zusammengefasst.

Wie kam es zu dieser Entwicklung?

Für bestimmte Aufgaben braucht man keinen aufwendigen Computer, aber eine programmierbare Steuerung mit Computertechnik. So setzte man anfangs alle benötigten Komponenten auf kleine Platinen und bezeichnete diese als System auf einem Board.

Dadurch das heute die Fertigungstechnik bei der Chipherstellung soweit fortgeschritten ist, dass man im 32 nm oder sogar schon im 22 nm Bereich arbeitet, können inzwischen alle benötigten Komponenten in nur einem Chip (IC), dem SoC integriert werden. "nm" steht übrigens für die Maßeinheit "Nanometer", also 10-9 Meter. 1 nm ist etwa 70.000-mal dünner als ein menschliches Haar!

In diese SoCs werden heute neben dem eigentlichen Prozessor auch fast alle anderen Bauteile wie die Grafikeinheit (GPU), Audio-Prozessor, Arbeitsspeicher, Speichercontroller, Schnittstellencontroller und teilweise sogar Netzwerkschnittstellen in einem Chip integriert. Im Prinzip würde ein solcher Chip reichen, um die meisten Funktionen eines Gerätes auszuführen. Es werden meist nur noch wenige externe Baugruppen benötig, um ein funktionierendes Gerät aufzubauen.

Welche Hersteller gibt es bei SoCs?

Bei klassischen Computern haben sich die Firmen Intel und AMD für die CPU-Herstellung etabliert.
SoCs werden meist abgestimmt zu einem Gerät entwickelt. Allerdings werden die Bauteile nicht komplett am Reißbrett neu entworfen, sondern man bedient sich vorhandener Designs, die man dann zu "seinem" SoC zusammenbaut.

Die Prozessoren (CPUs) und oft auch die Grafikprozessoren (GPUs) in den SoCs entwickeln zu über 90% die Firma "ARM Limited". ARM steht für "Advanced RISC Machines". ARM Limited produziert die Prozessoren allerdings nicht wie Intel oder AMD, sondern entwickelt "nur" das Design. Die eigentlichen SoCs produzieren dann die Lizenznehmer von ARM Limited, also die eigentlichen Hersteller der SoCs wie z.B. Apple, Samsung, HTC Corporation, Toshiba,  IBM,  Nvidia, Nokia aber auch Intel und AMD.
Da aber in fast allen SoCs Prozessoren aus der Entwicklung von ARM Limited stecken, gilt diese Firma derzeit als Marktführer der SoC Prozessoren.

Andere Komponentendesigns im SoC werden auch von anderen Firmen dazu gekauft und dann von den Firmen "eingebaut".
Somit entstehen SoCs als "Baukastensystem". Die Hersteller kaufen die Lizenzen (Designs) der benötigten Komponenten und bauen dann ihren Chip damit zusammen.

Ist "ARM Limited" eine neue Firma?

Nein, ganz im Gegenteil. Die Firma wurde 1979 unter dem Firmennamen „Acorn Computer Ltd.“ gegründet und war ein bekanntes britisches Computerunternehmen. Dieses produzierte eigene Computer, Set-Top-Boxen und Chips für Spielecomputer. Schon früh wendete man sich von der x86 Architektur ab und setzte auf Prozessoren mit dem RISC-Befehlssatz.

1984 ging es "Acorn Computer Ltd." schlecht und wurde 1985 von Olivetti aufgekauft. Den ersten Prozessor mit der ARM-Architektur wurde 1986 als Zweitprozessor für den "BBC Master" PC eingesetzt. Apple suchte zu dieser Zeit einen vernünftigen Prozessor für seinen in der Entwicklung befindlichen PDA "Newton" und wurde bei der ARM-Architektur fündig. So schloss sich Apple mit Acorn zusammen und gründeten gemeinsam 1990 die "ARM Limited".
Bis 1998 ging es dem Unternehmen recht gut. Man versuchte sich weiterhin in den Bereichen Netzwerkcomputer und Set-Top-Boxen auszubreiten. Doch dann ging es wieder bergab. Bis 1998 verkaufte Olivetti seine Anteile wieder und die Produktion von Computern wurde zugunsten der Set-Top-Boxen komplett eingestellt. Erst 1999 ging es dann wieder langsam bergauf.

Man konzentrierte sich jetzt auf die Herstellung von Prozessoren für die verschiedensten tragbaren Geräte. 2001 kam z.B der erste iPod von Apple auf den Markt. 2007 dann das erste iPhone. Diese Geräte lösten einen Boom auf Smartphones aus, sodass die Nachfrage nach ARM-Prozessoren seit dem stetig stieg.

Haben die Prozessoren in einem SoC überhaupt genug Leistung?

Dadurch, dass die Prozessoren mit dem ressourcenfreundlichen RISC-Befehlssatz arbeiten, erreichen diese auch bei nicht so hoher Taktung von meist etwas über 1 GHz sehr hohe Leistung. Diese Prozessoren gibt es auch als DualCore (2 CPU Kerne) und sogar als QuadCore (4 CPU Kerne). Somit laufen die Programme auf diesen Geräten meist mit hohen Geschwindigkeiten, zumal diese auch nicht so aufwendig sind wie Programme aus dem PC-Sektor. Filme in Full HD oder mehr (Apple Geräte) sind auch kein Problem.

Wo werden SoCs gebraucht?

SoCs werden überall dort eingesetzt, wo im Prinzip "Computertechnik" benötigt wird, aber ein "echter" Computer überdimensioniert, zu groß oder einfach nicht brauchbar wäre. SoCs findet man daher heute z.B. im Fernseher, im Sat-Receiver, im DVD-Player in MP3-Playern aber auch z.B. in der Waschmaschine, im medizinischen Bereich und in der Raumfahrt.

Zum großen Durchbruch, auch für die Massenfertigung, haben aber in jüngster Zeit die mobilen Geräte wie Smartphone und Tablet geführt. In diesen kleinen Geräten wird auf engstem Raum Computertechnik benötigt, die zum einen möglichst leistungsstark sein soll, aber zum anderen auch möglichst energiesparend arbeiten muss und darüber hinaus auch wenig Wärme abgeben sollte. 2007 brachte Apple das erste iPhone auf den Markt. Seit dem steigt der Absatz von Smartphones und damit die Herstellung der SoCs rapide an.

Laufen auf einem SoC Standard Programme?

Nein! Die SoCs sind wie oben beschrieben, auf einen schnellen aber auch energiesparenden Betrieb ausgelegt. Dafür muss ein solcher SoC anders arbeiten als herkömmlicher Computer.  Die in einem SoC verwendeten Prozessoren arbeiten mit dem RISC-Befehlssatz. Standard Prozessoren mit dem CISC-Befehlssatz.
Dementsprechend müssen auch die Betriebssysteme und Programme auf diese Befehlssätze abgestimmt und entsprechend programmiert sein. Bei einem Smartphone ist das aber kein Problem, da hier ganz andere Bedürfnisse entstehen, als etwa bei einem Computer oder Laptop. Bei einem Tablet ist das schon etwas anders. Die kann man über die größeren Displays durchaus auch mit einer Textverarbeitung oder einer Bildbearbeitung arbeiten. Aber dafür gibt es heute natürlich auch schon entsprechende Programme.

Welche Betriebssysteme gibt es für SoCs?

Es gibt zwei große Hersteller von Betriebssystemen für SoCs: Google mit Androide und Apple mit iOS. Das Nachsehen hatte längere Zeit der Marktführer im PC-Bereich Microsoft. Sie brachten zwar auch ende 2010 mit Windows Phone ein entsprechendes Betriebssystem auf den Markt, das sich aber nie richtig gegen die Mitbewerber durchsetzen konnte. Das lag teilweise auch daran, dass Microsoft einfach sein vorhandenes, abgespecktes Windows CE Betriebssystem für PDAs (Handhelds) für Smartphones umgeschrieben hat. Die Mitbewerber Google und Apple haben ihre Systeme komplett neu für Smartphones entwickelt. Erst ende 2012 mit Windows Phone 8 und einer Kooperation mit dem Hersteller Nokia geht es auch für Microsoft bergauf. Windows (Phone) 8 ist von Microsoft jetzt auch speziell für mobile Geräte optimiert worden.
Neben diesen Herstellern gibt es auch noch "BlackBarry OS" für Geräte der Firma BlackBarry und "Symbian" für Geräte von Nokia.

Für Tablets und deren größeren Displays, hat sowohl Google als auch Apple ihre Betriebssysteme geschickt angepasst. Microsoft bietet für diese Geräte die Windows RT Version an. Das ist eine auf Windows 8 basierende Version, speziell für Prozessoren mit dem RISC-Befehlssatz, also SoCs. Allerdings hat Microsoft noch wenig Erfolg mit Windows RT.

Wie sieht es mit Programmen aus?

Alle Hersteller bieten für die SoCs auch viele Programme an. Die Programme hier heißen dann allerdings Apps (das kommt von "Application Software" oder auf deutsch "Anwendungssoftware"). Je bekannter und je weiter ein Betriebssystem vorbereitet ist, je mehr Apps werden auch von "Dritten" programmiert. Somit findet man in den App-Stores (Verkaufsstellen) der "großen" Anbieter Apple, Google fast 900.000 kostenlose und kostenpflichtige Apps. Microsoft holt hier inzwischen auch auf, hat ber bisher noch ein kleineres Angebot. Seit es Tablets gibt, werden viele dieser Apps auch schon auf die großen Displays angepasst. Apps werden allerdings auch für Fernseher (Smart TV), internetfähigen BluRay Spielern und neuerdings sogar für den Computer (Windows 8) angeboten.

Neben Spielen und kleinen Anwendungen findet man hier heute Apps für fast alle nur erdenklichen Aufgaben wie Bildbearbeitung, Videobearbeitung und Office Anwendungen. Microsoft bietet neuerdings für SoCs sogar Ihr Office RT kostenlos an.

Werden in mobilen Geräten nur SoCs eingesetzt?

Auf diese Frage kann man Nein sagen. SoCs sind allerdings die favorisierten "Steuereinheiten" in mobilen Geräten. Diese bieten die besten Voraussetzungen. In Smartphones wird es sicher auch immer so bleiben, da man hier aufgrund des geringen Platzes fast keine andere Möglichkeit hat. Außerdem ist es hier auch nicht so wichtig, dass keine Standardprogramme aus dem Computerbereich laufen.

Bei den größeren Tablets sieht das schon etwas anders aus. Auch wenn es inzwischen sowohl Windows als auch Office für SoCs (RISC-Befehlssatz) gibt, vermisst der eine oder andere doch bestimmte Standardprogramme. So werden auch Tablet Computer mit speziellen Prozessoren aus dem Ultrabook Bereich und Standard PC Komponenten angeboten. Auf diesen Geräten läuft dann auch das "normale" Windows und somit auch PC Programme.

Fazit

SoCs sind heute nicht mehr wegzudenken. Besonders im Smartphone- und Tabletbereich steigen die Verkaufszahlen von Jahr zu Jahr und bescheren den Herstellern Absatzrekorde. Aber auch in vielen anderen Bereichen werden SoCs eingesetzt.

Intel hat inzwischen auch schon einen eigenen Prozessor für SoCs auf dem Markt und AMD wird wohl auch bald folgen. Um hier konkurrenzfähig zu bleiben, wird diesen Firmen sicher keine andere Alternative bleiben, zumal die Verkaufszahlen Klassischer Computer und damit der Absatz von klassischen Prozessoren inzwischen rückläufig sind.

Die Verkleinerung der Elektronik wird sicher auch nicht stehen bleiben. So können SoCs in Zukunft sicher noch kleiner hergestellt werden, was den Herstellern wiederrum die Möglichkeit gibt noch mehr Komponenten in nur einem Chip unterzubringen. Derzeit laufen bereits Versuche die 10 nm Fertigung zu erreichen.  Die Gerätegrößen werden davon sicher nicht profitieren. Schon heute wünschen sich viele ein großes Display, was auch ein großes Gehäuse zur Folge hat. Da nützt auch ein winziger SoC dann nichts.

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Letzte Aktualisierung: 25.02.2017
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