Smartphone-CPUs im Vergleich

Die wenigsten Nutzer wissen, von welchem Hersteller die CPU in ihrem Smartphone ist und welchen Leistungsstand diese hat. Dabei ist der Prozessor des Smartphones mindestens genauso wichtig wie das Gegenstück in Ihrem PC oder Notebook. Fragen Sie PC- oder Notebook-Besitzer, können Ihnen diese meist sagen, ob in ihren Geräten Intel- oder AMD-Prozessoren verbaut sind und um welche Prozessortypen es sich handelt.

Wir wollen mit diesem Artikel Ihr Interesse für Smartphone-CPUs wecken. Sie erfahren mehr über die verschiedenen Prozessortypen, die in den aktuellen Smartphones zu finden sind, und über deren Einsatzgebiete.

Herstellerangaben: Was die einzelnen Werte bedeuten

Wenn Sie sich die Beschreibung eines (noch) aktuellen Smartphones wie des Samsung S10 betrachten, finden Sie für den Prozessor mehrere Informationen: Hersteller, Prozessortyp, Anzahl der Prozessorkerne sowie die CPU-Taktrate. Das Spitzenmodell aus Südkorea besitzt einen hauseigenen Prozessor vom Typ Exynos 9820 mit acht Kernen und einer Taktrate von 2,7 GHz.

Ein Prozessorkern ist eine komplette Einheit mit Rechen- und Steuerwerk, die um weitere Komponenten wie den Cache-Speicher und die Memory Management Unit (MMU) ergänzt wird. Sind in einem Smartphone-Prozessor mehrere Kerne vorhanden, dann werden diese übereinandergestapelt. Bei zwei Kernen spricht man von Dualcore, bei einem Stapel mit vier Kernen entsprechend von einem Quadcore. Die aktuellen Modelle besitzen acht Kerne und werden auch Octacore genannt.

Die Taktrate gibt in diesem Zusammenhang an, mit welcher Frequenz die Kerne die Aufgaben abarbeiten. Acht Kerne können, eine entsprechende Steuerung durch das Betriebssystem oder die App vorausgesetzt, bis zu acht Arbeitsschritte gleichzeitig abarbeiten. Die Hertz-Anzahl des Prozessors gibt an, wie lang eine Taktperiode ist, also die Zeit, die benötigt wird, um einen Arbeitsschritt auszuführen. Bei einem Gigahertz beträgt die Taktperiode eine Nanosekunde, bei acht Kernen können dies dann bei optimaler Parallelisierung achte Befehle je Nanosekunde sein.

Die Taktrate der Smartphone-Prozessoren bewegt sich bei aktuellen Spitzenmodellen zwischen zwei und drei Gigahertz. Eine höhere Taktrate wird derzeit aus zwei wesentlichen Gründen nicht umgesetzt: Zum einen ist der Stromverbrauch zu hoch und senkt damit die Akkulaufzeit. Nicht weniger wichtig ist aber auch die Temperaturentwicklung, die bei höherer Taktrate entsprechend ansteigt. Dies kann im schlimmsten Fall zu Beschädigungen des Smartphones führen.

Wie Sie den Übersichten unten entnehmen können, mischen die Hersteller inzwischen auch die Taktfrequenzen der Kerne: höhere Taktraten für rechenintensivere Aufgaben, niedrigere für einfachere Jobs. Durch diesen Mix erzielen Sie ein optimales Ergebnis und sparen dazu noch wertvolle Akkuleistung ein.

Die Anzahl der Kerne sowie die Taktfrequenz der CPU sind zwar wichtige Leistungsparameter eines Smartphones, sagen am Ende jedoch nur wenig darüber aus, wie schnell das Smartphone bestimmte Aufgaben tatsächlich abarbeitet. Denn darauf haben noch eine Reihe von weiteren Komponenten innerhalb Ihres Smartphones wichtigen Einfluss. Die Gesamtleistung können Sie am zuverlässigsten über einen Benchmark ermitteln. Mehr dazu erfahren Sie im weiteren Verlauf dieses Artikels.

Mehr als eine CPU: Architektur des System-on-a-Chip

Die drei führenden Hersteller Huawei, Samsung und Qualcomm stellen nicht nur den reinen Prozessoren her, sondern ein sogenanntes Ein-Chip-System oder System-on-a-Chip (SoC). Ein solches System beinhaltet neben der CPU noch einen Grafikprozessor (GPU – Graphics Processing Unit), ein LTE-Modem, einen Multimediaprozessor, einen Signalprozessor, Sicherheitsfunktionen, einen Beschleuniger für künstliche Intelligenz (KI) und oftmals auch noch Komponenten, welche die Bluetooth- und WLAN-Funktionen beisteuern. Der Hersteller Qualcomm spricht deswegen auch von einer mobilen Plattform. Das Datenblatt seiner 855+-Plattform benötigt aus diesem Grund auch eine Din-A4-Seite, um alle Funktionen zu beschreiben.

Die Spezifikation zeigt genau, welche Bestandteile in einem solchen System enthalten sind. Interessanter ist natürlich, welche Aufgaben jede einzelne Komponente übernimmt: Neben der CPU, welche die zentralen Rechenoperationen Ihres Smartphones durchführt, besitzen moderne SoCs als weiteren wichtigen Prozessor eine GPU. Diese unterstützt die CPU bei der performanten Darstellung von hochauflösenden Bildern und Animationen. Aufgrund der immer größeren Auflösungen, die von Smartphones und Tablets unterstützt werden, stößt die CPU bei dieser Aufgabe an ihre Grenzen. Daher kommt hier die GPU zum Einsatz, was zu einer Entlastung der CPU und damit in der Regel auch zu einem geringeren Energieverbrauch führt. Die GPU berechnet darüber hinaus noch 3D-Daten für die Bildausgabe und stellt diese mittels Controller auf dem Smartphone- oder Tablet-Display dar. Die Einsatzzwecke sind somit vor allem Spiele, Augmented-Reality- und Virtual-Reality-Anwendungen.

In den aktuellen SoCs sind neben CPU und GPU auch oftmals noch Prozessoren für KI-Anwendungen enthalten. Die Apps, die heute auf einem Smartphone zum Einsatz kommen und sich KI bedienen, benötigen immer eine Internet-Verbindung und eine entsprechende Cloud-Anwendung im Hintergrund. Dies beginnt bei der Sprach- und Bilderkennung, geht über persönliche Assistenten wie Alexa und den Google Assistant und endet bei Sicherheitsfunktionen.

Eine einheitliche Namensgebung hat sich im Bereich der KI-Prozessoren noch nicht durchgesetzt. Huawei nennt diese beispielsweise NPU (Neural Processing Unit). Sie soll im Bereich der Bild- und Spracherkennung bis zu 20-mal schneller sein als CPU und GPU. Anwendungsbereiche sind bereits heute die Erkennung von Objekten mittels Kamera, etwa Google Lens, aber auch beim Einsatz von Motivprogrammen und die daraus abgeleitete optimierte Bildeinstellung. In Apples aktuellem mobilen Prozessor A13 Bionic kommt ein KI-Prozessor zum Einsatz, der beispielsweise Funktionen von FaceID übernimmt, um das Gesicht des Besitzers zuverlässiger zu erkennen. Die Anwendungsmöglichkeiten sind bei allen Herstellern heute allerdings noch sehr eingeschränkt.

ARM-Architektur: Die Mutter aller Prozessoren

Trotz der Vielfalt der eingesetzten Prozessoren bauen alle aktuellen Smartphones hinsichtlich ihrer CPUs auf einer gemeinsamen Kernarchitektur auf und verwenden alle die gleichen Prozessor-Befehlssätze: Das britische Unternehmen ARM entwickelt das Design der Mikroprozessoren und vergibt anschließend die Lizenzen zur Fertigung, beispielsweise an Samsung, Huawei, Qualcomm oder auch Apple.

ARM ist es über die letzten Jahre gelungen, ein kompaktes Design zu entwickeln, das durch eine niedrige Leistungsaufnahme bei hoher Leistung überzeugt. Dadurch können Smartphones immer leistungsstärker werden, während die Größe des Akkus schrumpft und die Laufzeit trotz allem in etwa gleich bleibt.

Die achte Version von ARM – kurz ARMv8 – ist seit 2011 im Einsatz. Diese brachte als wichtigste Neuerung den Wechsel von 32 Bit auf 64 Bit. Damit ist es möglich, doppelt so viele Bit in der gleichen Zeit zu verarbeiten. Zu jeder Architektur gibt es bei ARM noch verschiedene Designs für unterschiedliche Einsatzszenarien. Beispielsweise kommt Cortex A vor allem in Smartphones und Tablets zum Einsatz. ARM beschreibt dieses Design auf seiner Website als „höchste Performance bei optimaler Leistung“.

AnTuTu: Leistungsmessung mittels Benchmark

Für die Messung der Geschwindigkeit eines Smartphones wird gerne der AnTuTu-Benchmark herangezogen. Die Software wurde in China entwickelt und steht für Android und iOS zur Verfügung. Der Benchmark beinhaltet eine Reihe von Tests, mit denen die Leistung der CPU, der GPU, des Speichers und des Betriebssystems getestet wird. Dies reicht von der Darstellung von 3D-Szenen über den lesenden und schreibenden Zugriff auf den Speicher bis hin zu Testalgorithmen, welche die Leistungsfähigkeit des Prozessors beleuchten. AnTuTu gibt Ihnen für jeden Teilbereich eine Punktzahl und am Ende ein Gesamtergebnis aus. Dieses können Sie mit den anderen Anwendern des Benchmarks teilen und dadurch zu einer aussagekräftigen Benchmark-Datenbank beitragen. Sie sehen in dieser aber nicht nur die Werte anderer baugleicher Smartphones, sondern haben eine solide Grundlage, um Ihr Smartphone auch gegen andere Geräte zu vergleichen.

Aus den bereitgestellten Messwerten generiert der Benchmark-Anbieter eine monatliche Statistik und präsentiert die schnellsten Android-Smartphones und ein Ranking der verschiedenen iPhone-Modelle. Leider sind die beiden Testreihen untereinander nicht kompatibel. Aus diesem Grund sind die Testwerte, die mit einem iPhone erzielt werden, auch nicht mit den Ergebnissen aus den Android-Erhebungen vergleichbar.

Vergleich: Die Prozessoren der Top-Smartphones

Soviel erst einmal zu den theoretischen Grundlagen der Smartphone-CPUs. Auf den nächsten beiden Seiten werfen wir einen Blick auf die aktuelle Smartphone-Landschaft und schauen uns die dort eingesetzten Prozessoren ein wenig genauer an. Als Referenz-Smartphones haben wir uns das iPhone 11 Pro, das Samsung Galaxy S10, das Huawei P30 Pro und das Oneplus 7T Pro ausgewählt. In der folgenden Tabelle haben wir die wichtigsten Daten des jeweiligen SoC gegenübergestellt.

Wie Sie der Übersicht entnehmen können, ist bei den Top-Smartphones ein Octacore-Prozessor unter Android inzwischen Standard. Der Chipsatz unterscheidet sich bei den drei Herstellern jedoch grundsätzlich: Samsung verbaut die selbst entwickelte Plattform Exynos 9820, bei Huawei kommt der Hisilicon Kirin 980 ebenfalls aus dem eigenen Haus. Oneplus hingegen verwendet einen zugekauften Chipsatz von Qualcomm, erzielt damit aber den mit Abstand besten Wert im AnTuTu-v8-Benchmark.

Bei allem untersuchten Smartphones kommt eine Kombination aus unterschiedlichen Kernen zum Einsatz. Die Kerne mit der höheren Taktung wie der Cortex A76 oder der Kryo 485 mit 2,96 GHz sind für die schweren und rechenintensiven Aufgaben vorgesehen. Die Cortex-A55-Kerne oder der Kryo 485 mit 1,78 GHz sind energieeffizienter und werden für leichtere Operationen eingesetzt.

Außen vor ist das iPhone 11 Pro mit seinem A13-Bionic-Chipsatz. Der Benchmark lässt sich nicht mit den Android-Geräten vergleichen. Nimmt man allerdings nur die Apple-Geräte als Vergleichsbasis, liegt es mit dem aktuellen Antutu-Benchmark für iOS vom Oktober 2019 auf dem vierten Platz hinter den beiden iPad-Pro-3-Modellen und dem iPhone 11 Pro Max. Alle Prozessoren der Topgeräte haben darüber hinaus noch ein weiteres Detail gemeinsam: Sie besitzen alle einen KI-Prozessor, der bei der Erkennung von Bildern, Texten oder auch dem Gesicht des Anwenders die anderen Prozessoren unterstützen soll.

Diese Prozessoren finden Sie in Mittelklasse-Smartphones

Im Vergleich der Mittelklasse-Smartphones haben wir uns vier Geräte aus der Preiskategorie bis 450 Euro ausgesucht. Dabei haben wir zum einen Vorjahresmodelle wie das Samsung Galaxy S9 und das LG G7 ThinQ, aber auch aktuelle Geräte wie das Honor 20 Pro und das Xiaomi Mi 9T Pro berücksichtigt.

Wie Sie in den Benchmark-Werten sehen, gibt es an dieser Stelle bereits ein starkes Gefälle zwischen den aktuellen Modellen aus dem Jahr 2019 und den beiden Vorjahresmodellen. Die Unterschiede betragen hier über 100.000 Punkte.

Der Chipsatz, der in den Mittelklasse-Smartphones zum Einsatz kommt, ist teilweise identisch zu dem der Top-Smartphones, etwa dem Snapdragon 855 oder dem Kirin 980. Auch diese Prozessoren besitzen durchgängig acht Kerne, allerdings sind die Kerne im direkten Vergleich zu den Top-Smartphones in der Regel leistungsschwächer. Dies ist auch eine der Erklärungen für den niedrigeren Benchmark-Wert.

Eine klare Ausnahme stellt an dieser Stelle das Xiaomi Mi 9T Pro dar: Seine Leistungswerte können mit denen von Top-Smartphones mithalten, das verwendete SoC ist technisch nahezu identisch mit dem im Oneplus 7T Pro. Es gibt aber natürlich noch weitere Faktoren, welche den Benchmark beeinflussen – dies wird an den rund 50 000 Punkten Unterschied klar, die zwischen dem Xiaomi und dem Oneplus-Smartphone liegen. Dafür bezahlen Sie für das Oneplus auch rund 750 Euro, während das Xiaomi Mi 9T Pro rund 300 Euro günstiger ist.

Was KI betrifft, so gibt es auch bei den Mittelklasse-Smartphones eine flächendeckende Durchdringung innerhalb des SoC. Dies gilt sowohl für die Top-Smartphones aus 2018, aber auch für die Mittelklasse-Smartphones aus 2019.

AnTuTu v7: So schneiden Einstiegsprozessoren ab

In der letzten Rubrik werfen wir noch einen Blick auf die Prozessoren, die in den Einsteiger-Smartphones zum Einsatz kommen. Dies sind nach unserer Definition Geräte bis 300 Euro. In die Auswahl aufgenommen haben wir für den Vergleich das Motorola G8 Plus, das Samsung Galaxy A50, das Huawei P30 Lite und das Xiaomi Mi 8.

Für die Einsteiger-Smartphones haben wir den Antutu-v7-Benchmark als Grundlage für die Bewertung genommen, da nicht für alle Geräte Messwerte des aktuellen v8-Benchmarks zur Verfügung standen. Dies liegt sicherlich mit daran, dass der neue Benchmark erst seit Herbst 2019 auf dem Markt ist.

Die Hersteller der SoCs sind auch hier wieder bunt gemischt: Während Samsung und Huawei auf die hauseigenen Lösungen setzen, vertrauen die anderen beiden auf einen Qualcomm Snapdragon: im Falle von Motorola ein SDM 655, bei Xiaomi den deutlich leistungsstärkeren SDM 845. Anhand der Messwerte zeigt sich auch in diesem Bereich bei drei der vier Smartphones eine Leistungsdichte mit Messwerten rund um 140.000 Punkten. Lediglich das Xiaomi-Smartphone fällt an dieser Stelle mit einer mehr als doppelt so hohen Punktzahl komplett aus dem Rahmen.

Auch in der unteren Preisklasse sind die KI-Prozessoren inzwischen fester Bestandteil der Plattform. An dieser Stelle wird in den Spezifikationen vorrangig auf eine bessere Qualität der Kamerabilder als Anwendungszweck verwiesen.

Welche CPU ist in Ihrem Smartphone verbaut?

Nachdem Sie nun fast alles über die CPUs in den Smartphones wissen, haben wir sicherlich auch Ihre Neugierde geweckt. Falls auch Sie herausfinden möchten, was in Ihrem Smartphone so alles drinsteckt und wie es im Vergleich zu Konkurrenzprodukten abschneidet, empfehlen wir Ihnen die AnTuTu-App für Android oder iOS. Sie misst nicht nur, wie leistungsstark Ihr Smartphone oder Tablet ist, sondern gibt Ihnen auch eine detaillierte Übersicht, welches SoC und welche Komponenten in Ihrem Gerät stecken.

Und so geht’s: Nachdem Sie die App heruntergeladen und installiert haben, landen Sie erst einmal auf dem Startbildschirm. Beginnen Sie die Messung über die „Start Testing“-Schaltfläche, und legen Sie danach Ihr Smartphone erst einmal für eine Weile zur Seite. Die App durchläuft alle möglichen Tests zur Leistungsfähigkeit von GPU, CPU, dem Speicher und der Benutzeroberfläche. Am Ende erhalten Sie eine Gesamtpunktzahl und können somit im ersten Schritt Ihr Smartphone mit den Werten für die hier vorgestellten Modelle vergleichen.

Die App generiert allerdings noch deutlich mehr Informationen: Über die Schaltfläche „Mein Gerät“ gelangen Sie zu den technischen Werte Ihres Smartphones oder Tablets, darunter auch die verbaute CPU und die GPU (Renderer). Am Ende können Sie Ihr Ergebnis noch mit den Messungen der anderen Nutzer vergleichen.

Fazit: Benchmark-Ergebnisse sind nicht alles

Die Entwicklung der Smartphone-Prozessoren und deren Leistungsfähigkeit schreitet immer noch erstaunlich schnell voran und zeigt deutliche Leistungsunterschiede. Das Durchschnittsgerät im Einsteigerbereich erzielte lediglich 150.000 Punkte, während das Spitzenmodell mit dem vergleichbaren Test bei rund 450.000 Punkten liegt. Dafür kostet es auch rund dreimal so viel.

Da stellt sich dann natürlich die Frage, ob Sie wirklich so viel Leistung benötigen. Wenn Sie nicht gerade intensiv 3D-lastige Spiele mit Ihrem Smartphone spielen, werden Sie voraussichtlich nur selten an die Leistungsgrenzen Ihres Smartphones gelangen, zumindest in Bezug auf Ihre CPU und GPU.

Aber die Leistungsfähigkeit des Smartphones ist ja nicht das einzige Kriterium, welches den deutlichen Preisunterschied rechtfertigt. An dieser Stelle kommen noch weitere Merkmale wie die Qualität der sonstigen eingesetzten Komponenten zum Tragen, allen voran Kamera und Display. Und auch die Verarbeitungsqualität spielt eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit dem Preis.

Von daher können Sie zwar künftig vor dem Kauf eines neuen Smartphones einen Blick auf den dazugehörigen AnTuTu-Benchmark werfen. Sie sollten das Ergebnis aber nicht zum alleinigen Kaufkriterium machen. (PC-Welt)