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LTE: Die Chiphersteller rüsten auf

LTE setzt sich weltweit durch und die Chiphersteller rüsten nach: Für die neuen schnellen Mobilfunknetze kommen neue Chips. Die sind kleiner, schneller und brauchen weniger Strom.

Angetrieben wird die Entwicklung von den mobilen Verbrauchern. Die wollen auch unterwegs schnelles Internet nutzen. Mit LTE und seiner Weiterentwicklung LTE Advanced werden künftig per Funk Geschwindigkeiten erreicht, die es bislang nur per Leitung gab. Diese schnellen Verbindungen werden nicht von klobigen PCs mit großen angeschlossenen Bildschirmen genutzt, die ständig am Stromnetz hängen – sondern von Geräten, die in jede Jackentasche passen und den nötigen Strom von einem Akku bekommen. Eine technische Herausforderung für die Chip-Produzenten.

Die Chips rechnen immer schneller

Moderne Smartphones haben immer mehr Programme: Ortung und Navigation, Multimedia – Musik abspielen, Videos und Fotos präsentieren, mit verschiedenen Techniken wie WLAN, Bluetooth, HSPA+ und LTE Datenfunkverbindungen aufbauen und einzelne Programme wie Spielen oder Mailen ausführen. Dazu kommen Funktionen, die im Hintergrund ablaufen wie die Steuerung des Energieverbrauchs oder die Verwaltung des Speicherplatzes – und neue Anforderungen wie immer schneller Datenverbindungen und ein immer größerer Speicherplatz.

Die kleinen Rechenmaschinen müssen deshalb immer mehr rechnen. Die Rechenleistung wird von Technikern in der Regel mit der Einheit Hertz angegeben. Im Jahr 2002 galt ein Chip mit einer Leistung von 27 Megahertz, der 23 Millionen elementare Rechenoperationen pro Sekunde ausführen konnte als superschnell, so schreibt Thomas Nindl vom amerikanischen Chiphersteller Qualcomm in einem Beitrag für das Portal „elektroniknet.de“ Der technische Ausdruck dafür ist 23 Million Instructions per Second (MIPS). Chips, die heute in Smartphones verarbeitet werden, haben schon eine Rechenleistung von 1 Gigahertz und können bis zu 2 Milliarden elementare Operationen pro Sekunde durchführen, also 2.000 MIPS. Sie haben also eine fast zehnmal so starke Rechenleistung.

Eine entscheidende Technik für die Erhöhung der Rechengeschwindigkeit ist die Verwendung von mehreren kleinen Rechenmaschinen, die in einem Bausatz zusammengefasst sind und die parallel und unabhängig voneinander rechnen. Techniker sprechen hier von Mehrkernprozessoren oder Multicore-Prozessoren. Diese Prozessoren können verschiedene Funktionen gleichzeitig ausführen – es wird also nicht eine Anwendung nach der anderen abgearbeitet, sondern mehrere werden gleichzeitig bearbeitet. Das erspart dem Nutzer überflüssige Wartezeit.

Bei PCs sind heute Zweikernprozessoren – Dual Core – die Regel. Bei Smartphones werden sie – auch im Hinblick auf die neuen schnellen LTE-Netze – über kurz oder lang eingeführt werden.

Die Chips werden immer kleiner

Gleichzeitig wurden die Bauteile, aus denen diese Miniatur-Rechenmaschinen zusammengesetzt werden immer kleiner – nur so schafft man es, eine immer größere Rechenkraft auf einer immer kleineren Fläche zu konzentrieren.

Um zu beschreiben, wie klein die Bauteile des Chips sind, benutzen die Techniker den Ausdruck Nanometer-Technologie, mit einer vorangestellten Zahl. 2002 wurde die 90-Nanometer-Technologie eingeführt, das bedeutet vereinfacht ausgedrückt: die kleinste mit dieser Technik fertigbare Struktur ist 90 Millionstel Millimeter groß. Zum Vergleich: Ein normales menschliches Haar ist 5 bis 7 Hundertstel Millimeter dick. Heute ist man schon bei der 28-Nanometer-Technologie angelangt, Samsung fertigt in diesem Jahr schon Chips der 20-Nanometer-Klasse.

Dass die Chips immer mehr Rechenleistung auf eine Fläche packen, hat einen weiteren Vorteil: Der Stromverbrauch sinkt.

Was zeitgenössische Chips können und was die Zukunft bringt

Die Entwicklung bei den Smartphone-Chips geht rasant voran. Der Snapdragon MSM 8x60, der Firma Qualcomm – 2010 angekündigt – soll HSPA+ und LTE fähig sein. Er unterstützt eine Bildschirmauflösung von 1440 x 900, hochauflösendes Fernsehen (1080p), Mehrkanal-Tontechnik Dolby und Drei-D-Funktionen sowohl beim Aufnehmen wie beim Abspielen von Filmen. Angetrieben wird er von einem Zweikernprozessor, jeder der zwei Kerne bringt 1,5 Gigahertz Rechenleistung.

Ein Ende der Entwicklung ist nicht absehbar. „Der Innovationsmotor Chipdesign wird weiter brummen, denn neue Mikroelektronik-Technologien müssen bereitgestellt werden“ so Thomas Nindl. „Die Forscher stellen sich den Herausforderungen und arbeiten stets an neuen Design-Methoden, innovativen Laserbearbeitungs-Verfahren, chemischen Prozessen und immer kleineren Gehäusen für die Chips. Vielleicht werden wir eines Tages die Mobilfunk-Elemente, also ganze Module, nicht mehr wahrnehmen, da sie bereits in Lampen, Toastern und anderen elektronischen Geräten des täglichen Bedarfs integriert sind.“