Der neue A12 Bionic Chip von Apple: Was ist die Neural Engine und was bringt sie?

Der A12 Bionic Prozessor, welcher in den neuen iPhone Modellen, also dem iPhone XS, XS Max und XR verbaut ist, ist laut Apple der „intelligenteste und leistungsstärkste Smartphone-Chip“. Tatsächlich sind die Werte des Prozessors beeindruckend. In diesem Beitrag haben wir uns genauer mit dem Chip auseinandergesetzt und zeigen, was ihn besonders macht.

Moderne Prozessoren in Smartphones

Bisher bestanden Chipsätze für Smartphones aus zwei wesentlichen Komponenten, einer Recheneinheit (CPU) und einer Grafikeinheit (GPU). Die neuesten Generationen von Chipsätzen besitzen eine weitere Komponente, eine neuronale Recheneinheit (NPU). Der grundlegende Unterschied zwischen CPU und NPU liegt darin, dass die CPU eine Aufgabe, welche aus mehreren Teilen besteht, nacheinander bearbeitet. Die NPU ist in der Lage die einzelnen Teile der Aufgabe zeitgleich zu bearbeiten. Dank der NPU kann das Smartphone Sprache und Bilder schneller begreifen und Befehle umsetzten. Primär sind diese Effekte bei der Face-ID und bei Siri zu bemerken. Die Face-ID erkennt das Gesicht nun schneller und kann das iPhone schneller entsperren. Stellt man Siri eine komplexere Frage wie beispielsweise „Wie wird das Wetter morgen in Frankfurt?“ werden die einzelnen Fragen in dieser Frage zeitgleich und nicht nacheinander angegangen. Vereinfacht dargestellt sucht das iPhone also nicht zuerst nach Wetterinformationen, dann nach dem Tag und anschließend nach den exakten Wetterdaten für Frankfurt, sondern es geht alle Teilfragen auf einmal an. Siri antwortet also schneller. Außerdem ist die NPU lernfähig und optimiert sich selbst.

Apples A12 Bionic Chipsatz: Zahlen und Fakten

iPhone XR

Schon die A11 Bionic Serie von Apple, welche im iPhone 8, 8 Plus und X zu finden ist, ist wie oben beschrieben aufgebaut. Aber was hat sich in einem Jahr von A11 Bionic zu A12 Bionic verändert? Eine ganze Menge.

Sowohl beim A11 Bionic also auch beim A12 Bionic handelt es sich um einen SoC-Prozessor, einem „Ein-Chip-System“. Alle Komponenten des Prozessors, die Kerne der CPU, die der GPU und NPU finden auf einem Chip Platz. Diese Bauweise ist für Smartphones wichtig, um die leistungsfähigen Chips so klein und effizient wie möglich bauen zu können. Das hilft um Smartphones leistungsfähiger, aber nicht klobiger zu machen.

Der A11 Bionic besteht aus einer Sechskern-CPU, zwei Hochleistungskernen und vier weitere effizienten Kernen. Die GPU des A11 Bionic besteht aus drei Kernen und die NPU aus zwei Kernen. Der A11 Bionic ist ein 10 Nanometer-Chip, d.h. der Abstand zwischen den Leiterbahnen innerhalb des Chips beträgt 10 Nanometer.

Der A12 Bionic ist einer der ersten 7 Nanometer-Chips in einem weit verbreiteten Verbraucherprodukt. Hätte man den Chip an sich so belassen und nur von 10 auf 7 Nanometer umgestellt, wäre der neue Chip 40% kleiner als der Vorgänger. Apple hat jedoch die Größe beibehalten und den Chip verändert. Die CPU besteht weiterhin aus sechs Kernen. Wieder zwei Hochleistungskerne und vier effiziente Kerne. Die GPU des A12 Bionic verfügt über vier Kerne und die NPU ist von zwei auf acht Kerne gewachsen und ist nun in der Lage 5 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde, statt 600 Milliarden wie beim A11 Bionic, zu bewerkstelligen.

Ein weiterer Vorteil der 7-Nanometer-Fertigung ist, dass die Transistoren innerhalb des Prozessors kleiner werden. Die kleineren Transistoren steigern die Effizienz, so verbrauchen die vier Effizienz-Kerne bis zu 50% weniger Strom als im A11 Bionic. Noch dazu verfügt der A12 Bionic über mehr Transistoren als der A11 Bionic mit der Folge, dass noch mehr Arbeitsschritte parallel abgearbeitet werden können.

Welche Auswirkungen haben diese Neuerungen auf die iPhones?

iPhone XS und XS Max

Wie eingangs schon beschrieben funktionieren Siri und die Face ID wesentlich schneller als bei den vorherigen Modellen. Aber auch die allgemeine Performance bei Anwendungen hat sich verbessert. Der neue Performance-Controller verteilt die Aufgaben zwischen den Kernen der CPU. Alltägliche Aufgaben werden von den vier effizienten Kernen bewerkstelligt, komplexe Anwendungen von den Performance-Kernen. Im Ernstfall arbeiten alle sechs Kerne gleichzeitig an einer Aufgabe. Alle sechs Kerne können unabhängig voneinander mit Aufgaben versorgt werden. Die Leistung der GPU hat im Vergleich zum A11 Bionic um 50% zugenommen. Visuell anspruchsvolle Apps wie Spiele und Videobearbeitung sind mit dem A12 Bionic schneller und flüssiger. Die größere Anzahl an Transistoren (4,3 Milliarden im A11 Bionic und 6,9 Milliarden im A12 Bionic) im Prozessor erhöht den Cachespeicher und verkürzt so die Ladezeit von Anwendungen.

Das Kernstück des A12 Bionic: Was bringt die Neural Engine?

Am stärksten wurde wohl die NPU verändert, von zwei auf acht Kerne. Die Neural Engine ist der Teil des iPhones, welcher bei jeder Benutzung dazu lernt. Sie analysiert Muster in der Nutzung des iPhones: Werden manche Apps immer nacheinander geöffnet oder werden manche Apps gar nicht verwendet? So lässt das iPhone Apps, die nur selten genutzt werden, nicht im Hintergrund laufen, um so Kapazitäten zu sparen. Apps, die häufiger genutzt werden, starten schneller. Das iPhone lernt also aus Erfahrungen und kann sich so optimal auf die Gewohnheiten des Nutzers einstellen. Die Neural Engine ist außerdem für AR Anwendungen zuständig. Es gibt schon einige Anwendungen, die die Augmented Reality nutzen, also mit Hilfe der Kamera Dinge in unsere Umgebung einfügen: seien es Spiele wie Pokémon Go!, die Möglichkeit sich neue Möbel virtuell im Zimmer anzuschauen oder das Vermessen von Gegenständen. Mit Hilfe des verbesserten Bildsignalprozessors sind Portraitaufnahmen noch detailreicher. Der Dynamikumfang von Fotos hat sich dank Smart HDR um 60% vergrößert. So bietet die Neural Engine die Möglichkeit trotz des beschränkten Platzes für Kamerasensoren in einem Smartphone immer bessere Bilder aufzunehmen. In diesem Beitrag ist die Entwicklung der Smartphonekameras dank NPUs ausführlicher erklärt. Dank dieser Entwicklung ist es dem iPhone auch möglich, verschiedene Motive auf Bildern zu erkennen. So ist es mit der intelligenten Suche möglich, alle Bilder auf dem Gerät mit einem Strand, einem Sonnenuntergang oder einem Hund zu finden, ohne jedes Bild entsprechend zu markieren oder in Ordner ablegen zu müssen.

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