Samsung S5L

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Samsung S5L
S5L8900.jpg
Samsung S5L8900
Produktion: seit 2006
Produzent: Samsung
Prozessortakt: 400 MHz bis 1.400 MHz
FSB-Takt: 103 MHz bis 1333 MHz
L1-Cachegröße: 16 KiB
Fertigung: 90 nm bis 28 nm
Befehlssatz: ARM9 / ARM11 / ARMv6 / ARMv7 / ARMv8
Mikroarchitektur: ARM, Swift, Cyclone
Namen der Prozessorkerne:
  • unbekannt
  • Cyclone (S5L8960)
  • Swift (S5L8950)

Samsung S5L ist eine Reihe von System-on-a-Chips (SoC) die von Samsung primär für Apple hergestellt werden. Sie kombinieren einen ARM-Hauptprozessor und ggf. PowerVR-Grafikprozessor, Speicher und einige Controller für z.B. NAND-Speicher und Audio auf einem Chip. Sie wurden 2006 von Apple mit dem iPod nano der 2. Generation eingeführt. Sie kommen überwiegend in Apple-Geräten wie dem iPod, dem iPhone und dem iPad vor. Das Design der S5L-Reihe wird von Samsung auch für eigene SoCs verwendet.[1][2] S5L SoCs sind auch unter den Namen APL und Apple A4 - Apple A7 bekannt.[3] Als Vorgänger der S5L87er-Chips waren PortalPlayer-SoCs im Einsatz,[4] als Vorgänger der S5L89er-Chips kann die Freescale i.MX-Serie gesehen werden, die im Jahr 2005 in einem iPhone-Prototyp Verwendung fand.[5]

Samsung S5L8701 - SoC des iPod nano der 2. Generation - der sehr ähnliche Nachfolger S5L8702 wird im iPod classic verbaut.

Geschichte[Bearbeiten]

Im Jahr 2006 wurden von Apple der iPod nano der 2. Generation sowie der iPod Classic eingeführt. Ebenfalls in Entwicklung befand sich das intern "Project Purple" genannte iPhone. Apple benötigte neue SoCs für diese geplante Erweiterung des Produktspektrums, so entstanden die S5L87er-SoCs für die weniger leistungsbeanspruchende iPod-Familie, und nach anfänglichen Versuchen mit einem Freescale i.MX31-SoC für das erste iPhone die S5L89er-SoCs für die leistungsstärkeren Apple-Geräte iPhone, iPod touch und iPad. Die S5L87er SoCs lösten die bis dahin im iPod verwendeten PortalPlayer Prozessoren ab. Anfänglich war es nicht geplant dass Software von Drittanbietern auf S5L89er-Socs ausgeführt würde[6] - die Grafikprozessoren waren dementsprechend eher auf Stromersparnis ausgelegt.[7] Mit der Einführung des App Stores änderte sich dies. Daraufhin kaufte Apple im Jahr 2008 die Chipdesign-Firma P.A. Semi[8] und entwickelte aus dem S5L8920 die annähernd identischen[9] SoCs S5L8922 und S5L8930 um den gestiegenen Anforderungen gerecht zu werden. Seit 2010 vermarktet Apple die S5L89er Serie als "Apple A"-Chip. Das erste so beworbene SoC war der S5L8930 unter dem Namen Apple A4.[10] 2013 führte Apple parallel zum A7-Chip den M7-Koprozessor zur Berechnung von Bewegungsdaten ein. Dieser wird jedoch von NXP Semiconductors gefertigt und teilt sich mit der "Apple A"-Serie nur die Herkunft der Verkaufsbezeichnung. Die S5L87er Serie wird nicht konkret beworben.

Namensherkunft[Bearbeiten]

Die Bezeichnung S5L ist die interne Bezeichnung Apples für die SoCs. Sie taucht im Sourcecode von iOS auf.[11] Seit der Übernahme von P.A. Semi lautet die Bezeichnung auf den Chips APL.[12] Im Sourcecode von iOS heißen die Chips jedoch weiterhin S5L. Die Marketing-Bezeichnung von Apple lautet Apple A, so werden die S5L8960 und S5L8965 beide als Apple A7 vermarktet,[13] obwohl es sich um zwei verschiedene SoCs handelt.

Beschriftung[Bearbeiten]

Samsung S5L8930 ohne typische A4 Beschriftung
Samsung S5L8930 mit typischer A4 Beschriftung
S5L8950 mit Apple A6 Beschriftung

Während die ersten Chips nur die Nummer nach dem S5L aufgedruckt bekamen[14] (z.B. 8701 beim S5L8701, siehe Bild rechts) wurde nach dem Kauf von P.A. Semi die Bezeichnung spiegelverkehrt mit der Abwandlung APL aufgedruckt - so wird aus S5L8940 spiegelverkehrt APL0498. Mit der Einführung des S5L8930 rückte die Bezeichnung APL0398 an den Rand, während in die Mitte die Marketingbezeichnung A4 rückte. Erste Prototypen des A4-Chips wiesen diese Beschriftung jedoch noch nicht auf. Mit der Einführung der als A7 vermarkteten S5L8960 und S5L8965-SoCs verschwand die A7-Beschriftung wieder, zurück blieb nur der Apfel.

Technik[Bearbeiten]

Allgemein[Bearbeiten]

Samsung S5L-Systems on a Chip stellen den wichtigsten Chip der iPods, iPhones und iPads dar. All diese Geräte sind tragbare mit Lithium-Ionen-Akkumulator betriebene Computer zur Wiedergabe von elektronischen Medien und weisen deshalb die zentralen Bauteile eines Computers auf: Zentrale Recheneinheit (CPU), Speicher, Bus, Eingabe- und Ausgabe-Einheit. Die S5L Chips vereinen all diese Bauteile. Dadurch entsteht der Vorteil dass weniger Bauteile verbaut werden müssen und so die Produktionskosten sinken während die Effizienz ansteigt.

Im Wettbewerb stehende Architekturen ähnlicher Produkte sind Qualcomms Snapdragon, Texas InstrumentsOMAP 4, Nvidias Tegra 2 und Samsung Exynos.

Bauweise[Bearbeiten]

Ein S5L-Chip besteht aus mehreren übereinander angeordneten Lagen mit Dies in Multi-Chip-Modul-Bauweise. Die obersten Dies sind in der Regel der Speicher des Chips, der unterste Die enthält die Prozessoren, wie Hauptprozessor, Grafikprozessor und Speichercontroller.[15]

Hauptprozessor, Speicher und Grafik[Bearbeiten]

Der Hauptprozessor in einem S5L SoC ist ein ARM-kompatibler Mikroprozessor. Dieser ist an die Anforderungen des Geräts angepasst. Während ein einfacher iPod primär der Wiedergabe von Musik dient, bietet ein iPad verglichen damit anspruchsvollere Funktionen. Dementsprechend muss die Leistungsfähigkeit des Prozessors erhöht werden. Somit reichen die unterstützten Befehlssätze vom recht einfachen ARM9 bis hin zu von Apple speziell entwickelten Derivaten der leistungsstarken 64-Bit ARMv8-Architektur und die Coretakt-Frequenzen von einigen hundert Megahertz bis hin zu 1,4 Gigahertz. Ebenso gibt es unterschiedliche Herstellungsverfahren, welche sich ebenfalls auf die Effizienz auswirken. Die Anzahl der Prozessorkerne liegt zwischen einem oder zwei. Während die einfacheren SoCs nur Level 1 Cache besitzen, hat beispielsweise der S5L8965 auch Level 2 und 3 Cache.

Der Speicher in einem S5L SoC reicht von DRAM bis hin zu LPDDR3-Speicher, die Speichergröße von 32 bis zu 1024 MB. Die Speichertaktung ist mit Frequenzen von einigen hundert Hertz bis hin zu 1333 MHz realisiert. Es kommt teilweise vor dass sich nicht nur verschiedene SoCs der S5L Reihe in der Speichergröße unterscheiden, sondern ein SoC mit verschiedenen Speichergrößen produziert wird, so beispielsweise der S5L8720 mit 32 und 116 MB, oder der S5L8930 mit 254 und 504 MB. Da Samsung Hersteller von Speichermodulen ist, stammt der Speicher in S5L SoCs oftmals von Samsung, aber auch anderen Herstellern.[16]

Einen Grafikprozessor haben nur die S5L89er SoCs und einige der stärkeren S5L87er SoCs. Der iPod nano der 2. Generation beispielsweise ist nicht dazu in der Lage Videos abzuspielen, ein fehlender Grafikprozessor ist hier der Grund. Das iPhone sollte ursprünglich nur Videos wiedergeben und Fotos aufzeichnen, Anwendungen wie z.B. Spiele waren nicht geplant. Deswegen ist der Grafikprozessor des iPhones auch ein PowerVR MBX Lite,[17] welcher primär auf Energieeffizienz ausgelegt ist. Mit der Einführung des iPhone 3GS wechselte Apple zu PowerVR SGX Grafikprozessoren, diese sind leistungsfähiger. Mit dem iPhone 5s wechselte Apple erneut, diesmal zur PowerVR G64 Serie. Die Anzahl der Grafikprozessoren variiert ebenfalls, während bis zum iPhone 4 nur einer verwendet wurde, hat das iPad Air gleich vier Grafikprozessoren. Alle S5L Grafikprozessoren sind Imagination PowerVR GPUs.

Mikroarchitektur[Bearbeiten]

Alle S5L-Chips bis einschließlich zum Apple A5 verwenden die jeweilige Mikroarchitektur des ARM-Hauptprozessors, der dem SoC zugrunde liegt. Apple verwendete ARM926, ARM1176, Cortex-A8 und Cortex-A9. Ab dem A6-Chip begann Apple in Eigenregie die Mikroarchitektur zu entwickeln. Die Prozessorkerne werden seitens Apple dabei nicht direkt von ARM lizenziert, sondern mittels einer sogenannten ARM-Architekturlizenz, die u.a. auch der Chiphersteller Qualcomm für seine Snapdragon-SoCs nutzt, selbst[18] entwickelt. Da Apple selbst keinerlei technische Informationen herausgibt, gibt es keine gesicherten Informationen über die Mikroarchitekturen. Bis lang entwickelte Apple Swift und Cyclone.

Designfehler[Bearbeiten]

Durch einen Designfehler lässt sich mithilfe des sogenannten limera1n Exploit auf jedem S5L SoC bis einschließlich zum S5L8930 beliebiger Code ausführen, was vor allem von Jailbreaks genutzt wurde[19]. Dieser nicht durch Software-Updates patchbare Fehler erlaubt es unter anderem auch die Code-Sperre des iPhones durch das Ausführen eines Bruteforce-Programms innerhalb weniger Minuten ohne großen Aufwand auszulesen. Dieser Fehler wurde mit dem S5L8940 behoben.

Samsung S5L8720
Samsung S5L8940

Liste der S5L SoCs[Bearbeiten]

S5L87er Serie[Bearbeiten]

S5L89er Serie[Bearbeiten]




Technische Details der S5L87xx SoCs[Bearbeiten]

S5L89xx S5L8700 S5L8701 S5L8702 S5L8720 S5L8723 S5L8730
Illustration Samsung S5L8701.jpg S5L8720.jpg
Hauptprozessor CPU-Bezeichnung ARM926EJ-S ARM1176
Anzahl an Kernen 1
Befehlssatz ARM9 (32 Bit) ARMv6 (32Bit)
FSB 100 MHz (Schätzung) 133 MHz
Multiplikator 1x 4x keine Angabe
Taktfrequenz 100 MHz (Schätzung) 533 MHz keine Angabe
Technologieknoten 90nm 65nm
Level 1 Cache 16KiB
Grafikprozessor GPU-Bezeichnung N/A PowerVR PowerVR MBX Lite N/A PowerVR
Grafik-Takfrequenz N/A 60 MHz N/A
Arbeitsspeicher 8 MB 32 MB 32 MB
(iPod nano 4G)
128 MB
(iPod touch 2G)
64 MB 32 MB

Technische Details der S5L89xx SoCs[Bearbeiten]

S5L89xx S5L8900 S5L8920 S5L8922 S5L8930 S5L8940 S5L8942 S5L8945 S5L8947 S5L8950 S5L8955 S5L8960 S5L8965
Illustration S5L8900.jpg S5L8920.jpg S5L8922.jpg Samsung S5L8930.jpg Apple A5 Chip.jpg Apple-A5-APL2498.jpg Apple A5X Chip.jpg Apple-A5-APL7498.jpg Apple A6 Chip.jpg Apple A6X chip.jpg Apple A7 chip.jpg Apple A7 S5L9865 chip.jpg
Verkaufsbezeichnung keine keine keine Apple A4 Apple A5 Apple A5X Apple A5 Apple A6 Apple A6X Apple A7
Hauptprozessor CPU-Bezeichnung ARM 1176 ARM-Cortex-A8 ARM-Cortex A9 ARM v7-basiert (Swift) ARM v8-basiert (Cyclone)
Anzahl an Kernen 1 2 1 2
Befehlssatz ARM11 (32 Bit) ARMv7[A 1] (32 Bit) ARMv8[A 2] (64 Bit)
FSB 100 - 103 MHz 100 MHz 250 MHz 333 - 350 MHz (Schätzung)
Multiplikator 4x 6x 8x - 10x 4x
Taktfrequenz 400 - 412 MHz 600 MHz 800 - 1000 MHz 1000 MHz 1333 MHz 1400 MHz 1333 MHz 1400 MHz
Technologieknoten 90nm 65nm 45nm 32nm 45nm 32nm 28nm
Level 1 Cache 16KiB 32KiB 64KiB
Level 2 Cache N/A 256KiB[20] 512KiB[21] 1024KiB
Level 3 Cache N/A 4096KiB
Grafikprozessor GPU-Bezeichnung PowerVR MBX Lite PowerVR SGX535 PowerVR SGX543 PowerVR SGX554 PowerVR G6430
Anzahl an Grafikprozessoren 1 2 4 2 3 4
Grafik-Takfrequenz 60 MHz 150 MHz 200 MHz 266 MHz
Arbeitsspeicher 128 MB 256 MB 256 MB
(iPad, ATV 2G und iPod touch 4G)
512 MB
(iPhone 4)
512 MB 1024 MB 512 MB 1024 MB
  1. Ist zu ARM11 abwärtskompatibel.
  2. Ist zu ARM11 und ARMv7 abwärtskompatibel.

Trivia[Bearbeiten]

Bei der Präsentation des iPad 2 zeigte Steve Jobs ein Bild des Apple A5 SoCs. Dieses Bild war jedoch eine Fotomontage welche fälschlicherweise mit APL0398 bedruckt war, der Bezeichnung des Apple A4.[22]

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. CHIP - iPhone 4 gleiche CPU wie im Samsung Wave, abgerufen am 12. Januar 2014
  2. UBM TechInsights - UBM TechInsights verifies that the Samsung Wave S8500 features the same ARM core as the Apple iPad, abgerufen am 13. März 2014
  3. 9to5mac - Developers rip apart iPad iOS 4.3, find A5 processor == S5L8940, abgerufen am 12. Januar 2014, 01:05
  4. FreemyiPod.org - This is the last Nano that used a PortalPlayer processor before Apple started using Samsung., abgerufen am 11. Januar 2014, 21:00
  5. Fast Code Design: Apple's "Skankphone" Was The iPhone's Ugly Twin Brother, abgerufen am 27. Mai 2014
  6. Apple launches iPhone Web Apps Directory – InformationWeek, abgerufen am 24. September 2013.
  7. Imagination - PowerVR MBX, abgerufen am 12. Januar 2014, 00:02
  8. Forbes - Apple buys Chip Designer, abgerufen am 12. Januar 2014, 00:05
  9. maclife - Noch mehr Details zum Apple A4, abgerufen am 12. Januar 2014, 00:10
  10. Heise - Apple präsentiert das erwartete Tablet, abgerufen am 12. Januar 2014, 00:15
  11. PDA Gadget - Multiple A5 chips for iPad 2, abgerufen am 12. Januar 2014, 11:17
  12. Henirok - S5L8720, abgerufen am 12. Januar 2014, 11:25
  13. Qdesign - Apple A7, abgerufen am 12. Januar 2014, 11:27
  14. Jojhnjoy - S5L8701, abgerufen am 12. Januar 2014, 11:24
  15. Apple A4 Teardown
  16. iFixit - iPhone 4s Teardown: Oh hey, what's this? According to Chipworks, our German iPhone (marked in red) has Samsung DDR2 RAM, while the Aussie iPhone 4S (yellow) contains Elpida DDR2 RAM!, 11. März 2014
  17. PDADataBase - S5L8900, abgerufen am 12. Januar 2014
  18. Frank Riemenschneider: Nvidia stellt Tegra-4-Mobilprozessor vor http://www.elektroniknet.de/kommunikation/mobilfunk/artikel/93965/
  19. Hack2Learn - Apple hat vermutlich den Limera1n Eploit gepatched, abgerufen am 29. Dezember 2013, 11:20
  20. Find the best - Samsung S5PC100 Tech Specs, abgerufen am 1. April 2014
  21. Young Choi:Apple A4 vs. SEC S5PC110A01, abgerufen am 1. April 2014
  22. 9to5mac, abgerufen am 12. Januar 2014, 14:25