iPhone 12 und iPhone 12 Pro im Test: A14 Bionic mit 11,8 Mrd. Transistoren aus 5-nm-Fertigung

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Nicolas La Rocco
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Für die Verarbeitung der neuen Dolby-Vision-Aufnahmen ist bei der gesamten iPhone-12-Familie ein neues System on a Chip aus eigener Entwicklung von Apple zuständig. A14 Bionic heißt der neue Chip, den Apple im 5-nm-Verfahren bei TSMC fertigen lässt. Apple ist damit der erste Anbieter eines entsprechend gefertigten Prozessors, kurze Zeit später folge jedoch HiSilicon mit dem Kirin 9000 im Huawei Mate 40 Pro.

A14 Bionic aus 5-nm-Fertigung
A14 Bionic aus 5-nm-Fertigung (Bild: Apple)

4 GB oder 6 GB LPDDR4X-Arbeitsspeicher

Je nach Modell stehen dem Chip 4 GB (iPhone 12) oder 6 GB RAM (iPhone 12 Pro) zur Seite. Interessanterweise setzt Apple weiterhin auf LPDDR4X, wie der Teardown beider neuen Smartphones durch iFixit ergeben hat. Konkret setzt das Unternehmen auf LPDDDRX-4266 von Micron, unter Umständen gibt es aber auch noch weitere Zulieferer. Im Android-Umfeld hat sich bei High-End-Smartphones LPDDR5 etabliert, wobei Qualcomm im Snapdragon 865 (Plus) zwei Speicherinterfaces zur Verfügung stellt. OnePlus verbaut zum Beispiel im OnePlus 8 Pro LPDDR5 und im OnePlus 8T LPDDR4X. Der Samsung Exynos 990 kann ausschließlich an LPDDR5 angebunden werden, der HiSilicon Kirin 9000 bietet hingegen Speicherinterfaces für beide Standards.

Geekbench bestätigt 6 GB RAM für das iPhone 12 Pro
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CPU nutzt Firestorm-Kerne mit 3 GHz

Apples A14 Bionic zählt 11,8 Milliarden Transistoren und somit 3,3 Milliarden oder 39 Prozent mehr als der A13 Bionic, der in der iPhone-11-Familie und dem iPhone SE der zweiten Generation zum Einsatz kommt. Im Bereich der CPU setzt Apple erneut auf ein Hexa-Core-Design, das sich in zwei Performance-Kerne des Typs Firestorm und vier besonders energieeffiziente Kerne des Typs Icestorm unterteilt. Die Taktraten des Chips legt der Konzern nicht offen, mit Tools wie „CPU DasherX“ lässt sich aber zumindest für die Firestorm-Kerne auslesen, dass diese mit bis zu 3 GHz takten dürfen. Das sind rund 350 MHz mehr, als die zwei Lightning-Kerne im A13 Bionic erreichen durften. Apple gibt an, dass die CPU 50 Prozent schneller sei als jede andere in einem Smartphone-Chip, der nicht von dem Unternehmen stammt.

Aufseiten der Caches hat Apple beim L1i mit 192 KB um 50 Prozent nachgelegt, der L1d fällt mit 128 KB so groß wie im Vorjahr aus. Auch den L2-Cache hat Apple im Direktvergleich von A13 Bionic zu A14 Bionic mit 8 MB beibehalten. Einen klassischen L3-Cache hat die CPU nicht, stattdessen gibt es einen 16 MB großen Last Level Cache (LLC) für alle Blöcke.

Quad-Core-GPU aus eigener Entwicklung

Eine neue GPU hat Apple für den A14 Bionic ebenfalls entworfen, wobei sich der Konzern in diesem Punkt stets in Schweigen hüllt, welche spezifischen Merkmale das eigene Design aufweist. Bekannt ist wie die letzten Jahre lediglich, dass es sich um ein Quad-Core-Design handelt. Dass Apple auch bei den eigenen Custom-Designs noch in irgendeiner Form auf geistiges Eigentum des ehemaligen Zulieferers Imagination Technologies zurückgreift, zeigt die Bekanntgabe der Briten vom Januar dieses Jahres, als ein mehrjähriges Lizenzabkommen mit Apple bekannt gegeben wurde. Apple setzt seit dem A11 Bionic des iPhone 8 und iPhone X auf ein eigenes GPU-Design. Im neuen A14 Bionic soll die GPU ebenfalls 50 Prozent schneller sein als jeder andere, nicht von dem Hersteller gefertigte Smartphone-Chip.

Leistung der Neural Engine beinahe verdoppelt

In welchen Bereichen der Chips das Plus an Transistoren zum Tragen kommt, lässt sich nicht bestimmen und stellenweise höchstens vermuten. So bietet zum Beispiel die Neural Engine zur schnelleren Bereitstellung künstlicher Intelligenz nun 16 Kerne, nachdem es vorher maximal 8 Kerne waren. Die Rechenleistung steigt dadurch von 6 TOPS auf beachtliche 11 TOPS. Bei der Neural Engine ist davon auszugehen, dass das neue Design deutlich in der Breite zugelegt hat und für einen Teil des Zuwachses der Transistoren verantwortlich ist.

A14 Bionic im Benchmark

Die Leistungsangaben direkt von Apple haben sich bisher stets auf Chips anderer Hersteller bezogen, wobei Apple niemanden beim Namen genannt hat. Zur Vorstellung des neuen iPad Air wurde der Chip nur mit dem A12 Bionic verglichen, der im vorherigen iPad Air zum Einsatz kam. Gegenüber diesem SoC soll die CPU-Leistung um 40 Prozent und die GPU-Leistung um 30 Prozent zugelegt haben. Vergleiche mit dem direkten Vorgänger A13 Bionic hat Apple bisher aber vermieden. Eigene Benchmarks mit dem A14 Bionic zeigen jedoch dessen Fortschritte auf.

Der A14 Bionic landet im Single-Core-Benchmark des Geekbench 5.1 rund 20 Prozent vor dem A13 Bionic, wobei in der Spitze für die Firestorm-Kerne auch das Plus von 13 Prozent beim Maximaltakt beachtet werden muss. Wenn Apple behauptet, der A14 Bionic sei 50 Prozent schneller als die Chips der Android-Konkurrenz, ist damit wahrscheinlich die Single-Core-Leistung gemeint, die im Geekbench 5.1 rund 60 Prozent über der eines Snapdragon 865 Plus im Samsung Galaxy Z Fold 2 (Test) liegt. Denn in den Multi-Core-Tests fällt Apples Vorsprung geringer aus. Je nach Messung sind es rund 16 bis 20 Prozent gegenüber dem A13 Bionic und 1 bis 2 Prozentpunkte mehr gegenüber dem Snapdragon 865 und 865 Plus. Da Qualcomm mit einem Prime-Core bei 3,1 GHz, drei Performance- und vier Effizienzkernen arbeitet, ist der hier eher kleinere Vorteil für Apple nicht überraschend.

Im JetStream 2, einer Mischung aus JavaScript- und Web-Assembly-Benchmarks, landet der A14 Bionic maximal 13 Prozent vor dem A13 Bionic, gegenüber einem Snapdragon 865 Plus fällt die Leistung rund doppelt so hoch aus.

Neue GPU mit eher kleinem Zugewinn

Benchmarks mit Apples neuer GPU offenbaren einen eher bescheidenen Leistungszuwachs. Die Messwerte legen sogar nahe, dass der Hersteller vermutlich nur kleinere Optimierungen vorgenommen und eventuell auch hier primär an der Taktschraube gedreht hat, wenngleich sich diese Zahlen nicht auslesen lassen. Am grundsätzlichen Aufbau mit vier Kernen soll sich dem Datenblatt zufolge nichts verändert haben, vermutlich handelt es sich aber nicht um ein vollkommen neues GPU-Design.

Im GFXBench verzeichnet die neue Quad-Core-GPU Zuwächse, die häufig nur im einstelligen Bereich liegen. Im besonders aufwendigen Aztec Ruins mit der Offscreen-Auflösung 1440p sind es bis zu 7 Prozent gegenüber dem A13 Bionic im iPhone 11 Pro Max. Apple lehnt sich allerdings nicht zu weit aus dem Fenster, wenn das Unternehmen behauptet, 50 Prozent mehr GPU-Leistung als die Android-Konkurrenz zu bieten. Der Vorsprung zur übertakteten Adreno 650 im Snapdragon 865 Plus liegt in diesem Benchmark bei satten 55 Prozent, wobei die Vergleichbarkeit aufgrund der Nutzung von einmal Metal (iOS) und einmal Vulkan (Android) nicht ganz gegeben ist. Wird die Auflösung auf 1080p und die Detailstufe von „High“ auf „Normal“ reduziert, landet Apples neue GPU rund 10 Prozent vor dem A13 Bionic und diesmal bis zu 66 Prozent vor dem Snapdragon 865 Plus. Apples eher kleiner Vorsprung auf den Vorgänger aus eigenem Haus zieht sich wie ein roter Faden durch die weiteren Messungen im GFXBench, Qualcomm rückt aber etwas näher, wenn sich die Metal-API mit OpenGL ES 3.1 statt Vulkan messen muss. Apples Vorsprung bleibt allerdings bei mindestens 35 Prozent.

Im neuen 3DMark Wild Life landet der A14 Bionic ebenfalls an der Spitze und hält einen Vorsprung von rund 10 Prozent gegenüber dem A13 Bionic. Das nächstbeste Android-Smartphone ist das Galaxy Note 20 Ultra mit Exynos 990, der unter Verwendung der Vulkan-API weniger als halb so schnell arbeitet. Zugunsten von Android und vor allem Qualcomm dreht sich das Blatt erst im 3DMark Sling Shot Extreme Unlimited, der Metal unter iOS und OpenGL ES 3.1 unter Android verwendet. Hier hinterlassen Qualcomms Chips traditionell einen guten Eindruck, sodass der A14 Bionic nur leicht vor dem A13 Bionic und gut 20 Prozent hinter dem Snapdragon 865 Plus landet.

Stresstest offenbart Sprünge in der Leistung

Im Laufe der verschiedenen Benchmarks ist der Redaktion aufgefallen, dass die ermittelten Messwerte von Zeit zu Zeit einer gewissen Spreizung unterliegen. Allgemein betrachtet liegt die Leistung des A14 Bionic zwar auf einem sehr hohen Niveau und ohne Frage ist es der aktuell schnellste Chip für Smartphones, doch hin und wieder gab es Ausreißer bei den Messwerten, die für Stirnrunzeln sorgten. ComputerBase wollte deshalb wissen, wie es um die dauerhaft abrufbare Leistung des Chips („sustained performance“) bestellt und wann mit Einbrüchen unter Dauerlast zu rechnen ist.

Praktischerweise bietet der 3DMark Wild Life dafür einen Stresstest, der den Benchmark automatisiert 20 Mal hintereinander ausführt. Dieser neue Stresstest erweitert bei ComputerBase fortan den GFXBench-Stresstest mit seinen zwölf Durchläufen.

Dass Apple den A14 Bionic kurzzeitig mit sehr hohen Taktraten bei der CPU (3,01 GHz) und wahrscheinlich auch bei der GPU betreibt, wird im Stresstest mehr als deutlich. Die Spitzenleistung des Chips liegt in der Tat auf einem sehr hohen Niveau, Apple will die Taktraten aber möglichst schnell wieder nach unten schrauben, um die Effizienz des Chips zu wahren. Das muss der Konzern in diesem Jahr umso mehr, da mit der gesamten 5G-Technik ein weiterer Verbraucher an Bord ist, um den sich Apple die Jahre zuvor nicht kümmern musste.

Im 3DMark Wild Life steigt der A14 Bionic mit einer sehr hohen Spitzenleistung ein, nur um diese schon mit dem zweiten und dritten Durchgang nicht mehr halten zu können. Das iPhone 12 Pro fängt sich bei 77 Prozent der Ausgangsleistung, das normale iPhone 12 rutscht jedoch auf die Hälfte der ursprünglichen Leistung ab. Dazu muss allerdings gesagt werden, dass in mehreren Versuchen mal das iPhone 12 Pro und mal das iPhone 12 besser abgeschnitten hat. Die hier gewählte Darstellung für beide Geräte kann von Test zu Test auch exakt umgedreht ausfallen, sodass das iPhone 12 eher stabile Werte liefert und das iPhone 12 Pro massiv einbricht. Im Diagramm sind somit beide Szenarien abgebildet, die durchaus jedem Besitzer eines der beiden Smartphones passieren können.

Nachdem die Leistung des iPhone 12 im dritten Durchgang massiv einbricht, steigt sie sofort wieder und das sogar leicht über das Niveau des iPhone 12 Pro. Beide Smartphones verharren bei etwa Dreiviertel der ursprünglichen Leistung, bevor das iPhone 12 im 13. Durchgang noch einmal einen ähnlich tiefen Rutsch erlebt wie zu Beginn des Tests, nur um dann wieder sprunghaft auf das alte Niveau zurückzukehren. Beim iPhone 12 Pro passiert das zwar nicht, doch fehlen zum Ende auch hier 30 Prozent an Leistung.

Der Stresstest mit dem GFXBench verdeutlicht das durchaus sehr ähnliche Verhalten beider Smartphones. iPhone 12 Pro und iPhone 12 steigen mit rund 138 FPS in den Test ein, sacken dann radikal auf gerade einmal noch 88 FPS ab und erholen sich dann wieder auf knapp 120 FPS, bevor die Leistung im weiteren Verlauf des Tests weiter leicht zurückgeht und sich bei etwa 103 FPS einpendelt, was rund 75 Prozent der ursprünglichen Leistung entspricht.

Bei diesem Verhalten des Chips stellt sich natürlich die Frage, ob es zu negativen Begleiterscheinungen im Alltag kommt. Das kann glücklicherweise verneint werden, da die Leistung selbst bei der kurzen, aber durchaus intensiven Talfahrt weiterhin auf sehr hohem Niveau oberhalb jeglicher Android-Konkurrenz bleibt und Ruckler etwa in aufwendigen Spielen wie „Asphalt 9: Legends“ nicht festzustellen waren.

Der Spagat zwischen Leistung und Effizienz

Für leichtes Staunen sorgt das Verhalten des Chips dennoch, da es zeigt, dass Apple dieses Jahr mit dem Wechsel zur 5-nm-Fertigung gleich zwei Ziele verfolgen wollte, die sich nur schwer miteinander kombinieren lassen: sehr hohe Leistung und hohe Effizienz. Erstere erreicht Apple mit sehr hohen Taktraten, die aber eben nur kurzzeitig anliegen, damit die Effizienz nicht darunter leidet. Es wirkt ein wenig so, als müsste ein 300 km/h schnelles Auto punktuell eine Vollbremsung hinlegen, damit der Motor nicht überhitzt, nur um dann wieder (etwas weniger) Vollgas geben zu können. Apple hat den Vorteil, dass die Basis des Chips bereits so gut ist, dass selbst ein vergleichsweise starker Leistungseinbruch nicht den Spitzenplatz vor jeglichem Qualcomm-Chip riskiert. Über die letzten Jahre ist das Polster so groß geworden, dass Apple auch größere Einbrüche abfedern kann.

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