Huawei Kirin & HiSilicon

Alle Kirin-SoCs & HiSilicon-Modems mit 5G im Überblick

Der chinesische Konzern Huawei ist sehr breit aufgestellt. Neben der Tätigkeit als Mobilfunkausrüster, in deren Funktion das Unternehmen auf Initiative der USA seit 2019 in keinem sonderlich rosigen Licht steht, verkauft das Unternehmen auch seit vielen Jahren eigene Smartphones.



Die wiederum werden überwiegend von konzerneigenen SoCs angetrieben, die von der 1991 gegründeten Tochtergesellschafft HiSilicon entwickelt und produziert werden. Wir geben einen Überblick über die aktuellen Chipsätze, die den neuen Mobilfunkstandard 5G unterstützen.

Kurzer Blick auf die Geschichte

Bevor wir uns der jüngeren Vergangenheit und Gegenwart mit den ersten SoCs mit 5G widmen, wollen wir einen kurzen Blick auf die Entwicklung von HiSilicon und deren Chips werfen. Der erste SoC für mobile Endgeräte von Huawei war im Jahr 2009 der K3V1. Dieser unterstützte allerdings noch kein LTE. Die Unterstützung des 4G-Mobilfunkstandards folgte erst später im Laufe der verschiedenen Kirin-Generationen. Anfangs konnten die Produkte aber noch nicht ganz mit denen der etablierten Konkurrenz mithalten. Diesen Rückstand hat HiSilicon aber im Laufe der Jahre weitgehend aufgeholt, sodass die aktuellen Kirin-SoCs mit der Konkurrenz von Qualcomm und Samsung mithalten können.

Die HiSilicon-SoCs mit 5G-Unterstützung

Bisher hat HiSilicon nur einen einzigen SoC im Portfolio, der ein 5G-Modem integriert hat und somit den neuen Mobilfunkstandard ohne zusätzliche Modems unterstützt.

Kirin 980 (Sonderfall)

Den Kirin 980 hat Huawei mit dem Titel “The Ultimate Power of Mobile AI” im Sommer 2018 auf der IFA eingeführt. Es war damals der erste SoC weltweit, der mit dem 7-nm-Fertigungsverfahren von Taiwan Semiconductor Manufacturer Company (TSMC) hergestellt wurde. Diese Technik ermöglichte es HiSilicon, dass beim Kirin 980 6,9 Milliarden Transistoren auf einer „Die“-Größe von 1 cm² unterkommen. Dies sind 1,6-mal mehr als bei der Vorgängergeneration Kirin 970. Das hat unter anderem eine um 20 Prozent verbesserte SoC-Leistung sowie eine um 40 Prozent verbesserte SoC-Effizienz zur Folge.

Der Kirin 980 besteht aus acht Prozessorkernen, die in drei Cluster aufgeteilt sind. Für anspruchsvolle Aufgaben sind zwei Cortex-A76 Kerne mit einer Taktrate von bis zu 2,6 GHz zuständig. Zwei weitere Cortex-A76 Kerne sind mit bis zu 1,92 GHz getaktet. Dazu kommen noch vier stromsparende Cortex-A53 mit bis zu 1,8 GHz Taktrate. Dank dem Flex-Scheduling-Intelligenzmechanismus kann sich die CPU so Szenarien mit hoher, mittlerer und geringer Last anpassen und laut Herstellerangaben immer die ideale Mischung aus Leistung und Energieeffizienz bereitstellen.

Für die Grafik ist die Mali-G76 MP10 GPU zuständig. Angeschlossener LPDDR4X-Speicher kann mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2.133 MHz arbeiten. Zudem sind zwei NPU-Kerne für KI-Szenarien wie Gesichtserkennung, Objekterkennung, Objektdetektion, Bildsegmentierung und intelligente Übersetzung verbaut. Auch ein proprietärer ISP (Image Signal Processor) der vierten Generation ist integriert, der mit einer 46-prozentigen Verbesserung des Datendurchsatzes im Vergleich zum Vorgänger aufwartet.

Im Kirin 980 selbst ist kein 5G-Modem verbaut. Der SoC kann aber mit einem externen 5G-Modem (z. B. dem Balong 5000) kombiniert werden, wie es z. B. im Huawei Mate 20X 5G der Fall ist. Dann sind auch Verbindungen über den neuen Mobilfunkstandard 5G möglich. Von Hause aus unterstützt der SoC nur LTE (LTE Cat.21), wobei theoretisch ein Downlink mit bis zu 1,4 Gbit/s und ein Uplink mit bis zu 200 Mbit/s möglich ist.

Kirin 990 5G

Der Kirin 990 5G ist die 5G-Version des LTE-SoCs Kirin 990. Er war der erste SoC für Smartphones weltweit, der ein integriertes 5G-Modem aufwies. Hierbei handelt es sich um das Balong 5000 5G-Modem (siehe unten), das allerdings nur im Sub-6-GHz-Bereich funkt, also nicht die mmWave-Frequenzen unterstützt. Es ist somit kein vollständiger 5G-Funktionsumfang geboten. Somit ist klar, dass dieser SoC vor allem für Asien und Europa gedacht ist, wo derzeit nahezu ausschließlich der Sub-6-GHz-Bereich genutzt wird. In den USA kommt hingegen auch mmWave zum Einsatz. Später könnte dies auch in Europa zumindest in Städte der Fall sein.

Der Kirin 990 5G kann LTE- und 5G-Träger bündeln, um bei dem noch sehr fleckenhaften 5G-Ausbau stabile Bandbreiten zu garantieren. Er versteht sich mit Stanalone-5G (SA) als auch Non-Standalone-5G (NSA), unterstützt zudem TDD und FDD. Zudem kann der SoC mit zwei SIM-Karten umgehen (Dual-SIM). Allerdings kann von diesen nur eine 5G nutzen. 2G und 3G werden neben 4G und 5G selbstverständlich ebenfalls abgedeckt.

Im Download über das 5G-Netz ermöglicht der Kirin 990 5G maximal 2,3 GBit/s. Beim Upload ist die Geschwindigkeit auf maximal 1,25 GBit/s begrenzt. Damit schöpft die SoC die Möglichkeiten von 5G nicht vollends aus. Für die aktuell verfügbaren 5G-Netze in Deutschland reichen diese Werte aber absolut aus, da diese ohnehin noch nicht so hohe Bandbreiten unterstützen.

Ansonsten gleicht die Ausstattung weitgehend der 4G-Version Kirin 990, die beide im 7-nm-EUV-Verfahren von TSMC hergestellt werden. Der Kirin 990 5G soll laut Herstellerangaben überhaupt der erste Flaggschiff-SoC seiner Art mit dem innovativen 7nm + EUV-Herstellungsprozess sein. Es kommen, wie heute üblich, acht CPU-Kerne nach dem Big/Middle/Little-Prinzip zum Einsatz. Der Octa-Core-SoC setzt hierbei auf Kerne von ARM. Aufgeteilt sind sie auf zwei Cortex-A76 mit bis zu 2,86 GHz Taktrate, zwei A76 mit bis zu 2,36 GHz und viermal der A55 mit bis zu 1,95 GHz. Der mittlere und der untere Block sind hierbei etwas schneller getaktet als beim Kirin 990 ohne 5G. Dort arbeiten sie nur mit 2,09 GHz und 1,86 GHz. 64 Bit wird natürlich unterstützt.

Als Grafikeinheit kommt eine Mali-G76 GPU mit 16 Cluster (MP16) und einer Taktrate von bis zu 700 MHz. Auch hier ist die 5G-Version des Kirin 990 etwas potenter. Zudem ergänzt ein Neural Prozessor mit zwei Kernen und als Neuheit einem dritten Mini-Kern für AI-Aufgaben die Ausstattung. Er soll die erste NPU sein, die mit der Da-Vinci-Architektur gefertigt wurde. Der neue Tiny-Core bietet eine solide Rechenleistung bei minimalem Stromverbrauch. Der NPU ist laut Huawei noch einmal deutlich leistungsfähiger als vorherige Generationen. Im Vergleich zum Kirin 970, dem damals ersten HiSilicon-SoC mit KI-Coprozessor, soll die Leistungsfähigkeit rund dreimal so hoch sein.



Ebenfalls verbaut ist der ISP 5.0 (Image Signal Processor), welcher viele Verbesserungen erhalten hat. Er weist eine um 15 Prozent höhere Bandbreite bei gleichzeitig um 15 Prozent gestiegener Effizienz auf. Die Optimierungen sollen laut Hersteller vor allem in den Bereichen Block Matching, 3D-Filterung (BM3D) sowie der Dual-Domain-Rauschunterdrückung bei Fotos (30 Prozent weniger) und Videos (20 Prozent) liegen. So soll der Chip auch bei schlechten Lichtverhältnissen bessere und schärfere Fotos und Videos machen.

Insgesamt hat der Kirin 990 mit und ohne 5G viele Verbesserungen hinsichtlich Rechenleistung, Energieverbrauch, KI und Foto im Vergleich zum Vorgänger Kirin 980 bekommen. Allerdings bietet er weder WiFi, Bluetooth noch GPS. Leistungstechnisch liegt er zwischen dem Snapdragon 855+ und dem Snapdragon 865 von Qualcomm. An die Leistungen des A12 von Apple kommt er nicht ganz heran.

Kirin 9000

Zusammen mit den neuen Smartphone-Flaggschiffen der Mate 40-Reihe hat Huawei auch seinen neuen Top-SoC Kirin 9000 vorgestellt. Es ist der erste Chip der HiSilicon-Tochter, der im 5-nm-Herstellungsverfahren mit extrem ultravioletter Belichtung hergestellt wird. Er weist 15,3 Milliarden Transistoren auf. Die Fertigung hat noch TSMC übernommen, die aufgrund des Handelsembargos der USA nicht weiter für Huawei fertigen dürfen.

Anders als z. B. dem Kirin 990, setzt man beim neuen Kirin 9000 auf ein 1+3+4-Design. Der Prime-Core ist ein Cortex-A77 mit 3,13 GHz, damit in der Spitze sogar noch etwas schneller getaktet als der Snapdragon 865+ von Qualcomm. Dazu kommen drei Cortex-A77 mit einer Taktrate von bis zu 2,54 GHz sowie vier Efficiency-Kerne vom Typ Cortex-A55 mit bis zu 2,04 GHz Arbeitstakt. Auch die verwendete GPU Mali-G878-MP24 bietet durch die maximale Anzahl an Shader-Clustern (24 Kerne) mehr Performance.

Als Speicher wird neben dem älteren LPDDR4X- auch der neue und schnellere LPDDR5-RAM unterstützt. Ebenso die NPU, die im 2+1-Design aus zwei großen und einem kleinen Kern besteht, arbeitet schneller und wurde unter anderem für das Inferencing beschleunigt. Zur weiteren Ausstattung zählen eine Secure-Enclave für schützenswerte Informationen, einen Controller für UFS (Universal Flash Storage) sowie diverse IP-Blöcke für Fotos, Videos und Audio.

Natürlich wieder an Bord ist ein 5G-Modem. Hier setzt Huawei weiterhin auf das Balong 5000. Es unterstützt nur Sub-6-GHz und kein mmWave, bietet aber reichlich Performance. Dank 200 MHz Kanalbündelung, sind laut Hersteller bis zu 4,6 Gbit/s im Download möglich. Das ist doppelt so schnell wie zuvor. Der Upload soll sogar fünfmal schneller möglich sein, wobei Huawei hier noch keine konkreten Daten nennt.

Neben dem Kirin 9000, der unter anderem im Huawei Mate 40 Pro zum Einsatz kommt, hat der Konzern auch den Kirin 9000E vorgestellt. Dies ist eine leicht abgespeckte Version, die auf eine etwas langsamere Mali-G78-MP22 GPU sowie eine weniger leistungsstarke NPU im 1+1-Design setzt.

Kirin 820 5G

Ende März 2020 hat Huawei den neuen Kirin 820 vorgestellt. Es handelt sich hierbei um den Nachfolger des Kirin 810, also einen SoC für Smartphones der gehobenen Mittelklasse. Im Vergleich zum Vorgänger hat HiSilicon wieder eine Reihe von Verbesserungen vorgenommen. Neben den Performance-Gewinnen ist die wichtigste Neuerung, dass der Kirin 820 nun, wie auch der Top-SoC Kirin 990, ein 5G-Modem auf dem Chip verbaut hat. Dieses unterstützt unter anderem SA/NSA 5G und dürfte zusammen mit dem Snapdragon 765 von Konkurrent Qualcomm seinen Teil dazu beitragen, dass der neue Mobilfunkstandard auch in immer mehr Smartphones der Mittelklasse Einzug halten wird.

Das erste Gerät, das den Kirin 820 enthält, ist das Honor 30S, das zusammen mit dem neuen SoC präsentiert wurde. Zudem unterstützt das Modem des Kirin 820 auch 2G, 3G und 4G. Wie es sich für eine neue SoC-Generation gehört, bietet der Kirin 820 viele weitere Verbesserungen gegenüber dem Vormodell Kirin 810, die vor allem die Performance betreffen. Er wird wie der Kirin 990 im 7-nm-Node-Verfahren gefertigt und bietet eine Octa-Core-CPU. Der am höchsten getaktete Cortex-A76-Core mit 2,36 GHz ist für besonders rechenintensive Aufgaben gedacht. Dazu kommen drei weitere Cortex A-76-Kerne, die mit 2,22 GHz getaktet sind.

Für den energiesparsamen Betrieb setzt Huawei zudem in einem weiteren Cluster auf vier Cortex A-55-Kerne mit jeweils 1,84 GHz Taktrate. Der Hersteller spricht davon, dass die Performance der CPU-Kerne im Vergleich zum Kirin 810 um ca. 27 Prozent zugelegt hat. Mit rund 38 Prozent noch mehr Leistungszuwachs weist die GPU auf. Zum Einsatz kommt der Mali-G57-Chip MP6 mit 6 Kernen. Unter anderem unterstützt er GPU Turbo and Kirin Gaming+ 2.0. Die NPU für KI-Aufgaben konnte sogar um 73 Prozent zulegen und ist damit annähernd doppelt so potent wie beim Kirin 810. Für die Bildbearbeitung ist der ISP 5.0 zuständig. Er ermöglicht unter anderem 4K-Videos mit 60 Bildern pro Sekunde (fps) und sorgt laut Herstellerangaben unter anderem für eine bessere Ausleuchtung und Rauschunterdrückung bei Fotos und Videos.

Die HiSilicon-Modems mit 5G-Unterstützung

Die Mobilfunkmodems, die außerhalb der SoCs von HiSilicon angeboten werden, tragen den Namen Balong. Hier gibt es bislang zwei Modelle, die 5G unterstützen und als externes Modem in Kombination mit verschiedenen SoCs eingesetzt werden können. Auch hier folgt ein Überblick über die Eigenschaften und Merkmale.

Balong 5G01

Das Balong 5G01 ist der erste kommerzielle Chipsatz, der den 3GPP Rel.15 Standard für 5G unterstützt hat. Die maximale Downloadgeschwindigkeit des 5G-Models liegt bei 2,3 Gbit/s. Der Chip unterstützt alle 5G-Bänder inklusive dem Sub-6-GHz- und dem mmWave-Bereich sowie 5G SA und NSA. Somit ist er für viele Zwecke und in vielen Bereichen einsetzbar.

Balong 5000

Das Balong 5000 ist ein Multi-Mode-Modem von HiSilicon, das auf einem einzigen Chip neben 5G auch mit 2G, 3G und 4G funkt. Es deckt sowohl den Bereich Sub-6-GHz (100MHz x 2CC CA) als auch mmWave sowie FDD und TDD ab. Laut HiSilicon, war das Balong 5000 zudem das erste 5G-Modem für Smartphones & Router, das sowohl Standalone-5G als auch Non-Stanadlone-5G unterstützt. Als Beispiel sei hier der Huawei CPE 5G Router genannt, sowie der praktisch baugleiche (alte) Gigacube 5G von Vodafone.

Im Sub-6-GHz-Bereich erreicht das Balong 5000 eine maximale Downloadrate von 4,6 Gbit/s, was deutlich höher liegt als bei vielen anderen konkurrierenden Produkten. Funkt es im Bereich mmWave, sind Geschwindigkeiten von bis zu 6,5 Gbit/s im Downloadlink möglich. Der Uplink liegt bei 2,5 Gbit/ (Sub-6-GHz) bzw. 3,5 GHz (mmWave). Bei Kombination mit LTE (NR+LTE) sind sogar bis zu 7,5 Gbit/s im Downloadlink möglich – in der Theorie wohlgemerkt.

Erhältlich ist der Balong 5000 in verschiedenen Ausführungen. 2019 wurde er als H112-370 und H112-372 im Huawei 5G CPE verbaut. In beiden Versionen unterstützt das integrierte 5G-Modem Downloads mit bis zu 1,65 Gbit/s und Uploads mit bis zu 250 Mbit/s via 5G. Der H112-370 funkt aber nur auf dem 5G-Band n78, während der H112-372 n41/n77/n78/n79 unterstützt.

2020 ist mit dem H122-373 für den neuen Nachfolger Huawei 5G CPE Pro 2 (respektive Gigacube 5G Version 2) noch eine weitere Version herausgekommen. Mit ihr sind per 5G bis zu 3,6 Gbit/s im Download und 250 Mbit/s im Upload möglich. Auch bei den unterstützten Bändern ist der Chip breiter aufgestellt (n1/n3/n5/n7/n28/n38/n40 (2300 – 2390 MHz)/n41/n77/n78/n79/n80/n84). Hinsichtlich des LTE-Supports unterscheiden sich die drei verfügbaren Ausführungen hingegen nicht.