Der A4-Mikrochip von Apple ist das Gehirn des iPad.

Der A4 ist ein ARM-Prozessor, der durch Package-on-Package-Bauweise die Geschwindigkeit und Effizienz interner Abläufe verbessert.

Der Siebdruck auf dem A4 lautet N26CGM0T APL0398 339S0084 YNL215X0. Aber das ist wenig interessant – diese Zahlen bedeuten auch uns nicht viel. Schauen wir mal, was wir im Inneren finden.

Als das ursprüngliche iPhone auf den Markt kam, haben wir mit einigen Freunden im Silicon Valley zusammengearbeitet, um den Prozessor zu zerlegen. Die Ausrüstung, die wir damals benutzt haben, war bei Weitem nicht so hochmodern wie das, was Chipworks zur Verfügung hat, aber sie hat ihren Zweck erfüllt.

Das hier ist ein Silizium-Wafer. Jedes kleine Quadrat ist ein Chip, der als Die bezeichnet wird. Das Prozessor-Die im A4 ist 7,3 mm lang und breit, was einer Gesamtfläche von 53 Quadratmillimetern entspricht. Der Prozentsatz funktionierender Dies, die man aus einem solchen Wafer gewinnen kann, wird als Yield (Ausbeute) bezeichnet.

Der A4 ist eigentlich viel mehr als nur ein Prozessor – er ist ein Package-on-Package, kurz PoP. Tatsächlich befinden sich drei Silizium-Dies im Inneren des A4!

Unser glanzvoller Anführer bei der Vorbereitung auf den Zutritt zu einem Reinraum, um am originalen iPhone eine Silizium-Operation durchzuführen.

Du musst zuerst den Prozessor von der Leiterplatte entfernen, bevor du ihn zerlegst.

Es gibt nur zwei Wege, einen Prozessor von einer Leiterplatte zu entfernen: rohe Gewalt und extreme Hitze. Rate mal, für welchen Weg wir uns entschieden haben?

Als Nächstes schneide den Prozessor in zwei Hälften, um ein Querschnittsfoto zu machen.

Bandsägen sind hierfür viel zu grob, daher schleifen wir uns langsam durch den Prozessor und tragen bei jedem Durchgang nur sehr geringe Materialmengen ab.

Du kannst sehen, warum es schwierig sein kann, ein klares, stabiles Foto vom Querschnitt eines Gehäuses zu machen. Der Prozessor ist eines der größeren Bauteile im iPhone und dennoch sehr heikel in der Handhabung. Stell dir vor, du müsstest das mit einem Gehäuse versuchen, das nur ein Zehntel so groß ist.

Was genau ist also ein Package? Du schaust gerade auf eines.

Dies ist ein Querschnitt des ARM-Prozessors samt Arbeitsspeicher (RAM) des iPhone. Klicke hier, um es in voller 2854x313-Pracht zu sehen.

Der Prozessor selbst ist das Rechteck in der Mitte. Die silbernen Kreise darunter sind Lotkugeln.

Die beiden Rechtecke über dem Prozessor sind die RAM-Dies. Sie sind gegeneinander versetzt, um Platz für die Drahtbondierungen zu schaffen, die auf dieser Aufnahme nicht zu sehen sind.

Dass der Arbeitsspeicher so nah am Prozessor sitzt, reduziert die Latenz – wodurch der Zugriff schneller wird – und senkt den Stromverbrauch, was die Akkulaufzeit verlängert.

Das ist die Werkbank unserer Freunde. Wir sind außerdem große Fans von Weller.

Das sind die Arten von Werkzeug, die MacGyver stolz machen würden... Obwohl wir vermuten, dass er nur eine Büroklammer und zwei Streifen Klebeband bräuchte, um den Prozessor zu zerlegen.

Dies ist ein typischer Reinraum. Ganz normale Menschen – Menschen, die vielleicht sogar in denselben Supermärkten einkaufen wie du – ziehen sich jeden Tag einen Schutzanzug an und arbeiten in solchen Räumen. Es ist absolut zwingend erforderlich, Staub, Flusen und Haare von der Arbeit fernzuhalten.

Die Werkzeuge des Handwerks:

Rasterelektronenmikroskope

Hochauflösende Röntgengeräte

Wirklich große Lupen und Mikroskope

Eine Reihe weiterer Geräte, die du vielleicht in Qs Labor finden würdest

Wenn nur alle Sicherheitsverstöße so einfach zu beheben wären!

Chipworks hat seinen Sitz in Ottawa, Ontario. Dort wird es so kalt, dass Autoreifen tatsächlich Risse bekommen können, wenn man nicht aufpasst.

Die Ausrüstung bei Chipworks unterscheidet sich grundlegend von dem, was man in den meisten Halbleiter-Fertigungsanlagen findet. Jede einzelne Maschine dort hat nur ein einziges Ziel: herauszufinden, was in den neuesten Chips steckt.

Mikroskopische Analysen, sowohl optisch als auch per REM. Beides gehört definitiv nicht zur typischen Laborausstattung eines Community College.

Präzision ist in diesem Geschäft wichtig, und Chipworks ist für seine hohe Genauigkeit bekannt.

Ein Rasterelektronenmikroskop (REM) im Einsatz. Dies ist nur einer der vielen Tricks, die Chipworks auf Lager hat. Das REM kann hunderte Male mehr Details erkennen als ein optisches Mikroskop.

Abschleifen eines Gehäuses. Es ist extrem wichtig, das Bauteil beim Schleifen waagerecht zu halten.

Dieser Prozess ist unglaublich mühsam. Es ist eine wahre Kunst, beim Schleifen für das Foto genau die richtige Stelle zu treffen und dabei die Oberfläche perfekt eben zu halten.

Wir (bei iFixit) sind darin schrecklich. Deshalb haben wir unser iPad an Chipworks geschickt.

Der nächste Schritt ist das Entfernen der äußeren Verpackung.

Teezeit? Nein, nur Zeit für ein schönes Säurebad.

Das Eintauchen des Prozessors in Säure löst die Keramikverpackung auf, die das Silizium umschließt. Die Verwendung der richtigen Säurekonzentration für die Art der Keramikverpackung ist entscheidend.

Hin und wieder bringt der Blick auf einen Die eine hübsche Überraschung zum Vorschein, die von den Herstellern versteckt wurde. Leider wurde Milhouse nicht im iPad gefunden. Aber er wurde kürzlich in einem Chip von Silicon Image entdeckt!

So, jetzt weißt du, wie wir es gemacht haben. Aber wie sieht das Innere des A4 aus?

Fotos der Ober- und Unterseite des A4-Gehäuses.

Die winzigen Punkte, die du auf der Unterseite siehst, sind Lotkugeln, die den Prozessor mit dem Logic Board verbinden. Sie übertragen sämtliche Strom-, Erdungs- und Informationssignale zwischen dem Prozessor und dem Board.

Bevor sie ihn zerlegten, machten Chipworks eine Röntgenaufnahme des A4-Prozessors, um ein Gefühl für das interne Layout zu bekommen.

Wenn man genau hinsieht, erkennt man Hunderte von fadenartigen Verbindungen (Bonddrähte), die elektronische Signale zwischen den Dies übertragen.

Der A4 besteht aus drei Schichten: zwei Schichten RAM (Samsung K4X1G323PE) und einer Schicht, die den eigentlichen Mikrochip enthält.

Diese Package-on-Package-Bauweise gibt Apple die Flexibilität, den RAM von jedem beliebigen Hersteller zu beziehen – sie sind nicht auf Samsung festgelegt.

Hier sind zwei seitliche Röntgenaufnahmen des A4-Prozessors.

Die dunklen Punkte entlang der Innenseite des Prozessors sind Lotkugeln, die die Dies miteinander verbinden. Diese werden in der Industrie als Ball Grid Arrays (oder BGAs) bezeichnet.

Diese Bilder wurden an zwei verschiedenen Brennpunkten über die Breite des Prozessors aufgenommen. Da es sich um Schnappschüsse handelt, entschuldigen wir uns für die leichte Unschärfe.

Der DRAM im A4 wird von Samsung hergestellt, daher führen Drahtbondverbindungen von beiden Seiten hinein – im Gegensatz zu anderen DRAM-Modulen, die Chipworks bei anderen Herstellern gesehen hat.

Dies ist ein 8-lagiger Halbleiter-Die.

Jeder iPhone-Prozessor, den wir bisher seziert haben, trug eine Samsung-Teilenummer auf dem Prozessor-Die. Wir haben keine Samsung-Kennzeichnungen auf dem A4 gefunden (außer beim DRAM), was vielleicht das bisher deutlichste Zeichen dafür ist, dass Apple die volle Kontrolle über das Halbleiter-Design hat.

Wir erwarten nicht, irgendwelche Kennzeichnungen von PA Semi zu finden, Apples jüngster Übernahme, aber man kann mit Sicherheit davon ausgehen, dass sie bei der Entwicklung dieses Gehäuses eine wichtige Rolle gespielt haben.

Das ist das SDRAM im Inneren des A4. Ja, das ist ein Samsung-Logo. Nein, das bedeutet nicht, dass Samsung den A4 entworfen hat – nur den Arbeitsspeicher (RAM).

Samsung 1-Gb-Mobile-DDR-SDRAM (x2)

Die Teilenummer auf jedem Die lautet K4X1G323PE.

Entschlüsseln dieser Teilenummer zeigt, dass 2 Gb Speicher vorhanden sind. Dies entspricht ca. 128 MB Speicher pro Die, also insgesamt 256 MB.

Nachdem wir nun das Innere gesehen haben: Was lässt sich daraus schließen?

Es gibt hier nichts sonderlich Revolutionäres. Tatsächlich ist der A4 dem von Apple im iPhone verwendeten Samsung-Prozessor recht ähnlich.

Sowohl die Hardware als auch die Software machen deutlich, dass es sich um einen Single-Core-Prozessor handelt. Es muss also der ARM Cortex A8 sein und nicht der gemunkelte Multi-Core-A9.

Es ist ziemlich schwierig, die Logik auf Blockebene innerhalb eines Prozessors zu bestimmen. Um die GPU zu identifizieren, greifen wir daher auf Software zurück: Frühe Benchmarks zeigen eine ähnliche 3D-Leistung wie beim iPhone, daher vermuten wir, dass im iPad dieselbe PowerVR SGX 535 GPU verbaut ist.

Das iPad hat 256 MB RAM, genau wie das iPhone.

Der A4 ist sehr sparsam. Tatsächlich ist der Stromverbrauch wahrscheinlich der Grund, warum Apple die Leistung im Vergleich zum iPhone nicht wesentlich gesteigert hat. Um eine Akkulaufzeit von 10 Stunden zu erreichen, muss das gesamte iPad (einschließlich Display) im Durchschnitt weniger als 2,5 Watt verbrauchen.

Das war es zum A4. Werfen wir einen Blick auf einige der anderen Chips im iPad.

Kapazitiver Touchscreen-Controller.

Broadcom BCM5974

Broadcoms E/A-Mikrocontroller mit NVM (verwendet für den Touchscreen)

Broadcom BCM5973KFBGH HS0951P11 952280 B1

Apple 343S0446

Der Texas Instruments Touchscreen-Leitungstreiber.

CD3240A 01D5AKT G1

Broadcom 802.11a/b/g/n WLAN + Bluetooth 2.1 + EDR und FM.

Broadcom BCM4329XKUBG CD1004 P21

Cirrus-Logic-Bauteil – vermuteter Audioprozessor.

Apple 338S0589 B0 YFSAB0PY1001

Verdacht auf Power Management.

S6T2MLC N2266XQT U1003 A1

Mux-/Demux-Bauteil für DisplayPort- und PCIe-Verbindungen.

NXP L0614 01 37 ZSD950

Display.

LG SW0627B 01SWL-0032C 1003 N23977ON

Apple 338S0805 A2 e1 10028HBB

Beschleunigungssensor (bestätigt durch Chip-Markierungen des ASIC- und MEMS-Bauteils) – STM-LIS331DLH.

STMicroelectronics 2949 33DH OK2 CL

DC-DC-Regler

Linear Technologies 3442 N7667 LT9L

Intersil i976 45AIRZ F95OHX

Das ist alles, was wir bis jetzt haben. Wir werden weitere Fotos hinzufügen, sobald Chipworks mehr veröffentlicht.

Wir möchten unseren Freunden von Chipworks für ihre außergewöhnliche Arbeit danken.

Vergiss nicht, einen Blick auf unsere iPad-Teardown-Anleitung für eine vollständige Demontage zu werfen.