Wie ein Smartphone entsteht, in acht „einfachen“ Blöcken

By | May 9, 2022
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Das Smartphone repräsentiert eine der bedeutendsten Veränderungen in unserer Welt. In weniger als dreizehn Jahren haben wir von einigen Menschen, die ein dummes Telefon besitzen, dazu übergegangen, dass die Mehrheit der Welt ein Smartphone besitzt (~83,7 % im Jahr 2022, laut Statista). Es gibt sehr wenige Dinge, die ein größerer Prozentsatz der Menschen auf diesem Planeten hat. Kein sauberes Wasser, keine Unterkunft, nicht einmal Nahrung.

Wie funktioniert ein Smartphone? Die meisten Menschen haben keine Ahnung; Sie sind wahnsinnig komplizierte Geräte. Sie können sie jedoch in acht Untermodule zerlegen, von denen jedes nur komplex ist. Was sie funktioniert, ist, dass jede dieser Komponenten mit enormen Skaleneffekten klein gemacht werden kann und eng integriert ist, was eine einfache Montage ermöglicht.

Die grundlegenden acht Bausteine ​​des modernen Mobiltelefons sind also ohne weiteres: der Anwendungsprozessor, der Basisbandprozessor, eine SIM-Karte, der HF-Prozessor, Sensoren, ein Display, Kameras und Objektive sowie die Energieverwaltung. Werfen wir einen Blick auf sie alle und wie sie zusammenpassen.

Wenn Sie an Computer oder, im weiteren Sinne, Smartphone denken, denken Sie an eine einzige zusammenhängende Einheit, die das antreibt, was Ihr Smartphone tut. Doch selbst wenn man die universellen Multicore-Prozessoren außer Acht lässt, ist die Verarbeitung in Ihrem Telefon keine einzelne Stimme, sondern eine Kakophonie von Stimmen, die miteinander plaudern. Der Anwendungsprozessor (AP) ist das, was wir uns als dieses traditionelle Gehirn vorstellen. Es verfügt über eine große Multi-Core-CPU, die fast immer ARM-basiert ist.

Diese APs können Teil eines umfangreichen System-on-a-Chip (SoC) sein. Das SoC kann Speicher, die GPU, digitale Signalprozessoren, Bildverarbeitungseinheiten, das Modem (auf das wir später noch eingehen werden) und andere kleinere Dinge wie Videodecoder und KI-Engines enthalten.

Aber zurück zur CPU. Es führt das Betriebssystem Ihres Telefons aus und ist in erster Linie der Anführer bei den Entscheidungen Ihres Telefons. Heutzutage hat es oft große, leistungsstarke Kerne, die viel mehr Strom verbrauchen, und kleine Kerne, die viel weniger Energie verbrauchen. Dies wird normalerweise erreicht, indem die kleineren Kerne einzeln in der Reihenfolge verteilt werden, während die größeren Kerne massive multiskalare Kerne außerhalb der Reihenfolge sind. Wir könnten ziemlich viel Zeit damit verbringen, die verschiedenen Teile eines modernen Prozessors zu zerlegen, aber wir glauben, dass Sie besser lernen könnten, indem Sie Ihre eigene erstellen oder eine kaputte Simulation reparieren.

Der Basisbandprozessor (BP) ist ein vollständig separater Prozessor, mit dem der AP kommunizieren kann und der oft als Modem bezeichnet wird. Sogar das iPhone, das über einen eigenen benutzerdefinierten AP verfügt, verwendet einen Qualcomm- oder Intel-BP. Im Allgemeinen werden Wi-Fi-, Bluetooth- und andere funkartige Kommunikationen vom AP gehandhabt, und der BP konzentriert sich vollständig auf die zellulare Kommunikation. Sogar die Spezifikationen für das alte 3G-Protokoll sind lang und dicht, wobei jede Überarbeitung noch komplizierter wird. Komplexe Leistungsverstärker, Multiband-Multimode-Transceiver und andere Techniken tragen zu einer komplexen Schaltung bei.

Basisbandprozessoren haben ihre eigene Firmware und ihren eigenen Arbeitsspeicher, und die Codebasen sind undurchsichtige herstellerspezifische Binärdateien. Es gibt einen guten Vortrag über das Hacken eines alten 3G-USB-Modems. Tatsächlich hatten einige der Intel-Modems in einigen iPhone-Modellen x86-Prozessoren in sich. [Comsecuris] detailliert einen Pufferüberlauf, den sie in vielen iPhone-Modems gefunden haben und der einige hilfreiche Informationen über die interne Funktionsweise liefert.

Wir betrachten sie nur als Aufbewahrung, aber das kleine Stück Kunststoff mit Carrier-Marke und der Handvoll Goldkontakte enthält einen kleinen Chip. Es ist alles gemäß den Spezifikationen, aber die Interaktionen zwischen AP-, BP- und SIM-Karten sind ziemlich komplex geworden. SIM-Karten rücken ins Rampenlicht der Sicherheit, da sie drahtlos und mit wenig Kontrolle durch den Benutzer aktualisiert werden. Sie können mit dem BP sprechen, ohne dass der AP es weiß. Können Sie sich vorstellen, dass Ihr Telefon jemanden anruft oder ihm eine SMS sendet, und der einzige Weg, wie Sie das wissen würden, wäre, Ihre Telefonaufzeichnungen zu prüfen? Ihr Telefon tut dies bereits. Wir bewegen uns langsam weg von SIM und hin zu eSIM, aber das ist für die meisten von uns noch ein weiter Weg.

Sensoren machen Ihr Telefon viel besser auf seine Umgebung aufmerksam. Kameras, GPS, Mikrofone, Abstandssensoren, Näherungssensoren, Gyroskope, Beschleunigungsmesser, Höhenmesser, Magnetometer, LIDAR, Fingerabdrucksensoren, Radarsensoren, Umgebungslichtpegelsensoren und Drucksensoren sind alles gängige Ergänzungen, die unsere Smartphones schmücken.

Die Menge der eingehenden Daten kann wirklich erstaunlich sein. Viele dieser Sensoren verfügen über einen eigenen Mikroprozessor, um die Last zu bewältigen und dem AP eine zusammenhängendere Ansicht zu bieten. Tatsächlich verfügen einige Telefone über Coprozessoren, um diese verschiedenen Sensoren auf energieeffizientere Weise zu handhaben. Wir haben also den AP, der mit einem Coprozessor kommuniziert, mit Mikroprozessoren kommuniziert und Sensoren liest. All diese Sensoren tragen wesentlich dazu bei, ein Smartphone im Alltag viel nützlicher zu machen. Sie können anrufen, Wegbeschreibungen erhalten, in den Hochformatmodus drehen oder Ihr Telefon für Physikexperimente verwenden.

Smartphone-Bildschirme sind ein Wunder. Sie haben eine Auflösung, die vielen Haushaltsfernsehern entspricht oder sie übertrifft, während sie von hoher Qualität und erschwinglich sind. Gebrauchte Telefonbildschirme werden hier am Hackaday häufig in Projekten verwendet, da sie leicht zu finden und dann zu fahren sind. Fortschritte sehen wir hier bei OLED-Displays und MicroLED-Displays. Da der Bildschirm oft die Vorderseite Ihres Telefons ist, wäre es ziemlich praktisch, wenn er sich selbst heilen würde. Die Displays in Smartphones sind nichts Außergewöhnliches, da sie nur miniaturisierte Versionen größerer Panels sind.

Moderne Kameras auf Smartphones sind verrückt.

Objektive und Sensoren sind in vielerlei Hinsicht einzigartig. Im Gegensatz zu Displays, bei denen Sie den Prozess verkleinern können, werden Licht und Linsen seltsam, wenn sie klein sind. Wie fangen Sie also mehr Licht auf einer kleineren Fläche ein? Jahr unglaublich Hier finden Sie eine (wenn auch lange) Ressource zum Linsendesign, in der detailliert beschrieben wird, wie wir das tun. Das Linsendesign ist eine komplexe Kunst mit einer langen Geschichte der Iteration und Verbesserung seit dem frühen 19. Jahrhundert. Unter dem obigen Link sind mehrere bemerkenswerte Erfindungen aufgeführt. Wir könnten einen ganzen Artikel nur über Kameraobjektive schreiben. Insbesondere die Langzeitbelichtungen alter Kameras hatten ebenso viel mit dem Objektivdesign zu tun wie beim Film.

Das Objektiv und der Sensor spielen verrückt, aber auch der Bildsignalprozessor (ISP), der die Fotos verarbeitet, spielt verrückt und lügt in einigen Fällen eklatant. Wie ein herkömmlicher Signalprozessor nimmt der ISP ein Bild und verarbeitet es, indem er eine gewisse Transformation anwendet. Während einige Filter auf dem AP durchgeführt werden – denken Sie an die Snapchat-Filter – werden das tatsächliche Lesen des Sensors und das Bilden eines Bildes vom ISP durchgeführt.

Telefone sind mobil und es wird erwartet, dass sie mit dem Akku lange halten. Wie bei anderen batteriebetriebenen Produkten gibt es ein Batteriemanagementsystem (BMS), das die Batterie unterstützt. Es werden jedoch einige ziemlich hohe Anforderungen an sie gestellt. Es muss drahtlos und mit unglaublich hohen Raten und oft aufgeladen werden. Auf der anderen Seite wird die Effizienz in allen anderen Teilen berücksichtigt, die wir besprochen haben. Es gibt Power-Modi auf jedem Modul. Jede Komponente wird gegen das Budget geprüft, sowohl monetär als auch gegen das Leistungsbudget.

In unserer modernen Gesellschaft ersetzen wir unsere Smartphones häufig, und unsere Welt scheint kein Ende für unseren Hunger nach ihnen zu haben. Wenn also jedes Jahr mehr und mehr ausrangierte Smartphones zur Hand sind, vollgepackt mit Funktionen und Prozessoren, warum hacken wir sie nicht mehr? Sie sind ein perfekter Begleiter für Ihren 3D-Drucker.

Es gab einige Versuche, Smartphones modular zu gestalten, sodass Sie den Basisbandprozessor, das Display oder die Kamera austauschen können. Allerdings scheint das Konzept ins Stocken geraten zu sein. Insbesondere der Anwendungsprozessor, der Basisbandprozessor und die Sensoreinheit sind in vielen modernen Telefonen so eng miteinander verbunden, dass das Austauschen von Komponententeilen einer Neugestaltung des Ganzen gleichkäme. Smartphones sind aufgrund ihrer Größe und engen Integration wertvoll, und das ist nur schwer zu übertreffen.

Trotzdem ist es unglaublich, wie weit wir bei Smartphones im Allgemeinen gekommen sind. Wir bei Hackaday können es kaum erwarten zu sehen, was das nächste Jahrzehnt bereithält.

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