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13 Les SOC

📚 Table des matières

1. Historique et présentation
2. What can we find in a modern PC?

🎯 Compétences évaluables

  • Identifier les principaux composants sur un schéma de circuit
  • Comprendre les avantages de l’intégration des composants en termes de vitesse et de consommation

🕰️ 1. Historique et présentation

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🎯 Objectif de cette partie

Comprendre comment l’évolution technologique des composants électroniques a conduit à l’intégration massive de fonctions matérielles sur une seule puce, préfigurant l’apparition des System on a Chip (SoC).

🎥 Vidéos d’introduction

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📈 1.1. La loi de Moore

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En 1965, Gordon Moore, cofondateur d’Intel, postule que le nombre de transistors présents sur une puce de microprocesseur double environ tous les deux ans.

Cette prédiction s’est révélée remarquablement juste (à quelques variations près) et explique pourquoi, depuis plusieurs décennies, les équipements électroniques deviennent :

  • 🚀 plus performants

  • 📉 plus compacts

  • 🔋 plus économes en énergie

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👉 La loi de Moore explique pourquoi il est devenu possible d’intégrer toujours plus de composants sur une même puce.

🏗️ 1.2. Évolution de la taille des ordinateurs

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🖥️ Premiers ordinateurs⚓︎

  • IBM 650 (1955), premier ordinateur fabriqué en série

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➡️ Cet ordinateur ne contient aucun transistor, mais utilise des tubes à vide.

  • IBM 7090 (1959), premier ordinateur à transistors

🔬 Le rôle crucial de la taille des transistors⚓︎

Comme l’avait anticipé Moore, c’est la capacité à réduire la taille des transistors et à en augmenter le nombre sur une puce qui a guidé l’évolution de l’informatique :

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Cette miniaturisation permet non seulement :

  • d’augmenter la puissance de calcul,

  • mais aussi de regrouper plusieurs fonctions matérielles sur un même circuit intégré.

🔌 Le transistor : composant fondamental⚓︎

Le transistor est un composant électronique essentiel : il permet de laisser passer ou non un courant électrique.

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Dans un processeur, les transistors servent notamment à :

  • réaliser des opérations logiques et arithmétiques,

  • stocker temporairement des informations,

  • contrôler l’exécution des instructions.

🧩 Conclusion

L’évolution de l’informatique est directement liée à la miniaturisation des transistors.
Cette progression technologique a rendu possible l’intégration de composants autrefois séparés au sein d’un même circuit intégré.

➡️ Cette logique d’intégration conduit naturellement au concept de System on a Chip (SoC), au cœur des systèmes modernes comme les smartphones.

🧠 2. What can we find in a modern PC? (Que trouve-t-on dans un PC moderne ?)

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🧩 2.1. Composition d’un PC moderne

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Dans un ordinateur « classique » tel qu’un PC de bureau, le matériel (hardware) est organisé autour de quatre éléments principaux :

  • 🧠 Le processeur (CPU – Central Processing Unit)
    Il réalise les calculs nécessaires à l’exécution des programmes (système d’exploitation, navigateur web, logiciels…).

  • 🧠 La mémoire vive (RAM – Random Access Memory)
    Elle stocke temporairement les données utilisées par le processeur afin d’y accéder rapidement.

  • 🎮 La carte graphique (GPU – Graphics Processing Unit)
    Elle calcule et affiche les images, en 2D ou en 3D (jeux vidéo, vidéos, interfaces graphiques).

  • 🧩 La carte mère (Motherboard)
    Elle assure la communication entre tous les composants (CPU, RAM, GPU, stockage, réseau…) via des bus.

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📌 Principaux éléments visibles sur la carte mère :

  1. CPU (surmonté d’un dissipateur thermique)

  2. Barrettes de RAM

  3. Carte graphique (GPU)

  4. Carte mère

tour

📝 À retenir

👉 Dans un PC classique, chaque composant est séparé physiquement et relié aux autres par des liaisons matérielles (bus, pistes, câbles).

🔁 2.2. Révisions – Architecture matérielle (1ʳᵉ NSI)

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❤️ 2.2.1. L’architecture de Von Neumann

⚓︎

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Dans l’architecture de John von Neumann, mathématicien et informaticien, un ordinateur est organisé autour de plusieurs blocs fonctionnels.

🧠 L’Unité Centrale de Traitement (CPU) est composée de deux sous-unités :

🔄 L’unité de contrôle

Elle :

  • récupère l’instruction à exécuter depuis la mémoire,

  • la décode,

  • pilote son exécution.

➕ L’unité arithmétique et logique (ALU)

Elle effectue :

  • des calculs arithmétiques (addition, multiplication…),

  • des opérations logiques (ET, OU…),

  • des comparaisons.

Les données manipulées sont stockées dans des registres, des mémoires internes très rapides.

💾 La mémoire

Elle stocke :

  • les programmes,

  • les données utilisées par le processeur.

🔗 Les bus

Ce sont des ensembles de fils permettant de transporter :

  • les adresses,

  • les données,

  • les commandes

entre le processeur, la mémoire et les périphériques.

🔌 Les dispositifs d’entrées/sorties

Ils permettent la communication avec l’extérieur :

  • clavier, souris,

  • écran,

  • réseau,

  • stockage.

🧠 Caractéristique essentielle

👉 Dans le modèle de Von Neumann, le processeur exécute les instructions une par une, de manière séquentielle.

📱 2.2.2. Des ordinateurs… dans nos poches

⚓︎

On entend souvent dire que les smartphones sont de véritables ordinateurs.
C’est exact.

➡️ Un smartphone doit donc contenir :

  • un CPU,

  • de la RAM,

  • un GPU,

  • des interfaces réseau.

Mais contrairement à un PC, il serait impossible de placer tous ces composants séparément dans un appareil aussi compact.

🧩 La solution technologique

➡️ Regrouper tous les composants sur une seule puce, d’une surface de quelques centaines de mm² :

puce

Ces puces sont appelées :

System on a Chip
ou SoC (système sur puce)

Elles intègrent notamment :

  • le processeur,

  • la mémoire,

  • le processeur graphique,

  • les interfaces réseau.

🧩 Conclusion

Un PC est composé de composants séparés reliés par des bus.
À l’inverse, les appareils mobiles ont conduit à une intégration extrême de ces composants sur une seule puce.

➡️ Cette intégration constitue le principe fondamental des SoC, que nous allons étudier dans la partie suivante.

🧩 3. Les SoC (System on Chip)

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🧠 3.1. Les composants intégrés sur une puce

⚓︎

Samsung Announces Exynos 2100 SoC: A New Restart on 5nm with X1 Cores

Un System on Chip (SoC) est un circuit intégré unique qui regroupe, sur une seule puce, l’ensemble des composants nécessaires au fonctionnement d’un système informatique complet.

👉 On retrouve dans un SoC des éléments qui, dans un PC classique, sont physiquement séparés.

🧩 Un SoC intègre généralement :

🧠 Des processeurs

  • CPU (processeur principal)

  • GPU (processeur graphique)

💾 Des mémoires

  • RAM

  • mémoire flash

📡 Des interfaces et périphériques

  • Wi-Fi

  • Bluetooth

  • NFC

  • GPS

📷 Des processeurs spécialisés

  • traitement d’image

  • traitement du son

  • intelligence artificielle

📱 Exemple concret : SoC Exynos 2100
(utilisé notamment dans les Galaxy S21)

On y trouve :

🧠 Le processeur (CPU)
Responsable de l’exécution générale des programmes.

🎮 La carte graphique (GPU)
En charge de l’affichage et des calculs graphiques.

🤖 La puce neuronale (NPU – Neural Processing Unit)
Dédiée aux calculs liés à l’intelligence artificielle
(reconnaissance faciale, photo, traduction, assistants vocaux…).

📡 Le modem

Gère :

  • le Wi-Fi,

  • le Bluetooth,

  • le NFC,

  • les réseaux mobiles (3G, 4G, 5G).

🎵 Le processeur de signal numérique (DSP – Digital Signal Processor)

Spécialisé dans :

  • le traitement audio,

  • la vidéo,

  • la compression et le filtrage des signaux.

📷 Le processeur d’image (ISP – Image Signal Processor)
En charge du traitement des images issues des caméras.

qualcomm-snapdragon-clearsight-1

Exemple : le module Spectra développé par Qualcomm.

🔐 Le processeur de sécurité (SPU – Secure Processing Unit)

Véritable coffre-fort matériel, il stocke :

  • données biométriques,

  • informations bancaires,

  • clés de chiffrement,

  • données de la carte SIM.

👉 Son alimentation est indépendante pour garantir la sécurité.

💾 La mémoire
(non toujours représentée sur les schémas)

Samsung's Exynos 2100 Chip Edges Snapdragon 888 - On Paper

📝 À retenir

👉 Un SoC est un ordinateur complet miniaturisé sur une seule puce, optimisé pour la performance, la consommation énergétique et la sécurité.

⚖️ 3.2. Avantages et inconvénients des SoC

⚓︎

😀 Les SoC sont omniprésents dans :

  • les smartphones,

  • les tablettes,

  • les systèmes embarqués (voitures, objets connectés, robots…).

Ils sont nettement plus puissants que les microcontrôleurs et disposent de périphériques de haut niveau.

✅ Avantages principaux

  • 🔋 Faible consommation énergétique
    Les composants sont très proches → moins de pertes électriques.

  • 💰 Coût de production réduit
    La forte intégration favorise l’automatisation industrielle.

  • 🔐 Sécurité renforcée

L’intégration matérielle empêche :

  • l’ajout de composants non autorisés,

  • la modification physique du système.

  • 🚀 Performances élevées
    Les échanges entre composants sont très rapides car ils sont situés sur la même puce.

❌ Inconvénient majeur

🔧 Maintenance impossible
Contrairement à un PC :

  • un composant défectueux ne peut pas être remplacé,

  • toute la puce doit être changée.

🧩 Conclusion

Les SoC représentent l’aboutissement de la miniaturisation informatique : ils intègrent sur une seule puce l’ensemble des composants nécessaires au fonctionnement d’un système moderne.

👉 Cette intégration explique pourquoi les smartphones sont à la fois :

  • puissants,

  • compacts,

  • économes en énergie,

  • mais peu réparables.

📝 4. Exercices

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🧠 Capytale : le code ou les documents seront fournis par votre enseignant

🧪 Exercice n°1 — Compréhension générale

👉 Répondre aux questions suivantes :

  1. Qu’est-ce qu’un SoC ?
  2. Quels types d’appareils utilisent des SoC ?
  3. Au niveau hardware, qu’est-ce qui différencie fondamentalement un SoC
    des composants d’un ordinateur classique ?
  4. Pourquoi les CPU d’un SoC embarquent-ils plusieurs cœurs ?
  5. Donner un ordre de grandeur de la fréquence du CPU d’un SoC.
  6. Sur quel paramètre influe la fréquence du CPU d’un SoC ?
  7. Qu’est-ce qu’un thread ?
  8. Qu’est-ce que la mémoire cache d’un CPU ?
  9. Dans un SoC, à quoi sert le GPU ?
  10. Dans un SoC, quel élément est chargé du traitement des photos prises par la (les) caméra(s) ?
  11. Dans un SoC, quel élément permet de lire de l’audio ou de la vidéo ?
  12. Dans un SoC, à quoi sert le SPU ?
  13. Quel élément d’un SoC permet à un smartphone de communiquer avec d’autres machines ?
  14. Quels sont les principaux avantages d’un SoC ?
  15. Citer le principal inconvénient d’un SoC.
  16. Pour les modèles 2019–2020 de smartphones, quelle est la finesse de gravure des SoC ?
  17. Quel est l’ordre de grandeur de la surface d’un SoC ?
  18. Quel est l’ordre de grandeur du nombre de transistors présents sur un SoC ?
  19. Quel est l’ordre de grandeur de la densité moyenne de transistors par mm² ?
  20. Quelle sera la finesse de gravure des SoC pour la prochaine génération de smartphones ?
  21. Quelle est aujourd’hui la principale difficulté technologique rencontrée par les concepteurs de SoC ?

📊 Exercice n°2 — Étude comparative de SoC

soc_raspberry

À partir de l’article du site
🔗 https://www.elektormagazine.fr/news/un-soc-combine-pour-dynamiser-les-performances-du-raspberry-pi-3-modele-b

👉 Une copie de l’article est disponible dans le dossier ressources.

  1. Relever les caractéristiques techniques du SoC du Raspberry Pi 3 modèle B+.
  2. Comparer ces caractéristiques avec celles du SoC du Raspberry Pi 4.
  3. Identifier les évolutions majeures expliquant le gain de performances.

🧩 Exercice n°3 — Identifier les composants d’un SoC

Sur l’image d’un SoC, on peut lire les dénominations suivantes :

  • Adreno 630

  • Hexagon 685

  • Kryo 385

  • X20 LTE

  • Spectra 280

👉 Associer chaque dénomination au composant correspondant du SoC
(CPU, GPU, DSP, modem, ISP, etc.).

🔍 Exercice n°4 — Identification sur schéma

Expliquez brièvement le rôle de chacun des composants suivants dans un System on Chip :

  • CPU (Central Processing Unit)

  • GPU (Graphics Processing Unit)

  • RAM (Random Access Memory)

  • Interface réseau

  • Mémoire flash

  • Module de gestion de l’énergie (PMIC)

⚙️ Exercice n°5 — Analyse de l’intégration

Un concepteur de circuits hésite entre :

  • un SoC,

  • un assemblage de composants séparés pour un smartphone.

👉 Justifiez le choix d’un SoC en répondant aux questions suivantes :

  1. Comparer la vitesse d’exécution entre :

  2. un SoC intégrant CPU, GPU et RAM,

  3. un système où ces composants sont séparés.

  4. Expliquer en quoi l’intégration des composants dans un SoC permet de réduire la consommation énergétique.

  5. Discuter les avantages et inconvénients de l’intégration du point de vue :

  6. de la maintenance,

  7. des mises à jour matérielles.