5-01. Composants intégrés

Allez hop ! Un chapitre un peu bidon qui va nous prendre 10 minutes… 😏

Les systèmes sur puce (également appelé SoC pour System on a Chip en anglais) permettent de regrouper dans un seul circuit nombre de fonctions autrefois effectuées par des circuits séparés assemblés sur une carte électronique. Ils permettent une réduction de la taille des éléments des circuits électroniques, ainsi qu’une consommation électrique plus faible.

Les SoC, mais qu’est-ce donc ?

Identifier les principaux composants sur un schéma de circuit

De l’ordinateur au smartphone

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

le processeur (CPU – Central Processing Unit) qui se charge de réaliser les calculs les plus courants, par exemple, ceux qui permettent de faire tourner le système d’exploitation ou un navigateur web ;
la mémoire vive (RAM – Random Access Memory) qui permet d’enregistrer temporairement les données traitées par le processeur ;
la carte graphique (GPU – Graphics Processing Unit) qui se charge d’afficher une image, qu’elle soit en 2D ou en 3D ;
la carte-mère (motherboard) qui permet l’acheminement des données entre les composants (CPU, RAM, GPU, disques durs, cartes réseau, etc.) via des « BUS ».

architecture d’un pc — Principaux éléments d’un PC

Depuis le début de l’ère des smartphones et des tablettes, on assiste à l’émergence de systèmes tout-en-un appelé SoC afin d’optimiser la miniaturisation et l’intégration des différents composants. Ces derniers sont alors bien mieux interconnectés les uns aux autres. Un SoC présente donc une structure complètement inédite par rapport à un ordinateur classique, où chaque composant est plus ou moins indépendant.

Un système sur puce (SoC), est un système complet embarqué sur une seule puce (c’est-à-dire sur un circuit intégré) pouvant comprendre de la mémoire, un ou plusieurs microprocesseurs, des périphériques d’interface, ou tout autre composant nécessaire à la réalisation de la fonction attendue.

Composition d’un SoC

représentation simplifiée du SoC Samsung Exynos 990 — Architecture simplifiée du SoC Samsung Exynos 990 - Galaxy S20

Le processeur (CPU). Le processeur ou « Central Processing Unit » (CPU) est le coeur du SoC. Son fonctionnement est identique à celui d’un ordinateur. On y retrouve donc plusieurs cœurs cadencés à différentes fréquences effectuant des threads et stockant des informations en cache.

Les cœurs. Un processeur compte généralement plusieurs coeurs (deux, quatre ou huit). Ceux-ci permettent de lancer en parallèle plusieurs applications de manière simultanée (multitâche) et permettent l’utilisation d’application lourde comme des jeux.
La fréquence. La fréquence d’un processeur est le nombre de cycles de calculs qu’il peut effectuer chaque seconde. Elle va donc déterminer la durée d’exécution d’une tâche : plus la fréquence du processeur est élevée, plus l’exécution d’une tâche est rapide. Mesurée en gigahertz (GHz), celle-ci est souvent différente entre chaque cœurs.
Les threads. Les cœurs réalisent ce qu’on appelle un thread, littéralement un fil d’exécution, une tâche qui doit être réalisée par le processeur.
Le cache. C’est une petite mémoire rapide intégrée au processeur. Celle-ci va permettre de stocker les informations récurrentes au plus près du processeur pour éviter d’avoir à aller les chercher sans arrêt dans la RAM.

La puce graphique (GPU). La puce graphique ou « Graphics Processing Unit » (GPU) est en charge de calculer les images afin de pouvoir les afficher à l’écran. Une carte graphique doit donc réaliser un nombre élevé de tâches, puisque qu’elle doit calculer la couleur à afficher sur chaque pixel de l’écran. Par exemple dans le cas d’une image Full HD (1920×1080), le GPU affiche environ 2 millions de pixels différents. Rappelons également que ce calcul est fait selon la fréquence de rafraichissement de l’écran. Celle-ci peut, varier entre 30 et 120 fois par secondes.

La puce neuronale (NPU). La puce neuronale ou « Neuronal Processing Unit » (NPU) est une puce en charge de l’intelligence artificielle des smartphones. Les calculs de l’intelligence artificielle ont longtemps été faits par le biais de serveurs distants. Mais depuis quelques années, pour des raisons de rapidité et de respect de la vie privée 😂, les calculs se font désormais directement sur les smartphones.

Le modem (Interface). Les smartphones embarquent également dans le SoC une unité réseau assurant la prise en charge des différents protocoles de communication. Le modem intégré au SoC gère non seulement le Wifi, le Bluetooth, le NFC ou bien encore les technologies mobiles (3G, 4G, 5G).

Le processeur de signal numérique (DSP). Le processeur de signal numérique ou « Digital Signal Processor » (DSP) est en charge de traiter les signaux numériques. Ainsi, il va permettre le filtrage, lacompression ou encore l’extraction de différents signaux tels que la musique ou encore une vidéo.

Le processeur de signal d’images (ISP). Le processeur d’image ou « Image Signal Processor » (ISP) est une puce prenant en charge la création d’images numériques. En effet de par leurs tailles minuscules, les capteurs photo des smartphones ne sont pas de très bonne qualité d’un point de vue de l’optique pure. La qualité qu’il est actuellement possible d’obtenir va être intimement liée à cette puce qui va compenser par le calcul certaines limitations optiques (zoom numérique, etc.).

Le processeur de sécurité (SPU). Le processeur de sécurité ou « Secure Processing Unit » (SPU) est le « bouclier » du smartphone. Son alimentation électrique est indépendante afin de ne pas pouvoir être éteint en cas d’attaque sur celui-ci. Le SPU est d’une importance capitale. En effet, celui-ci va stocker les données biométriques, bancaires, la carte SIM ou encore les titres de transport. C’est lui qui contient les clés de chiffrement des données de l’utilisateur.

Avantages et inconvénients d’un SoC

Identifier les avantages de leur intégration en termes de vitesse et de consommation.

Outre leur taille miniaturisée, les SoC offrent d’autres avantages par rapport aux systèmes « classiques » rencontrés dans les ordinateurs :

les SoC sont conçus pour consommer beaucoup moins d’énergie qu’un système classique à puissance équivalente de calculs ;
cette consommation réduite d’énergie permet, dans la plupart des cas, de s’affranchir de la présence d’un système de refroidissement actif ;
un système équipé de SoC est donc silencieux car il chauffe relativement peu ;
étant donné les distances très faibles entre ses différents composants, les données circulent beaucoup plus vites, ce qui permet d’améliorer grandement les performances. En effet, dans les systèmes « classiques » les BUS chargés d’acheminer les données sont souvent des goulots d’étranglement en termes de performances à cause de la vitesse limitée de circulation des données.

En revanche, le principal inconvénient d’un SoC est que, là où un ordinateur équipé d’une carte mère permet de faire évoluer les composants individuellement, l’extrême intégration du SoC n’autorise aucune mise à jour possible du matériel.