Chapitre 7 - Partie 2 : Composants intégrés et systèmes sur puce

Programme officiel (B.O.)

B.O. spécial n° 8 du 25 juillet 2019 - NSI Terminale

Contenus	Capacités attendues	Commentaires
Composants intégrés d'un système sur puce.	Identifier les principaux composants sur un schéma de circuit et les avantages de leur intégration en termes de vitesse et de consommation.	Le circuit d'un téléphone peut être pris comme un exemple : microprocesseurs, mémoires locales, interfaces radio et filaires, gestion d'énergie, contrôleurs vidéo, accélérateur graphique, réseaux sur puce, etc.

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1. Des circuits séparés au système sur puce

1.1 Rappel : le modèle de Von Neumann

En première, on a étudié le modèle de Von Neumann : un processeur (CPU), une mémoire (RAM), des bus de communication et des interfaces d'entrée/sortie. Dans les premiers ordinateurs, ces éléments étaient des circuits séparés assemblés sur une carte mère.

1.2 L'évolution vers l'intégration

La loi de Moore (1965) observe que le nombre de transistors dans un circuit intégré double environ tous les deux ans. Cette miniaturisation a permis de regrouper de plus en plus de fonctions sur une seule puce.

Année	Processeur	Nombre de transistors
1971	Intel 4004	2 300
1993	Intel Pentium	3 100 000
2010	Apple A4 (premier SoC Apple)	150 000 000
2023	Apple M2 Ultra	134 000 000 000

1.3 Système sur puce (SoC)

Un SoC (System on Chip, système sur puce) est un circuit intégré unique qui regroupe la plupart des composants d'un ordinateur complet :

• processeur(s) ;
• mémoire ;
• interfaces de communication ;
• contrôleurs spécialisés ;
• gestion d'énergie.

Repère historique

Le concept de SoC s'est développé dans les années 1990-2000 avec l'essor des téléphones portables, qui nécessitaient des systèmes complets dans un volume très réduit et avec une faible consommation d'énergie.

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2. Les composants d'un SoC

2.1 Processeur central (CPU)

Le CPU (Central Processing Unit) exécute les instructions des programmes. Un SoC moderne contient souvent plusieurs cœurs (multicore) pour exécuter des tâches en parallèle.

Configuration	Description
Mono-cœur	1 seul cœur de calcul
Dual-core	2 cœurs
Octa-core	8 cœurs (souvent 4 puissants + 4 économes)

2.2 Processeur graphique (GPU)

Le GPU (Graphics Processing Unit) est un accélérateur spécialisé dans le calcul parallèle. Il gère :

• l'affichage (interface graphique, vidéo, jeux) ;
• le traitement d'images et de vidéos ;
• certains calculs massivement parallèles (intelligence artificielle, cryptographie).

2.3 Mémoire intégrée

Le SoC inclut des mémoires locales directement sur la puce :

• Cache (L1, L2, L3) : mémoire très rapide proche du processeur ;
• SRAM : mémoire statique pour les registres et le cache ;
• La RAM principale (DRAM) est généralement sur une puce séparée mais très proche du SoC.

2.4 Interfaces de communication

Interface	Fonction
Wi-Fi	Communication réseau sans fil
Bluetooth	Communication courte portée (casques, montres)
4G/5G (modem)	Communication cellulaire (téléphonie, Internet mobile)
USB	Connexion filaire (charge, transfert de données)
NFC	Communication en champ proche (paiement sans contact)
GPS	Géolocalisation par satellite

2.5 Contrôleurs spécialisés

• Contrôleur vidéo : encode et décode les flux vidéo (H.264, H.265) ;
• Processeur de signal numérique (DSP) : traitement audio et capteurs ;
• Processeur d'image (ISP) : traitement des photos (autofocus, HDR, réduction de bruit) ;
• Moteur de sécurité : chiffrement matériel, stockage sécurisé des clés ;
• NPU (Neural Processing Unit) : accélérateur pour l'intelligence artificielle.

2.6 Gestion d'énergie (PMU)

Le PMU (Power Management Unit) gère la distribution de l'énergie et optimise la consommation :

• ajustement de la fréquence et de la tension des différents composants ;
• mise en veille des composants inutilisés ;
• gestion de la charge de la batterie.

2.7 Réseau sur puce (NoC)

Le NoC (Network on Chip) est le système de communication interne du SoC. Il remplace les bus traditionnels par un réseau de communication entre les différents composants, similaire à un mini-réseau informatique à l'intérieur de la puce.

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3. Exemple : le SoC d'un smartphone

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     Système sur puce (SoC)                      │
│                                                                 │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐       │
│  │  CPU     │  │  GPU     │  │  NPU     │  │  ISP     │       │
│  │ 8 cœurs │  │ accél.   │  │  IA      │  │  photo   │       │
│  └────┬─────┘  └────┬─────┘  └────┬─────┘  └────┬─────┘       │
│       └──────────────┼──────────────┼──────────────┘             │
│              ┌───────▼───────┐                                  │
│              │  NoC (réseau  │                                  │
│              │   sur puce)   │                                  │
│              └───────┬───────┘                                  │
│       ┌──────────────┼──────────────┐                           │
│  ┌────▼─────┐  ┌────▼─────┐  ┌────▼─────┐                     │
│  │ Mémoire  │  │  Modem   │  │  PMU     │                     │
│  │ cache    │  │ 4G/5G    │  │ énergie  │                     │
│  └──────────┘  └──────────┘  └──────────┘                     │
│                                                                 │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐       │
│  │ Wi-Fi    │  │Bluetooth │  │   GPS    │  │   USB    │       │
│  └──────────┘  └──────────┘  └──────────┘  └──────────┘       │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

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4. Avantages de l'intégration

4.1 Vitesse

Les composants intégrés sur la même puce communiquent par des chemins très courts (quelques millimètres). Les signaux électriques parcourent ces distances en quelques nanosecondes, bien plus rapidement qu'entre des puces séparées sur une carte mère.

4.2 Consommation d'énergie

Un SoC consomme beaucoup moins d'énergie que des composants séparés :

• distances plus courtes → moins de pertes électriques ;
• composants optimisés pour fonctionner ensemble ;
• gestion fine de l'énergie (mise en veille sélective).

Un smartphone typique consomme entre 1 et 5 watts, contre 50 à 150 watts pour un PC de bureau.

4.3 Taille et coût

• Taille réduite : un SoC mesure quelques centimètres carrés, ce qui permet de créer des appareils compacts (smartphones, montres connectées, objets IoT) ;
• Coût de production : fabriquer une seule puce complexe revient souvent moins cher que d'assembler de nombreux composants séparés (en grande série).

4.4 Fiabilité

Moins de connexions physiques entre composants signifie moins de points de défaillance potentiels.

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5. SoC et programmation

Les composants d'un SoC sont accessibles par des API (Application Programming Interface), exactement comme les bibliothèques logicielles. Le programmeur n'a pas besoin de connaître les détails électroniques : il utilise des fonctions de haut niveau.

# Exemple conceptuel : accès au GPS via une API
import gps_api

position = gps_api.obtenir_position()
print(f"Latitude : {position.latitude}")
print(f"Longitude : {position.longitude}")

Les pilotes (drivers) du système d'exploitation font le lien entre le matériel du SoC et les API utilisées par les applications.

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À retenir

Concept	Description
SoC	Circuit intégré regroupant CPU, GPU, mémoire, interfaces sur une seule puce
Avantages	Vitesse (distances courtes), faible consommation, taille réduite, coût
Composants	CPU, GPU, NPU, ISP, DSP, mémoire cache, modem, Wi-Fi, Bluetooth, GPS, PMU
NoC	Réseau de communication interne au SoC
API	Interface logicielle pour accéder aux composants matériels