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Chapitre 14 : Systèmes sur puce.

Introduction :

Un ordinateur de bureau occupe une tour de 40 cm, consomme 300 W et se refroidit à grand renfort de ventilateurs. Ton téléphone tient dans une poche, tient une journée sur une batterie de 15 g, et prend des photos que le PC mettrait plusieurs secondes à calculer.

Pourtant, à l'intérieur, ce sont les mêmes ingrédients : un processeur, de la mémoire, une puce graphique, des contrôleurs. Alors qu'est-ce qui a changé ?

Et si tout tenir sur une seule puce est si avantageux, pourquoi les PC ne le font-ils pas ? Que perd-on au passage ?

Prérequis :

Le cours de 1ère NSI sur l'architecture de Von Neumann (unité de commande, unité arithmétique et logique, mémoire, bus) est le point de départ de ce chapitre.

Le chapitre 10 sur la gestion des processus est également utile : un SoC est le matériel sur lequel l'ordonnanceur distribue les quantums de temps.

1. De l'armoire au grain de riz

Dans les années 1950, un ordinateur remplissait une pièce entière. Chaque bit était manipulé par un composant physique distinct — tube à vide, puis transistor — soudé à la main, relié aux autres par des kilomètres de fil.

Trois inventions ont tout changé :

Depuis, le nombre de transistors que l'on sait graver sur une puce a doublé environ tous les deux ans : c'est la loi de Moore. Ce n'est pas une loi physique, mais une observation de Gordon Moore (1965) qui s'est vérifiée pendant un demi-siècle... et qui ralentit aujourd'hui, car on s'approche de la taille des atomes.

Année Puce Nombre de transistors
1971 Intel 4004 2 300
1985 Intel 80386 275 000
2000 Pentium 4 42 000 000
2023 Apple A17 Pro (SoC d'iPhone) 19 000 000 000

Un A17 Pro contient donc environ 8 millions de fois plus de transistors qu'un 4004, sur une surface d'environ 1 cm².

2. Exercice : définitions des composants matériels.

À faire dans le cahier.

Rechercher les définitions suivantes et les écrire :

  1. CPU
  2. GPU
  3. RAM

3. Définition : le système sur puce (SoC)

Un système sur puce (SoC, System on Chip) est un circuit intégré qui rassemble sur un unique morceau de silicium l'essentiel des composants d'un ordinateur : processeur, processeur graphique, mémoires rapides, contrôleurs de périphériques et interfaces de communication, reliés par un bus interne.

La différence avec une carte mère n'est pas la liste des composants — elle est presque la même — mais leur distance et leur mode de fabrication : ils ne sont pas assemblés, ils sont gravés ensemble, en même temps.

Une carte mère des puces distinctes, posées et soudées CPU RAM barrettes GPU E/S ≈ 10 cm Du CPU à la RAM : plusieurs cycles d'horloge d'attente, et chaque bit transmis coûte cher en énergie. Un système sur puce les mêmes fonctions, gravées ensemble (schéma fortement agrandi) CPU GPU NPU bus interne Cache + ctrl. mémoire Modem, E/S RAM ≈ 5 mm Du CPU à la RAM : les données ne quittent presque pas la puce. c'est plus rapide, et surtout beaucoup moins gourmand.

Et en vrai, à quoi ressemblent ces deux objets ?

Une carte mère, en vrai format ATX : 30,5 cm × 24,4 cm 1 2 3 4 5 6 1 € ① ports USB, HDMI, Ethernet — ② le processeur (ventirad retiré) ③ barrettes de RAM — ④ chipset — ⑤ SSD M.2 — ⑥ carte graphique (PCIe) Un système sur puce, en vrai l'intérieur d'un téléphone, dessiné à la même échelle A17 PRO TAIWAN 2338 × 14 ≈ 1 cm de côté 19 milliards de transistors là-dedans 1 € Le SoC, c'est le petit carré noir de 1 cm de côté, sur la carte du téléphone. Tout le reste du volume, c'est la batterie, l'écran et les capteurs. Les deux vues sont à la même échelle : la pièce de 1 € te sert de repère.

4. Un SoC bloc par bloc

Un SoC moderne n'est pas « un processeur avec des options ». C'est une équipe de processeurs spécialisés qui se partagent le travail, chacun étant très efficace pour une tâche et incapable de faire les autres.

Survole (ou touche) un bloc du schéma : son rôle s'affiche en dessous.

Le boîtier (package) La puce de silicium (die) — environ 1 cm² CPU cœur cœur cœur cœur cache L2 partagé GPU graphismes, jeux, calcul massivement parallèle NPU réseaux de neurones, reconnaissance ISP traitement du signal des capteurs photo BUS INTERNE (interconnexion) Cache SRAM partagée, quelques Mo, très rapide Contrôleur mémoire pilote la RAM externe ↓ Contrôleur stockage pilote la flash externe ↓ Modem 5G, Wi-Fi, Bluetooth, GPS E/S écran, USB, capteurs, audio Hors de la puce : RAM (LPDDR) volatile, quelques Go Flash permanente, ~128 Go Antennes taille imposée par les ondes

Le rôle de chaque bloc

Survole un bloc du schéma pour afficher son rôle. Remarque déjà deux choses : le bus relie tout le monde, et trois composants restent obstinément à l'extérieur de la puce.

5. Les avantages… et le prix à payer

Un SoC n'est pas « mieux » qu'une carte mère : c'est un compromis, gagnant sur certains critères, perdant sur d'autres.

✅ Avantages ❌ Inconvénients
Taille : un ordinateur complet sur ≈ 1 cm². C'est ce qui rend possibles le téléphone, la montre, le drone, l'implant médical. Aucune évolutivité : la RAM est soudée, le CPU est gravé. On ne peut rien ajouter ni remplacer — seulement racheter l'appareil entier.
Consommation : les signaux parcourent des millimètres au lieu de centimètres. Comme l'énergie dépensée croît avec la longueur des pistes, l'autonomie explose. Réparation quasi impossible : un seul bloc défaillant condamne toute la puce, donc souvent tout l'appareil. C'est un facteur majeur de déchets électroniques.
Vitesse : moins de distance, c'est moins de cycles d'attente. Et la mémoire unifiée évite au CPU, au GPU et au NPU de se recopier les données. Chaleur concentrée : toute la puissance est dissipée sur 1 cm², sans gros ventilateur. D'où le throttling : le SoC réduit lui-même sa fréquence quand il chauffe.
Blocs spécialisés : un circuit câblé pour une seule tâche (ISP, NPU, décodeur vidéo) fait le travail du CPU pour une fraction de l'énergie. Coût de conception colossal : concevoir et graver un SoC de pointe coûte des centaines de millions d'euros. Ce n'est rentable qu'à des dizaines de millions d'exemplaires.
Coût unitaire et fiabilité : une puce à poser au lieu de vingt. Moins de soudures et de connecteurs, donc moins de pannes, et une bien meilleure tenue aux vibrations. Rigidité : une erreur de conception matérielle ne se corrige pas après fabrication. Au mieux, on la contourne par logiciel — souvent au prix de performances.
Un seul fournisseur à intégrer : moins de compatibilités à vérifier, un appareil plus vite conçu. Dépendance industrielle : très peu d'usines dans le monde savent graver les finesses les plus fines. Une pénurie ou une crise géopolitique bloque des industries entières.

C'est pourquoi les deux mondes coexistent : le SoC gagne dès que l'énergie et la place sont contraintes ; la carte mère modulaire reste imbattable quand on veut choisir, faire évoluer et réparer.

6. Exercice : lire une fiche technique.

À faire dans le cahier.

On donne trois puces réelles :

Puce Transistors Surface Cœurs CPU Consommation
Intel 4004 (1971) 2 300 12 mm² 1 cœur à 740 kHz ≈ 0,5 W
ESP32 (2016) non communiqué ≈ 25 mm² 2 cœurs à 240 MHz ≈ 0,2 W
Apple A17 Pro (2023) 19 milliards ≈ 103 mm² 6 cœurs jusqu'à 3,8 GHz
(2 rapides + 4 économes)		 ≈ 8 W au maximum
  1. Calculer, pour le 4004 puis pour l'A17 Pro, le nombre de transistors par mm². Par combien la densité a-t-elle été multipliée en 52 ans ?
  2. Si l'on comptait les transistors d'un A17 Pro au rythme d'un par seconde, combien de temps cela prendrait-il ? Exprimer le résultat en années.
  3. La loi de Moore prévoit un doublement tous les deux ans. Combien de doublements en 52 ans ? Par combien le nombre de transistors aurait-il dû être multiplié ? Comparer au résultat de la question 1 et commenter.
  4. L'A17 Pro possède deux sortes de cœurs. Expliquer, en réutilisant le cours sur l'ordonnancement (chapitre 10), l'intérêt de ce choix pour un téléphone.

7. QCM : bilan du chapitre.

À faire dans le cahier.

Tu noteras dans ton cahier les questions et les bonnes réponses associées.

  1. Un SoC, c'est :
    1. une carte mère miniaturisée sur laquelle on soude des puces.
    2. un circuit intégré qui rassemble sur un seul morceau de silicium l'essentiel des composants d'un ordinateur.
    3. un processeur très rapide.
    4. un système d'exploitation pour téléphone.
  2. Pourquoi rapprocher les composants fait-il baisser la consommation ?
    1. parce que les transistors chauffent moins quand ils sont serrés.
    2. parce que plus une piste est longue, plus il faut d'énergie pour y transmettre chaque bit.
    3. parce que le courant électrique va moins vite.
    4. parce qu'il y a moins de transistors.
  3. À quoi sert le bus interne d'un SoC ?
    1. à alimenter la puce en électricité uniquement.
    2. à transporter adresses, données et commandes entre les blocs.
    3. à relier la puce à l'écran.
    4. à stocker les données de façon permanente.
  4. La loi de Moore énonce que :
    1. la fréquence des processeurs double tous les ans.
    2. le nombre de transistors sur une puce double environ tous les deux ans.
    3. le prix des puces est divisé par deux tous les deux ans.
    4. la consommation double tous les deux ans.
  5. Le throttling d'un SoC de téléphone, c'est :
    1. la puce qui réduit d'elle-même sa fréquence pour ne pas trop chauffer.
    2. l'ordonnanceur qui tue un processus bloqué.
    3. la mise en veille de l'écran.
    4. la compression des données avant envoi.
  6. Pourquoi confier le traitement d'une photo à un ISP plutôt qu'au CPU ?
    1. parce que le CPU en est incapable.
    2. parce qu'un circuit câblé pour cette seule tâche est beaucoup plus rapide et beaucoup plus économe en énergie.
    3. parce que l'ISP a accès à Internet.
    4. parce que l'ISP possède sa propre batterie.
  7. Quel est le principal inconvénient d'un SoC pour la personne qui achète l'appareil ?
    1. il consomme plus qu'une carte mère.
    2. il est plus lent qu'une carte mère.
    3. il ne peut être ni amélioré ni réparé : une panne condamne l'appareil entier.
    4. il ne permet pas d'exécuter plusieurs processus.