Système sur puce (« System on Chip » (SoC))

Architecture d'un microcontrôleur, d'un SoC

C'est quoi un SoC (System on a Chip) ? | Broize (6:30)

Architecture d'un microcontrôleur, d'un SoC | MOOC NSI (15:10)

Principaux composants d’un SoC (smartphone)

Un système sur puce (SoC) regroupe sur une seule puce de silicium plusieurs blocs fonctionnels qui, auparavant, étaient séparés sur différentes cartes.

Sur le schéma logique d’un smartphone, on retrouve typiquement :

Composant intégré	Rôle principal
Microprocesseur (CPU)	Exécute les instructions, gère le système d’exploitation et les applications
Mémoire locale (SRAM, cache)	Stockage ultra-rapide à proximité du CPU pour accélérer le traitement
Mémoire vive (LPDDR)	Stockage temporaire pour les données et programmes en cours d’exécution
Mémoire non volatile (Flash, eMMC, UFS)	Stockage permanent des données et du système
GPU (accélérateur graphique)	Traitement des images, vidéos et jeux 3D
Contrôleurs vidéo / ISP (Image Signal Processor)	Traitement des images venant des caméras
Interfaces radio (4G/5G, Wi-Fi, Bluetooth)	Communications sans fil
Interfaces filaires (USB, HDMI, audio)	Connexions physiques avec d’autres appareils
Gestion d’énergie (PMU)	Conversion et régulation de la tension pour les différents blocs
DSP (Digital Signal Processor)	Traitement spécialisé de signaux audio, vidéo ou radio
NPU (Neural Processing Unit)	Accélération des calculs d’intelligence artificielle
Réseau sur puce (NoC – Network on Chip)	Relie tous les blocs internes avec des bus rapides

Avantages de l’intégration dans un SoC

En termes de vitesse

• Distances plus courtes : les signaux voyagent sur quelques millimètres, pas via des câbles ou cartes séparées → latence réduite.
• Bus internes optimisés : le Network on Chip permet des transferts simultanés et à haute fréquence.
• Accès direct à la mémoire (DMA, caches partagés) : moins d’attente pour le CPU et le GPU.

En termes de consommation

• Moins de pertes : pas de longs fils = moins de dissipation électrique.
• Gestion d’énergie centralisée : le PMU éteint ou réduit la fréquence des blocs inutilisés (Dynamic Voltage and Frequency Scaling).
• Technologie de gravure fine : plus les transistors sont petits, moins ils consomment (nanomètres).
• Partage de ressources : un même bloc peut servir à plusieurs fonctions, évitant des composants redondants.

💡 En résumé

Un SoC de smartphone regroupe CPU, GPU, mémoire, radios, contrôleurs et gestion d’énergie sur une seule puce.

Avantages :

• vitesses accrues grâce à la proximité des composants
• consommation réduite grâce à une gestion centralisée et à la miniaturisation

Avantages et inconvénients des systèmes sur puce (SoC)

Avantages

1. Compacité

   • Tous les composants (CPU, GPU, mémoire, interfaces…) sont regroupés sur une seule puce → gain de place, idéal pour smartphones, tablettes, objets connectés.

2. Vitesse accrue

   • Distances très courtes entre les blocs → temps de transfert réduit, latence faible, meilleure synchronisation.
   • Bus internes (Network on Chip) très rapides.

3. Consommation réduite

   • Moins de pertes dues aux interconnexions longues.
   • Gestion centralisée de l’énergie (PMU, Dynamic Voltage and Frequency Scaling).
   • Gravure en nanomètres → transistors plus petits et plus efficaces.

4. Coût de production réduit

   • Une seule puce à fabriquer et à assembler au lieu de plusieurs.

5. Fiabilité

   • Moins de connecteurs et de câbles → moins de risques de pannes mécaniques.

Inconvénients

1. Difficulté d’évolution

   • Impossible (ou très difficile) de remplacer ou mettre à jour un seul composant (ex. changer juste le GPU).

2. Chaleur concentrée

   • Tous les blocs chauffent dans une zone réduite → gestion thermique plus complexe.

3. Conception complexe

   • Intégrer CPU, GPU, mémoire, radios… dans un seul silicium demande des compétences de pointe et un temps de développement long.

4. Réparation compliquée

   • En cas de panne d’un bloc interne, il faut remplacer toute la puce.

5. Flexibilité limitée

   • Moins adapté aux systèmes nécessitant des composants très spécialisés ou évolutifs (serveurs, stations de travail).

💡 En résumé

Un SoC est idéal pour les appareils compacts, économes et performants comme les smartphones, mais il est moins modulable et plus difficile à réparer qu’un système à composants séparés.