Système sur Puce, ou SoC - System On Chip⚓︎

Introduction⚓︎

• Dans les cartes mères modernes, en particulier celle des ordinateurs portables, l'intégration est beaucoup plus poussée.
• Dans les dispositifs nomades comme les téléphones portables (Smartphones), Tablettes ou nano ordinateurs (par ex. Raspberry Pi ou l'Arduino), cette intégration passe encore à un niveau supérieur.

Loi de Moore et miniaturisation progressive⚓︎

La Loi de Moore⚓︎

En $1965$, Gordon Moore postule que le nombre de transistors présents sur une puce de microprocesseur doublera tous les deux ans.

Cette prédiction s'est révélée étonnamment juste (à quelques approximations près) et les équipements électroniques n'ont depuis jamais cessé de devenir toujours plus performants / miniatures / économes en énergie.

Our World in data

Évolution de la taille des ordinateurs⚓︎

IBM 650, le premier ordinateur fabriqué en série (1955)⚓︎

Cet ordinateur n'a pas encore de transistors mais des tubes à vide.

IBM 7090, le premier ordinateur à transistors (1959)⚓︎

Le rôle crucial de la taille des transistors⚓︎

Ainsi que l'avait prédit Moore, c'est la progression du nombre de transistors gravables sur le processeur qui guidera pendant des années l'évolution de l'informatique :

Composition d'un PC actuel⚓︎

Chaque composant a un rôle spécifique. Ils communiquent entre eux par des bus de différentes vitesses. Chaque composant est remplaçable, et il est possible d'ajouter de nouveaux composants sur la carte mère qui possède des slots d'extension.

Tout un PC sur une seule puce : les SoC⚓︎

Un Chipset est un circuit intégré d'un ordinateur qui centralise le CPU, la RAM, de la mémoire de stockage et quelques autres périphériques. Un SoC - System on Chip intègre preque tous ces composants dans une seule et unique puce en silicone. Comparés aux chipsets, les SoCs contiennent également des composants supplémentaires (cf ci-dessous). Puisqu'elles intègrent aussi bien le logiciel que le matériel, elles ont de meilleurs performances en termes de consommation électrique, prennent moins d'espace, et sont plus fiables que les chipsets²².

Définition⚓︎

Utilisations des SoC⚓︎

Les meilleurs SoC, plus fins que les microprocesseurs classiques de dernière génération, sont gravés en $5$ nm et comprennent des milliards de transistors. Cette miniaturisation est idéale pour des dispositifs mobiles comme :

• les Smartphones (téléphones portables),
• les Tablettes,
• les Nano-ordinateurs : Raspberry Pi, Arduino, etc..
• les Consoles de Jeu : Nintendo Switch (Nvidia Tigra X1), PS5 (AMD),..
• les Objets Connectés / IoT - Internet of Objects,
• les Systèmes Embarqués / eMbedded Systems, au sens large
• à noter aussi que de grands constructeurs comme Apple, veulent aussi en équiper toute leur gamme d'ordinateurs.

Comment est-ce possible ?⚓︎

Une première question que l'on peut se poser est: Comment est-ce possible de pouvoir placer autant de fonctionnalités sur si peu de place²⁴ ? (en particulier, pourquoi ne fait-on pas la même chose pour les ordinateurs classiques?)

• Les processeurs des SoC ne sont pas aussi puissants que ceux des PCs/Ordinateurs portables (donc ils ont besoin de moins de place)
• Les SoC sont construits (principalement) à base d'Architectures ARM - Advanced RISC Machine, qui sont suffisamment puissantes, mais sans trop consommer d'énergie.
• Les OS des smartphones sont optimisés pour les SoCs

Avantages des SoC ⚓︎

Les avantages des SoC sont :

• La Taille plus petite (miniaturisation) : tous les composants sont sur la même puce, donc un gain de place important
• La Vitesse plus grande :
  • les distances sont réduites, donc la fréquence d'horloge peut augmenter notablement
  • Les composants et leur connexion sont plus facilement prévisibles, donc moins de variations
• Moindre Coût :
  • Un circuit imprimé moins complexe
  • Moins de soudage
  • Fréquence d'horloge faible sur la carte, mais importante sur puce, cela réduit les frais liés au circuit imprimé
• Consommation Énergétique très réduite (par rapport à un système classique, à puissance de calcul équivalente), en raison des distances réduites (moins de déperdition) et
• Sécurité : meilleure sécurité (vue globale sur la sécurité qui n'est plus dépendante d'une multitude de composants)
• Absence de Système de Refroidissement lourds, volumineux et énergivores (comme par ex. des ventilateurs)

Désavantages des SoC ⚓︎

Des inconvénients des SoC sont:

• Impossiblité de choisir indépendamment ses composants
• Pas de mise à jour / remplacement / ajout d'un composant : tous les composants sont intégrés
• Pannes : Une panne (quelconque) d'un seul composant entraîne la panne totale du SoC.

Architecture d'un SoC⚓︎

Schéma de Circuit d'un SoC⚓︎

• Le NorthBridge est une puce (un Contrôleur Mémoire) reliée directement au CPU via un bus, appelé Bus Système / (améliorés en) FSB - Front Side Bus (remplacés par des bus QPI - QuickPath Interconnect): Cette puce (/bus) est plus rapide mais consomme davantage d'énergie. Le NorthBridge est connecté :
  • au GPU - Processeur Graphique
  • à la RAM
  • à la DMA - Direct Access Memory : un périphérique (contrôleur) de certains systèmes permettant l'accès à la mémoire directement (càd sans passer par le CPU). Dans un SoC, il est utilisé pour transférer des données vers/depuis les Entrées/Sorties (I/O), par exemple vers/depuis le GPU. La DMA permet ainsi de décharger le CPU, de plus hauts transferts, et autorise les interruptions matérielles ²³.
  • aux slots PCI Express
  • au SouthBridge
• Le SouthBridge est une puce (un Contrôleur d'Entrées/Sorties I/O) qui n'est PAS directement connecté au CPU, mais qui relie le NorthBridge à des périphériques plus lents (d'Entrées/Sorties I/O), via un bus appelé Bus Interne : Cette puce (/bus) est plus lent, mais consomme moins d'énergie. Le SouthBridge est connecté :
  • aux Bus PCI (plus lents que PCI Express)
  • aux connecteurs SATA
  • aux connecteurs IDE
  • aux Ports USB
  • au NorthBridge
• Dans les SoCs, ils sont maintenant tous deux intégrés aux CPU (Refs : 1, 2)

Types d'Architectures de SoC : ARM vs x86⚓︎

Une Architecture de SoC est avant tout basée sur l'architecture de son processeur (CPU), qui est elle-même caractérisée par son jeu d'instruction (du processeur). Il existe différents types d'architectures pour les SoC, principalement deux :

• Architecture ARM - Advanced RISC Machine : Jeux d'instructions ARM. Plus simple, basée sur le modèle d'architecture de processeur appelé RISC - Reduced Instruction Set Computer / Processeur à Jeu d'Instruction Réduit , qui se caractérise par des instructions de base aisées à décoder. Les architectures RISC ont pour avantages d’être plus rapides et moins gourmandes en énergie que les CISC, l’inconvénient est un code machine moins compact.
• Architecture x86 : Jeux d'instructions x86. Plus Complexe, basée sur le modèle d'architecture de processeur appelé CISC - Complex Instruction Set Computer / Processeur à Jeu d'Instruction Complexe, qui se caractérise par un jeu d'instructions comprenant de très nombreuses instructions.

Les Architectures ARM⚓︎

L'Architecture ARM est fortement inspirée du modèle d'architecture de processeur appelé RISC - Reduced Instruction Set Computer / Processeur à Jeu d'Instruction Réduit . Elle dispose de $16$ registres généraux de $32$ bits. Les instructions, codées sur $32$ bits jusqu'à l'ARMv$7$ peuvent toutes disposer d'exécution conditionnelle. Sur l'architecture $64$ bits (ARMv$8$), quelques instructions seulement peuvent disposer d'exécution conditionnelle. Le jeu d'instructions a reçu des extensions au fil du temps.

La SoCiété ARM Ltd et les fabricants de processeurs ARM⚓︎

La propriété intellectuelle appartient à une société britannique, historiquement Acorn Computers, de nos jours ARM Ltd . En $2016$, ARM est rachetée par la Holding japonaise Softbank, et en $2020$, une OPA - Offre Publique d'Achat par NVidia sera finalement rejetée en $2021$ par la FTC - Federal Trade Commision (les autorités de la concurrence américaine). Les processeurs ARM sont fabriqués sous licence, suivant le principe ditdes IPs - Intellectual Properties / Propriétés Intellectuelles , qui sont des sortes de Bibliothèques Matérielles que l'on peut acheter pour monter soi-même (puis commercialiser). Les processeurs ARM sont ainsi construits par différentes entreprises de par le monde (cf liste complète sur wikipedia¹³)). Parmi les entreprises fabriquant les modèles des Séries Cortex (les plus avancées), la majorité se trouve en Asie (20), suivie par les États-Unis (13) et enfin par l'Europe (6).

Quelques Exemples de processeurs ARM⚓︎

par Familles de Processeur⚓︎

• Famille Cortex-A : processeur Applicatif
• Famille Cortex-R : processeur Temps-Réel (Real Time)
• Famille Cortex-M : processeur eMbarqué (eMbedded System)

Exemples de Processeurs ARM de quelques SoC⚓︎

• L'iPhone 13 utilise un SoC ARM A15 Bionic
• Le Samsung Galaxy Note 20 Ultra 5G utilise un SoC ARM Exynos 990, basé sur :
  • des processeurs Samsung Exynos M5 \@2,7GHz, et
  • des processeurs ARM Cortex A76 \@2,5GHz
  • des processeurs ARM Cortex A55 \@2,0 GHz
• Le Raspberry Pi4 utilise un SoC ARM Broadcom 2711 (basé sur une architecture ARM- Cortex A72)

par Architectures / Jeux d'Instruction⚓︎

Les Architectures x86⚓︎

Ce ne sont pas les architectures les plus répandues. Voir par exemple Intel NUC.

Principaux Concepteurs de SoC⚓︎

• AMD : Architecture ARM
• Apple : Architecture ARM (exclusivement)
• Broadcom : Architecture ARM
• Intel : Architecture x86
• Mediatek³ : Architecture ARM
• Nvidia : Architecture ARM
• Qualcomm^{4 5} : Architecture ARM
• Samsung : Architecture ARM
• Texas Instrument : Architecture ARM
• etc..¹³

Parts de Marché des SoC⚓︎

Répartition des Coûts d'une SoC⚓︎

Le Cas d'un Smartphone⚓︎

SoC d'un Smartphone⚓︎

Samsung a choisi de ne pas commercialiser les mêmes puces pour ses smartphones dans toutes les régions du monde :

• Snapdragon de Qualcomm : Amérique du Nord, Chine, Asie, commercialisés dans les Samsung
• Exynos de Samsung : Europe & reste du monde

Carte Mère d'un Smartphone⚓︎

Quelques Définitions

• Dans les terminaux mobiles, un émetteur-récepteur / transceiver est le système permettant à la fois d’émettre ou de recevoir un signal et de coder ou décoder l’information contenu dans ce signal
• Le FEM - Front-End Module est le bloc de Radio Fréquence (RF) effectuant toutes les opérations entre la partie « bande de base » (qui génère le signal modulé ou le décode) et le module d’antenne. Il est composé de plusieurs chaînes d’émission-réception RF, chacune dédiée à une bande de fréquences/standard.

L'Influence de la Taille de la gravure⚓︎

Le cas d'un Raspberry Pi 4⚓︎

Le Raspberry Pi $4$ intègre ainsi sur quelques centimètres carrés, une carte mère complète autour d'un processeur ARM Broadcom Quad Core Cortex A-$72$ (ARMv$8$) à $1,5$ GHz

• Les ports GPIO - General Purpose Input/Output / Entrée-sortie à usage général sont des ports d'entrées-sorties très utilisés dans le monde des microcontrôleurs/soc. Ce sont des détecteurs ou senseurs pour capter des données, ou encore de contrôler des commandes.

• Un UART - Universal Asynchronous Receiver Transmitter, est un émetteur-récepteur asynchrone universel. En langage courant, c'est le composant utilisé pour faire la liaison entre l'ordinateur et le port série : en efet l'ordinateur envoie les données en parallèle, il faut donc sérialiser ces données, càd les transformer pour les faire passer sur un port série.

Applications Android/iOS⚓︎

Android⚓︎

• CPU-Z
• CPU-Z Hardware Information / CPU-Z Information matérielle

iOS⚓︎

• CPU DasherX - CPU Z
• System Status - Battery & Network Manager

Références & Notes⚓︎

Références⚓︎

• ARM Developper Documentation
• Wikichip
• Guillaume Connan, Laurent Signac, Prépabac TNSI, Hatier
• RaspBerry Pi 4, Phonandroid
• Raspberry Datasheets : https://datasheets.raspberrypi.com/
• TechInsights
• ChipRebel
• AnandTech
• PC Benchmarks : https://www.pcbenchmarks.net
• CPU Banchmarks : https://www.cpubenchmark.net/market_share.html

Notes⚓︎