Composants intégrés d’un système sur puce

L’histoire de l’informatique peut être vue comme une course effrénée à l’intégration de plus en plus grande de composants complexes, suivant la loi empirique de Moore.

I. Des cartes mères « classiques » aux composants intégrés

1) Des premiers ordinateurs aux PC

Les premiers ordinateurs ont des tailles colossales comme la série des Mark conçue à partir de 1944. L’avènement des transistors depuis 1947 permet une croissante exponentielle du nombre de composants suivant la loi de Moore.

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Gordon Moore, l’un des fondateurs d’Intel propose, en 1975, la 2^eloi de Moore qui prédit que le nombre de transistors des microprocesseurs sur une puce de silicium double tous les deux ans. Elle a été étonnamment bien respectée depuis, même si les limites physiques de la miniaturisation semblent proches.

L’intégration des composants est de plus en plus grande jusqu’à l’avènement des premiers ordinateurs personnels vers 1980. Les ordinateurs « de bureau », les PC, disposent ainsi d’une carte mère incluant le processeur, reliée à de nombreux composants additionnels comme des disques durs, des cartes graphiques, des extensions mémoire, des cartes réseau, etc.

2) Vers une intégration plus poussée des composants

Dans les cartes mères modernes, en particulier celles des ordinateurs portables, l’intégration est beaucoup plus poussée.

Dans les dispositifs nomades comme les téléphones, tablettes ou ordinateurs légers comme le Raspberry Pi, cette intégration passe à un niveau supérieur. Le Raspberry Pi 4 intègre ainsi sur quelques centimètres carrés une carte mère complète autour d’un processeur Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit. Ce processeur est en fait déjà un SoC : System on a Chip.

II. Composants intégrés SoC = System on a Chip

1) Avantages et inconvénient des SoC

Un SoC, System on a Chip, accueille sur une même puce un microprocesseur (CPU), de la mémoire vive (RAM), un circuit graphique (GPU) et des composants Wifi, Bluetooth, etc. dans une taille très réduite.

Cette miniaturisation est idéale pour des dispositifs mobiles comme des téléphones, des tablettes, mais de grands constructeurs, comme Apple, veulent aussi en équiper toute leur gamme d’ordinateurs.

L’intérêt de ces composants est bien sûr la miniaturisation et la possibilité d’éviter d’intégrer des systèmes de refroidissement lourds et volumineux. L’inconvénient est que si le composant souffre d’une défaillance quelconque, la seule issue sera le remplacement complet du SoC.

Les meilleurs SoC, plus fins que les microprocesseurs « classiques » de dernière génération, sont gravés en 5 nm et comprennent des milliards de transistors.

Les SoC de dernière génération intègrent aussi des composants spécialisés, dédiés à la reconnaissance faciale ou à la réalité augmentée.

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La réalité augmentée est de plus en plus présente sur les téléphones et permet la superposition d’éléments réels avec des éléments virtuels comme des images, des sons et même des perceptions tactiles en temps réel.

2) Exemple des processeurs ARM

Les architectures ARM, introduites à partir de 1990 par Acorn Computers, sont développées par l’entreprise anglaise ARM Ltd et elles sont de type RISC 32 bits (ARMv1 à ARMv7) et 64 bits (ARMv8). Elles deviennent très populaires avec l’avènement de la téléphonie mobile grand public à la fin des années 1990.

Les SoC ARM bénéficient d’une faible consommation électrique et sont fabriqués par un grand nombre de constructeurs pour équiper de très nombreux matériels comme la série Exynos de Samsung ou la série A12, A13, A14 Bionic d’Apple.