Composants intégrés d'un système sur puce

Vidéo d’introduction

Comment les puces électroniques sont-elles fabriquées ?

Le circuit intégré

Un circuit intégré (IC, Integrated Circuit), aussi appelé puce électronique, est un composant qui regroupe des milliers, voire des milliards, de composants électroniques (transistors, résistances, condensateurs) sur une plaquette de silicium de quelques millimètres carrés.

C’est Jack Kilby (1923–2005), ingénieur chez Texas Instruments, qui a inventé le premier circuit intégré en 1958, posant les bases de toute l’informatique moderne. Il a reçu le prix Nobel de physique en 2000 pour cette invention.

Depuis, la miniaturisation n’a cessé de progresser. La finesse de gravure (mesurée en nanomètres) indique la taille des plus petits transistors gravés sur la puce : plus elle est faible, plus on peut intégrer de transistors. En 2025, les puces grand public sont gravées en 3 nm et la production en 2 nm démarre.

Cette progression suit la loi de Moore (1965) : le nombre de transistors sur une puce double environ tous les deux ans. Cette loi empirique s’est vérifiée pendant plus de 50 ans, mais se heurte aujourd’hui aux limites physiques de la matière à l’échelle atomique.

Quelques repères chronologiques

En un demi-siècle, le nombre de transistors a été multiplié par plus de 10 millions, tandis que la finesse de gravure est passée de 10 µm à 3 nm (soit un facteur 3 000). Cette miniaturisation est le moteur de toutes les évolutions décrites dans la suite.

Du circuit intégré au système complet

Tous les composants décrits ci-dessous sont des circuits intégrés. Ce qui les distingue, c’est ce qu’ils intègrent sur la puce. On peut les voir comme des niveaux d’intégration croissants :

Microprocesseur (CPU)

Un microprocesseur (CPU, Central Processing Unit) est un circuit intégré qui contient uniquement l’unité de calcul et de contrôle d’un ordinateur. C’est le « cerveau » de la machine : il lit les instructions d’un programme et les exécute.

Jusqu’au début des années 1970, un processeur nécessitait plusieurs circuits intégrés séparés. En 1971, Intel réussit à tout regrouper sur une seule puce (l’Intel 4004) : le microprocesseur était né.

Un microprocesseur ne fonctionne pas seul : il a besoin de mémoire externe (RAM, disque) et de circuits d’entrée/sortie, connectés via une carte mère.

Ses principales caractéristiques sont :

• Le jeu d’instructions : l’ensemble des opérations élémentaires que le processeur sait exécuter (addition, comparaison, multiplication, branchement…). Un processeur peut disposer de plusieurs centaines d’instructions différentes.

• La largeur du bus de données : le nombre de bits traités simultanément. Les premiers microprocesseurs traitaient 4 bits ; aujourd’hui la norme est 64 bits, ce qui permet de manipuler de grands nombres et d’adresser de vastes espaces mémoire.

• La fréquence d’horloge : elle cadence le rythme d’exécution des instructions. Un processeur à 3 GHz effectue 3 milliards de cycles par seconde.

• Le nombre de cœurs : les processeurs modernes contiennent plusieurs cœurs de calcul capables de travailler en parallèle.

La puissance globale résulte de la combinaison de ces facteurs. Dans les années 1970, un processeur effectuait moins d’un million d’instructions par seconde (MIPS) ; aujourd’hui, on dépasse les 10 milliards.

Microcontrôleur (MCU)

Un microcontrôleur (MCU, MicroController Unit) est un circuit intégré qui rassemble dans un seul boîtier :

• un microprocesseur (souvent peu puissant mais suffisant pour la tâche visée) ;
• de la mémoire (RAM pour les données temporaires, ROM/Flash pour le programme) ;
• des périphériques d’entrée/sortie (ports série, convertisseurs analogique-numérique, timers…).

C’est un véritable petit ordinateur autonome sur une puce, conçu pour exécuter une tâche spécifique de manière fiable et économe en énergie.

On retrouve les microcontrôleurs dans une multitude d’applications du quotidien : machine à laver, four à micro-ondes, système ABS d’une voiture, télécommande, carte Arduino… Ils sont aussi très utilisés en robotique et en domotique.

Système sur puce (SoC)

Un système sur puce (SoC, System on a Chip) pousse l’intégration encore plus loin qu’un microcontrôleur. Sur une seule puce, on trouve :

• un ou plusieurs processeurs (CPU) ;
• un processeur graphique (GPU) ;
• de la mémoire ;
• des contrôleurs de communication (Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G) ;
• des capteurs et coprocesseurs spécialisés (intelligence artificielle, traitement du signal…).

Le SoC s’est imposé avec l’informatique nomade : smartphones, tablettes, montres connectées. Son atout majeur est de combiner haute performance et faible consommation d’énergie dans un encombrement minimal.

En contrepartie, là où un ordinateur de bureau permet de remplacer individuellement le processeur, la carte graphique ou la mémoire, un SoC forme un tout indissociable : aucune mise à jour matérielle n’est possible.

Avantages et limites de l’intégration

Avantages. L’intégration de plusieurs composants sur une même puce apporte deux gains majeurs :

• vitesse : sur une carte mère classique, le processeur, la mémoire et le GPU sont des puces séparées reliées par des pistes de plusieurs centimètres. Les signaux électriques mettent du temps à parcourir ces distances, ce qui engendre de la latence. Dans un SoC, tous les composants sont à quelques millimètres les uns des autres sur la même puce : les communications sont quasi instantanées ;
• consommation : piloter des signaux sur de longues pistes nécessite plus d’énergie. Un SoC, avec ses connexions internes courtes, consomme beaucoup moins, ce qui est essentiel pour les appareils sur batterie.

Limites. Cette intégration a aussi des contreparties :

• dissipation thermique : concentrer des milliards de transistors actifs sur quelques mm² génère une chaleur intense, difficile à évacuer ;
• coût de conception : concevoir un SoC complexe nécessite des investissements de plusieurs milliards de dollars et des années de développement ;
• non-évolutivité : si un composant du SoC devient obsolète ou tombe en panne, il est impossible de le remplacer seul — il faut changer la puce entière, voire l’appareil ;
• limites physiques : en dessous de quelques nanomètres, des effets quantiques (effet tunnel) perturbent le fonctionnement des transistors, rendant la miniaturisation de plus en plus difficile.

Systèmes embarqués

Un système embarqué est un système informatique autonome, intégré dans un dispositif qu’il contrôle, et dédié à une tâche précise. Il se distingue d’un ordinateur généraliste par :

• des ressources limitées (mémoire, puissance de calcul, taille, énergie) ;
• une fonction spécialisée (freinage ABS, régulation thermique, pilote automatique…) ;
• des contraintes de fiabilité souvent critiques, parfois en temps réel (un système de freinage doit réagir en quelques millisecondes).

Le logiciel d’un système embarqué est appelé firmware (ou micrologiciel). Contrairement aux programmes d’un ordinateur classique stockés sur un disque dur, le firmware est gravé dans une mémoire non volatile (ROM, Flash) et s’exécute dès la mise sous tension.

Les systèmes embarqués s’appuient généralement sur des microcontrôleurs (pour les systèmes simples et économes) ou des SoC (pour les systèmes plus complexes comme les smartphones ou les drones).

On les retrouve partout : automobile (injection, ABS, airbag), aéronautique (pilote automatique), médical (pacemaker, IRM), domotique (thermostat connecté), industrie (robots de chaîne de montage), etc.

Activité : identifier les composants d’un SoC

Le schéma ci-dessous représente l’architecture simplifiée d’un système sur puce (SoC) de smartphone.

Questions :

1. Identifier sur le schéma les composants suivants : CPU, GPU, mémoire, contrôleur Wi-Fi/Bluetooth, contrôleur d’affichage, contrôleur de caméra.
2. Expliquer pourquoi la proximité physique entre le CPU et la mémoire sur la même puce est un avantage en termes de vitesse par rapport à un ordinateur de bureau.
3. Expliquer pourquoi cette intégration est également un avantage en termes de consommation d’énergie.
4. Donner un inconvénient de cette intégration poussée par rapport à un ordinateur de bureau dont les composants sont séparés.
5. Ce SoC contient un CPU, un GPU et de la mémoire. S’agit-il d’un microprocesseur, d’un microcontrôleur ou d’un système sur puce ? Justifier.

Exercices

Les exercices sont regroupés dans une fiche dédiée.