Exercices : composants intégrés

B. Jack Kilby a inventé le premier circuit intégré en 1958 chez Texas Instruments. A correspond à l’invention du transistor, C au premier microprocesseur, D au prix Nobel.

B. La loi de Moore (1965) prévoit un doublement environ tous les deux ans. Six mois est trop rapide (A), un triplement tous les cinq ans sous-estime la croissance (C), et la loi a continué à se vérifier approximativement après 2010 (D).

B. Un MCU intègre, en plus du processeur, de la mémoire (RAM, ROM/Flash) et des périphériques d’E/S. Le GPU est typique d’un SoC (A), la connectivité Wi-Fi/Bluetooth aussi (C), et l’écran/clavier sont des périphériques externes (D).

B. La proximité physique des composants sur la même puce réduit la latence des communications (quelques millimètres au lieu de plusieurs centimètres sur une carte mère). Un SoC n’a pas nécessairement une fréquence plus élevée (A), le type de mémoire n’est pas spécifique (C), et le nombre de cœurs varie selon les modèles (D).

C. 10 µm = 10 000 nm. Le facteur est 10 000 / 3 ≈ 3 333. A correspond à une confusion d’unité µm/nm, B à une erreur de calcul, D à un facteur 10 en trop.

B. Un firmware est un logiciel gravé dans une mémoire non volatile (ROM, Flash), qui s’exécute dès la mise sous tension. Ce n’est pas un composant matériel (A), il est bien plus léger qu’un OS (C), et il n’est pas sur un disque dur (D).

1. CPU. L’Intel Core i9-14900K ne contient que des cœurs de calcul. Il a besoin d’une carte mère avec RAM, GPU et contrôleurs d’E/S externes.
2. SoC. Le Snapdragon 8 Gen 3 intègre sur une seule puce le CPU, le GPU, le modem 5G, Wi-Fi, Bluetooth et un coprocesseur IA : c’est un système complet.
3. MCU. Le STM32F103 intègre processeur, mémoire (RAM + Flash) et périphériques d’E/S, mais pas de GPU ni de modem.
4. SoC. L’Apple M3 intègre CPU, GPU, mémoire unifiée, moteur neuronal et contrôleur d’affichage sur la même puce.
5. MCU. L’ATmega328P intègre un processeur 8 bits, de la mémoire et des broches d’E/S : c’est le microcontrôleur de l’Arduino Uno.

1. Application de \(N(a) = 2,300 \times 2^{(a - 1971)/2}\) :

• a) Pour 1989 : \(N = 2,300 \times 2^{9} = 2,300 \times 512 = 1,177,600 \approx 1{,}2\) million.
• b) Pour 2023 : \(N = 2,300 \times 2^{26} = 2,300 \times 67,108,864 \approx 1{,}54 \times 10^{11}\), soit environ 154 milliards.

2. Pour l’Intel 486, l’estimation (≈ 1,2 million) est remarquablement proche de la réalité (1,2 million) : la loi de Moore était très bien vérifiée en 1989. Pour l’Apple M3, l’estimation (154 milliards) est très supérieure à la réalité (25 milliards) : la croissance a ralenti ces dernières années, la loi de Moore se heurte aux limites physiques.

3. On cherche \(a\) tel que \(2,300 \times 2^{(a-1971)/2} = 10^9\) :

$$2^{(a-1971)/2} = \frac{10^9}{2,300} \approx 434,783$$

$$\frac{a - 1971}{2} = \log_2(434,783) \approx 18{,}73 \quad \Rightarrow \quad a \approx 2008{,}5$$

La loi de Moore prédisait environ 1 milliard de transistors vers 2008-2009. En réalité, l’Intel Core i7 (2008) contenait 731 millions de transistors et le seuil a été franchi vers 2010.

1. La puce A est un SoC. Elle intègre CPU, GPU, mémoire, et contrôleurs de communication (Wi-Fi, Bluetooth, GPS, modem 5G) sur une seule puce.
2. La puce B est un CPU. Elle ne contient que des cœurs de calcul (8 cœurs), sans mémoire intégrée ni GPU.
3. Deux raisons : l’intégration (connexions internes courtes dans un SoC vs pistes de plusieurs cm sur une carte mère) et la finesse de gravure plus petite (transistors plus petits nécessitant moins de courant).
4. Cela n’est possible qu’avec la puce B (CPU). Le GPU est un composant séparé sur la carte mère, donc remplaçable. Avec la puce A (SoC), le GPU est intégré sur la même puce : impossible de le remplacer seul.
5. La puce B a le double de cœurs (8 contre 4), une fréquence d’horloge souvent plus élevée (>5 GHz), et une enveloppe thermique (125 W) autorisant une puissance soutenue. La puce A, limitée à 5 W, doit brider ses performances pour ne pas surchauffer.

1. Système embarqué, MCU. Tâche simple (mesurer la température, commander le chauffage). Contrainte : faible consommation (fonctionnement sur piles) et fiabilité sur de longues durées.
2. Système embarqué, SoC (ou système multi-processeurs redondants). Traitement parallèle de nombreuses données. Contrainte : fiabilité critique et temps réel (une défaillance peut être fatale).
3. Système embarqué, SoC. Écran, GPS, capteur, Bluetooth, applications. Contrainte : très faible consommation (autonomie de plusieurs jours sur batterie minuscule).
4. Système embarqué, MCU. Surveillance des capteurs de vitesse et commande des freins. Contrainte : temps réel strict (freinage ajusté en quelques millisecondes).
5. Système embarqué, SoC. Navigation (caméra, capteurs LIDAR/IR), cartographie, contrôle moteurs. Contrainte : autonomie et capacité de calcul pour la navigation intelligente.

1. Faux. Un SoC intègre plus de composants, mais ses cœurs CPU sont souvent moins puissants que ceux d’un processeur de bureau. Un Intel Core i9 est plus rapide en calcul pur qu’un SoC de smartphone.
2. Faux. La loi de Moore est une loi empirique (une observation industrielle), pas une loi de la physique.
3. Vrai. Un MCU intègre processeur, mémoire et E/S sur la même puce : c’est un ordinateur autonome.
4. Faux. La vitesse dépend aussi de la fréquence d’horloge, du nombre de cœurs, de l’architecture, de la taille des caches, etc.
5. Vrai. Système autonome, intégré dans le corps, dédié à réguler le rythme cardiaque, avec ressources limitées et contrainte de fiabilité critique.
6. Faux. L’Intel 4004 était un microprocesseur (CPU) : il ne contenait que l’unité de calcul et nécessitait des puces mémoire et d’E/S séparées.

1. Conversions :

• a) 10 µm = 10 × 10³ nm = 10 000 nm
• b) 1 µm = 1 000 nm
• c) 0,065 µm = 0,065 × 10³ nm = 65 nm

2. 3 nm = 3 × 10⁻⁹ m. Nombre d’atomes : 3 / 0,2 = 15 atomes de silicium.

3. Avec seulement 15 atomes de large, on approche de la limite physique fondamentale : on ne peut pas graver un transistor sur moins d’un atome. De plus, à cette échelle, des effets quantiques (effet tunnel) apparaissent : les électrons traversent les barrières isolantes, provoquant des fuites de courant et des dysfonctionnements.

1. Oui, c’est un système embarqué :

• ressources limitées : alimentation par batterie solaire, pas de clavier ni écran ;
• fonction spécialisée : le système ne fait que compter des vélos et transmettre les données ;
• contraintes de fiabilité : fonctionnement autonome pendant un an, sans maintenance, par tous les temps.

2. Le plus adapté est un MCU, associé à un module 4G externe :

• un CPU nécessiterait une carte mère : surdimensionné et trop énergivore ;
• un SoC intègre GPU, Wi-Fi, Bluetooth inutiles ici : surdimensionné et plus coûteux ;
• un MCU intègre tout le nécessaire (processeur, mémoire, E/S) pour une consommation minimale.

3. Deux contraintes majeures :

• autonomie énergétique : le MCU consomme très peu (de l’ordre du milliwatt en veille), compatible avec une alimentation solaire ;
• fiabilité : le firmware gravé en Flash s’exécute dès la mise sous tension, sans OS complexe susceptible de planter.

4. Non, le temps réel strict n’est pas nécessaire. Un vélo passe en quelques dixièmes de seconde : un délai de quelques millisecondes est suffisant. Il n’y a pas de danger si la détection est légèrement retardée (contrairement à un ABS). C’est du temps réel souple au plus.