ajout de tous les cours et TP préparés cet été
This commit is contained in:
252
Soc/Cours_circuits_integres.md
Normal file
252
Soc/Cours_circuits_integres.md
Normal file
@@ -0,0 +1,252 @@
|
||||
# Circuits intégrés et Systèmes sur Puce (SoC)
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 1. Rappels de Première
|
||||
|
||||
### 1.1. Composition d'un ordinateur
|
||||
|
||||
Nous avons vu en Première que l'évolution de l'architecture des ordinateurs a abouti à l'architecture de Von Neumann.
|
||||
|
||||
Cette architecture possède les composants suivants :
|
||||
|
||||
- **Mémoire**
|
||||
- Mémoire de masse (disque dur, SSD)
|
||||
- Mémoire vive (RAM)
|
||||
- **Processeur (CPU)**
|
||||
- **Carte graphique (GPU)** (optionnel)
|
||||
- **Périphériques d'entrée**
|
||||
- Souris, clavier, microphone
|
||||
- **Périphériques de sortie**
|
||||
- Écran, haut-parleurs
|
||||
|
||||
Tous ces composants sont reliés par des **bus** (dans le cas d'un ordinateur de bureau, il s'agit de pistes sur la carte mère et de câbles).
|
||||
|
||||
### 1.2. Évolution de la taille des ordinateurs
|
||||
|
||||
- **1945 - ENIAC** : Le premier ordinateur électronique programmable faisait 167 m² et pesait 30 tonnes.
|
||||
|
||||
|
||||
*L'ENIAC en 1945 (Source : Wikipédia)*
|
||||
|
||||
- **1981 - IBM PC 5150** : Le premier ordinateur personnel grand public, tenant sur un bureau.
|
||||
|
||||
|
||||
*L'IBM PC 5150 (Source : Wikipédia)*
|
||||
|
||||
- **Aujourd'hui** : Ordinateurs portables, tablettes, smartphones... La puissance de l'ENIAC tient désormais dans une puce de quelques millimètres carrés.
|
||||
|
||||
### 1.3. Évolution de la puissance : la loi de Moore
|
||||
|
||||
**Gordon E. Moore**, cofondateur d'Intel en 1968, a formulé en 1965 une observation empirique devenue célèbre :
|
||||
|
||||
> **Loi de Moore** : À coût constant, le nombre de transistors dans un microprocesseur double environ tous les deux ans.
|
||||
|
||||
Cette loi s'est vérifiée pendant plus de 50 ans, permettant une croissance exponentielle de la puissance de calcul.
|
||||
|
||||
**Limites physiques :**
|
||||
|
||||
La miniaturisation des transistors atteint ses limites physiques :
|
||||
- En 2024, les processeurs les plus avancés utilisent une gravure en **3 nm** (environ 15 atomes de silicium)
|
||||
- Les effets quantiques (effet tunnel) deviennent problématiques en dessous de 5 nm
|
||||
- La dissipation thermique devient un défi majeur
|
||||
|
||||
**Évolution des stratégies :**
|
||||
|
||||
Face à ces limites, les fabricants adoptent de nouvelles approches :
|
||||
- **Augmentation du nombre de cœurs** : Les processeurs modernes ont 8, 16, voire 24 cœurs
|
||||
- **Architectures hybrides** : Mélange de cœurs performants et de cœurs économes (big.LITTLE, Intel Hybrid)
|
||||
- **Accélérateurs spécialisés** : NPU pour l'IA, GPU pour le calcul parallèle
|
||||
|
||||
| Processeur | Année | Transistors | Gravure | Cœurs |
|
||||
|------------|-------|-------------|---------|-------|
|
||||
| Intel 4004 | 1971 | 2 300 | 10 µm | 1 |
|
||||
| Intel Pentium | 1993 | 3,1 millions | 800 nm | 1 |
|
||||
| Intel Core 2 | 2006 | 291 millions | 65 nm | 2 |
|
||||
| Apple M1 | 2020 | 16 milliards | 5 nm | 8 |
|
||||
| Apple M3 Pro | 2023 | 37 milliards | 3 nm | 12 |
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 2. Systèmes sur Puce (SoC)
|
||||
|
||||
### 2.1. Définition
|
||||
|
||||
Un **SoC** (*System on Chip* ou *Système sur Puce*) est un circuit intégré qui regroupe sur une seule puce tous les composants essentiels d'un système informatique :
|
||||
|
||||
- Processeur (CPU)
|
||||
- Processeur graphique (GPU)
|
||||
- Mémoire cache
|
||||
- Contrôleur mémoire
|
||||
- Contrôleurs d'entrées/sorties
|
||||
- Parfois : modem, NPU (Neural Processing Unit), DSP...
|
||||
|
||||
### 2.2. Avantages des SoC
|
||||
|
||||
| Avantage | Explication |
|
||||
|----------|-------------|
|
||||
| **Compacité** | Tous les composants sur une seule puce |
|
||||
| **Consommation réduite** | Moins de distance entre composants = moins d'énergie |
|
||||
| **Performance** | Communication ultra-rapide entre composants |
|
||||
| **Coût** | Production en masse moins chère |
|
||||
| **Fiabilité** | Moins de connexions = moins de points de défaillance |
|
||||
|
||||
### 2.3. Inconvénients des SoC
|
||||
|
||||
| Inconvénient | Explication |
|
||||
|--------------|-------------|
|
||||
| **Non évolutif** | Impossible de remplacer un composant individuellement |
|
||||
| **Obsolescence** | Le système entier devient obsolète si un composant est dépassé |
|
||||
| **Réparation** | En cas de panne, tout le SoC doit être remplacé |
|
||||
| **Recyclage** | Difficile de séparer les différents matériaux |
|
||||
|
||||
### 2.4. Exemples de SoC
|
||||
|
||||
- **Smartphones** : Apple A17 Pro (iPhone), Qualcomm Snapdragon 8 Gen 3 (Android)
|
||||
- **Ordinateurs** : Apple M3 (Mac), Qualcomm Snapdragon X Elite (PC Windows)
|
||||
- **Objets connectés** : ESP32, Raspberry Pi Pico
|
||||
- **Consoles** : AMD APU (PS5, Xbox Series X)
|
||||
|
||||
|
||||
*Raspberry Pi : un micro-ordinateur basé sur un SoC ARM (Source : Wikipédia)*
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 3. Architectures ARM vs x86
|
||||
|
||||
### 3.1. Deux philosophies différentes
|
||||
|
||||
| Caractéristique | x86/x64 (Intel, AMD) | ARM |
|
||||
|-----------------|----------------------|-----|
|
||||
| **Philosophie** | CISC (Complex Instruction Set) | RISC (Reduced Instruction Set) |
|
||||
| **Instructions** | Nombreuses et complexes | Peu nombreuses et simples |
|
||||
| **Consommation** | Élevée | Faible |
|
||||
| **Performance brute** | Très élevée | Élevée (en progression) |
|
||||
| **Utilisation** | PC, serveurs | Smartphones, tablettes, embarqué |
|
||||
|
||||
### 3.2. Convergence récente
|
||||
|
||||
Depuis 2020, la frontière s'estompe :
|
||||
- **Apple Silicon (M1, M2, M3)** : Architecture ARM rivalisant avec x86 sur ordinateurs
|
||||
- **Windows on ARM** : Support des applications x86 par émulation
|
||||
- **Serveurs ARM** : Amazon Graviton, Ampere Altra
|
||||
|
||||
### 3.3. RISC-V : l'architecture libre
|
||||
|
||||
**RISC-V** est une architecture de processeur **open source** :
|
||||
- Pas de royalties à payer
|
||||
- Personnalisable selon les besoins
|
||||
- Adoptée par de nombreux fabricants (SiFive, Alibaba, Google)
|
||||
- Présente dans certains objets connectés et microcontrôleurs
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 4. Systèmes embarqués et IoT
|
||||
|
||||
### 4.1. Définition
|
||||
|
||||
Un **système embarqué** est un système informatique dédié à une tâche spécifique, intégré dans un appareil plus large. Il se caractérise par :
|
||||
|
||||
- Ressources limitées (mémoire, puissance)
|
||||
- Contraintes temps réel
|
||||
- Faible consommation énergétique
|
||||
- Fiabilité élevée
|
||||
|
||||
### 4.2. Exemples de systèmes embarqués
|
||||
|
||||
| Domaine | Exemples |
|
||||
|---------|----------|
|
||||
| **Transport** | ABS, ESP, GPS, pilote automatique |
|
||||
| **Médical** | Pacemaker, pompe à insuline, IRM |
|
||||
| **Domotique** | Thermostat connecté, serrure intelligente |
|
||||
| **Industrie** | Automates programmables, robots |
|
||||
|
||||
### 4.3. Internet des Objets (IoT)
|
||||
|
||||
L'**IoT** (*Internet of Things*) désigne l'interconnexion d'objets du quotidien via Internet :
|
||||
|
||||
- **Capteurs** : température, humidité, mouvement, luminosité
|
||||
- **Actionneurs** : moteurs, LED, relais
|
||||
- **Communication** : Wi-Fi, Bluetooth, LoRa, Zigbee
|
||||
- **Cloud** : stockage et traitement des données
|
||||
|
||||
**Enjeux de l'IoT :**
|
||||
- Sécurité (objets souvent vulnérables)
|
||||
- Vie privée (collecte massive de données)
|
||||
- Interopérabilité (standards multiples)
|
||||
- Consommation énergétique
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 5. Impact environnemental
|
||||
|
||||
### 5.1. Fabrication
|
||||
|
||||
La production des SoC a un impact environnemental significatif :
|
||||
- **Terres rares** : extraction polluante et énergivore
|
||||
- **Eau ultra-pure** : des millions de litres par jour pour une usine
|
||||
- **Énergie** : fabrication très consommatrice
|
||||
|
||||
### 5.2. Obsolescence
|
||||
|
||||
Les SoC contribuent à l'obsolescence programmée :
|
||||
- Impossibilité de mise à niveau
|
||||
- Arrêt des mises à jour logicielles
|
||||
- Incompatibilité avec les nouveaux standards
|
||||
|
||||
### 5.3. Recyclage
|
||||
|
||||
Le recyclage des composants électroniques reste un défi :
|
||||
- Mélange de matériaux difficile à séparer
|
||||
- Présence de substances toxiques
|
||||
- Faible taux de recyclage effectif (< 20% mondial)
|
||||
|
||||
**Initiatives positives :**
|
||||
- Indices de réparabilité obligatoires (France)
|
||||
- Droit à la réparation (Union Européenne)
|
||||
- Éco-conception des produits
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## Synthèse
|
||||
|
||||
```
|
||||
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
|
||||
│ SYSTÈME SUR PUCE (SoC) │
|
||||
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
|
||||
│ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────────────┐ │
|
||||
│ │ CPU │ │ GPU │ │ NPU │ │ Contrôleurs │ │
|
||||
│ │ (ARM/ │ │ │ │ (IA) │ │ (USB, PCIe, │ │
|
||||
│ │ x86) │ │ │ │ │ │ Wi-Fi, etc.) │ │
|
||||
│ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ └─────────────────┘ │
|
||||
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐│
|
||||
│ │ Mémoire Cache ││
|
||||
│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘│
|
||||
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐│
|
||||
│ │ Bus interne haute vitesse ││
|
||||
│ └─────────────────────────────────────────────────────────┘│
|
||||
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
|
||||
│ │
|
||||
▼ ▼
|
||||
┌──────────┐ ┌──────────────┐
|
||||
│ RAM │ │ Stockage │
|
||||
│(externe) │ │ (SSD/eMMC) │
|
||||
└──────────┘ └──────────────┘
|
||||
```
|
||||
|
||||
**Points clés à retenir :**
|
||||
|
||||
1. Un **SoC** intègre tous les composants d'un ordinateur sur une seule puce
|
||||
2. Les architectures **ARM** dominent le mobile grâce à leur efficacité énergétique
|
||||
3. Les architectures **x86** restent dominantes sur PC et serveurs (mais ARM progresse)
|
||||
4. **RISC-V** est une alternative open source prometteuse
|
||||
5. Les **systèmes embarqués** et l'**IoT** utilisent massivement les SoC
|
||||
6. L'**impact environnemental** est un enjeu majeur de l'industrie des semi-conducteurs
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
Auteur : Florian Mathieu
|
||||
|
||||
Licence CC BY NC
|
||||
|
||||
<a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/"><img alt="Licence Creative Commons" style="border-width:0" src="https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/4.0/88x31.png" /></a> <br />Ce cours est mis à disposition selon les termes de la <a rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/">Licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International</a>.
|
||||
Reference in New Issue
Block a user