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Exercices — Circuits intégrés et SoC

Exercice 1 : Loi de Moore (QCM)

  1. La loi de Moore prédit que :

    • a) La vitesse des processeurs double tous les ans
    • b) Le nombre de transistors double environ tous les deux ans (à coût constant)
    • c) La consommation électrique diminue de moitié tous les ans
    • d) Le prix des processeurs double tous les deux ans

  2. Pourquoi la loi de Moore atteint-elle ses limites physiques ?

    • a) Les transistors ne peuvent pas être plus petits qu'un atome
    • b) Les effets quantiques perturbent le fonctionnement sous 5 nm
    • c) La dissipation thermique devient ingérable
    • d) Toutes les réponses ci-dessus

  3. Quelle stratégie les fabricants utilisent-ils pour contourner ces limites ?

    • a) Augmenter la fréquence indéfiniment
    • b) Multiplier le nombre de cœurs
    • c) Utiliser des matériaux radioactifs
    • d) Réduire la taille de la RAM

Exercice 2 : Composants d'un SoC

Un SoC moderne comme l'Apple M3 contient plusieurs composants.

  1. Parmi les éléments suivants, lesquels peuvent être intégrés dans un SoC ? (Plusieurs réponses possibles)

    • CPU
    • GPU
    • Disque dur mécanique
    • Contrôleur Wi-Fi
    • Mémoire cache
    • NPU (Neural Processing Unit)
    • Écran
    • Contrôleur USB

  2. Expliquer pourquoi un disque dur mécanique ne peut pas être intégré dans un SoC.

  3. Donner deux avantages et deux inconvénients de l'intégration de tous ces composants sur une seule puce.

Exercice 3 : Calculs sur les transistors

Le tableau suivant donne l'évolution du nombre de transistors dans les processeurs :

Processeur Année Transistors
Intel 4004 1971 2 300
Intel 8086 1978 29 000
Intel Pentium 1993 3 100 000
Intel Core i7 (1ère gén.) 2008 731 000 000
Apple M1 2020 16 000 000 000

  1. Calculer le facteur multiplicatif du nombre de transistors entre l'Intel 4004 et l'Apple M1.

  2. Si la loi de Moore était parfaitement respectée (doublement tous les 2 ans), combien de transistors devrait avoir un processeur en 2020, en partant de 2 300 transistors en 1971 ?

  3. Comparer avec le nombre réel de l'Apple M1. La loi de Moore a-t-elle été respectée ?

Exercice 4 : ARM vs x86

Compléter le tableau comparatif suivant :

Critère Architecture x86 Architecture ARM
Type d'instructions CISC ...
Consommation électrique ... Faible
Utilisation principale ... Smartphones, tablettes
Exemples de fabricants Intel, AMD ...
Complexité des instructions Élevée ...

Exercice 5 : Systèmes embarqués

Pour chaque système embarqué ci-dessous, identifier :

  • Le type de capteurs utilisés
  • Les contraintes principales (temps réel, consommation, fiabilité)
  • Un exemple de SoC qui pourrait être utilisé
  1. Thermostat connecté
  2. Système ABS d'une voiture
  3. Montre connectée (smartwatch)

Exercice 6 : Impact environnemental

Un smartphone contient environ 50 matériaux différents, dont des terres rares.

  1. Citer trois problèmes environnementaux liés à la fabrication des SoC.

  2. Pourquoi les SoC contribuent-ils à l'obsolescence programmée ?

  3. Proposer trois actions concrètes qu'un consommateur peut entreprendre pour réduire l'impact environnemental de ses appareils électroniques.

Exercice 7 : Analyse d'un SoC réel

Voici les spécifications du SoC Qualcomm Snapdragon 8 Gen 3 (2023) :

  • CPU : 8 cœurs (1 × 3.3 GHz + 3 × 3.2 GHz + 2 × 3.0 GHz + 2 × 2.3 GHz)
  • GPU : Adreno 750
  • NPU : Hexagon
  • Gravure : 4 nm
  • Modem 5G intégré
  • Wi-Fi 7, Bluetooth 5.4

  1. Expliquer pourquoi le CPU possède des cœurs à différentes fréquences.

  2. À quoi sert le NPU (Neural Processing Unit) dans un smartphone moderne ?

  3. Quel est l'avantage d'avoir le modem 5G intégré au SoC plutôt que sur une puce séparée ?

  4. Calculer le rapport de fréquence entre le cœur le plus rapide et le cœur le plus lent.

Exercice 8 : RISC-V et open source

RISC-V est une architecture de processeur open source.

  1. Expliquer ce que signifie "open source" dans le contexte d'une architecture de processeur.

  2. Citer deux avantages de RISC-V par rapport à ARM ou x86.

  3. Donner un exemple de domaine où RISC-V est particulièrement adapté.

  4. Pourquoi les grandes entreprises (Google, Alibaba) s'intéressent-elles à RISC-V ?

Exercice 9 : Conversion et calculs

  1. Un processeur utilise une gravure de 3 nm. Convertir cette valeur en :

    • Micromètres (µm)
    • Mètres

  2. Sachant qu'un atome de silicium mesure environ 0,2 nm de diamètre, combien d'atomes de silicium peuvent théoriquement tenir sur une largeur de 3 nm ?

  3. Pourquoi ce calcul montre-t-il les limites de la miniaturisation ?

Exercice 10 : Synthèse

Rédiger un paragraphe de 10 à 15 lignes expliquant pourquoi les SoC ont révolutionné l'informatique mobile et quels sont les défis pour l'avenir.

Votre réponse doit aborder :

  • L'intégration des composants
  • L'efficacité énergétique
  • Les limites physiques de la miniaturisation
  • Les enjeux environnementaux

Auteur : Florian Mathieu

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