Un SoC (System on Chip, ou système sur puce) est un circuit intégré qui regroupe sur une seule puce la plupart, voire la totalité, des composants nécessaires au fonctionnement d'un appareil électronique. Au lieu d'utiliser plusieurs circuits séparés, toutes les fonctions principales sont réunies dans un même composant.

Les SoC équipent aujourd'hui les smartphones, les tablettes, les montres connectées, les téléviseurs intelligents, les consoles de jeux, les drones, les objets connectés, les systèmes automobiles et de nombreux ordinateurs.

Cette forte intégration permet de réduire la taille des appareils, leur consommation électrique, leur coût de fabrication et d'améliorer leurs performances.

Le principe de fonctionnement

Dans un système électronique classique, chaque fonction est assurée par un circuit intégré différent : processeur, mémoire, contrôleur graphique, interfaces de communication, contrôleur USB, gestion de l'alimentation, etc.

Le SoC rassemble toutes ces fonctions sur une seule puce de silicium. Les échanges entre les différents blocs sont ainsi beaucoup plus rapides, car ils s'effectuent directement à l'intérieur du composant.

Le processeur central coordonne le fonctionnement de l'ensemble tandis que les autres unités spécialisées exécutent les tâches qui leur sont confiées.

Le processeur central

Le cœur d'un SoC est généralement un ou plusieurs processeurs (CPU).

Ils exécutent le système d'exploitation, les applications et coordonnent le fonctionnement des différents blocs matériels.

Les SoC modernes utilisent souvent plusieurs cœurs de calcul ayant des performances différentes afin d'adapter leur consommation électrique aux besoins du moment.

Par exemple, les tâches simples peuvent être confiées à des cœurs économes en énergie, tandis que les calculs plus exigeants utilisent des cœurs beaucoup plus puissants.

Le processeur graphique

La plupart des SoC intègrent également un processeur graphique (GPU).

Il prend en charge l'affichage de l'interface graphique, les animations, les jeux vidéo, le traitement des images et le décodage de nombreuses vidéos.

Son intégration dans la même puce améliore les performances tout en limitant la consommation électrique.

Les mémoires

Le SoC contient différentes mémoires internes destinées au fonctionnement du processeur et des autres unités.

On y trouve notamment des mémoires cache, de la mémoire ROM contenant le programme de démarrage ainsi que diverses mémoires utilisées par les différents contrôleurs.

La mémoire vive (RAM) reste souvent placée à proximité immédiate du SoC afin d'offrir une très grande vitesse de communication. Dans certains systèmes récents, elle est même intégrée directement dans le boîtier du processeur.

Les interfaces de communication

Les SoC regroupent de nombreuses interfaces permettant de communiquer avec les autres composants de l'appareil.

Ils peuvent intégrer des contrôleurs USB, PCI Express, SATA, Ethernet, I²C, SPI, UART, CAN, SDIO, HDMI, DisplayPort ou encore MIPI pour les écrans et les caméras.

Grâce à cette intégration, le nombre de composants externes est considérablement réduit.

Les communications sans fil

De nombreux SoC possèdent directement des modules de communication radio.

Ils peuvent intégrer le Wi-Fi, le Bluetooth, le NFC, le GPS ou encore les réseaux cellulaires 4G et 5G.

Le même circuit peut ainsi gérer l'ensemble des communications sans fil d'un appareil.

Les accélérateurs spécialisés

Les SoC modernes comportent de nombreuses unités spécialisées destinées à accélérer certaines opérations.

On y trouve par exemple des décodeurs vidéo, des encodeurs vidéo, des processeurs de traitement d'image (ISP), des processeurs de signaux numériques (DSP), des contrôleurs audio ou encore des accélérateurs cryptographiques.

Ces unités réalisent leurs traitements beaucoup plus rapidement et avec une consommation bien plus faible qu'un processeur généraliste.

Les accélérateurs d'intelligence artificielle

Les SoC les plus récents intègrent également des unités dédiées à l'intelligence artificielle.

Ces circuits, appelés NPU (Neural Processing Unit) ou accélérateurs IA, exécutent très efficacement les réseaux de neurones utilisés pour la reconnaissance d'images, la traduction automatique, la reconnaissance vocale ou l'amélioration des photographies.

Leur présence permet d'effectuer ces calculs directement dans l'appareil, sans avoir besoin d'envoyer les données vers un serveur distant.

La gestion de l'alimentation

Les SoC sont conçus pour fonctionner avec une consommation électrique très faible.

Ils peuvent arrêter certaines parties inutilisées, réduire leur fréquence d'horloge ou leur tension d'alimentation afin d'économiser l'énergie.

Cette gestion intelligente permet d'augmenter considérablement l'autonomie des appareils fonctionnant sur batterie.

Les avantages des SoC

L'intégration de nombreux composants sur une seule puce réduit fortement l'encombrement, simplifie la fabrication des cartes électroniques et améliore la fiabilité des appareils.

Les communications internes étant beaucoup plus rapides, les performances augmentent tandis que la consommation électrique diminue.

Le coût de fabrication est également réduit lorsque les appareils sont produits en grande série.

Les limites des SoC

Cette forte intégration présente aussi quelques inconvénients.

Lorsqu'une fonction devient insuffisante, il est généralement impossible de remplacer uniquement cette partie du système. Il faut changer l'ensemble du SoC.

La dissipation thermique est également plus difficile, car de nombreuses unités de calcul fonctionnent dans un espace très réduit.

Les applications

Les SoC sont utilisés dans les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables, les montres connectées, les consoles de jeux, les téléviseurs intelligents, les drones, les systèmes embarqués, les véhicules autonomes, les équipements médicaux et les objets connectés.

Ils équipent également de nombreux microcontrôleurs avancés et les cartes de développement destinées à l'apprentissage de l'électronique et de l'informatique embarquée.

Quelques SoC célèbres

Les familles Snapdragon de Qualcomm, Apple A, Apple M, Samsung Exynos, MediaTek Dimensity, Google Tensor, NVIDIA Tegra et les Broadcom BCM utilisés sur les cartes Raspberry Pi sont parmi les SoC les plus connus.

Ils regroupent sur une seule puce des processeurs, des GPU, des contrôleurs mémoire, des interfaces de communication, des accélérateurs vidéo, des unités d'intelligence artificielle et de nombreuses autres fonctions indispensables aux appareils électroniques modernes.