Quest-ce quun SoC ?

Si vous avez déjà regardé à l'intérieur d'une tour PC, vous pouvez voir qu'il y a beaucoup de composants différents. Votre ordinateur portable moyen contient la plupart des mêmes composants, mais les réduit, les reformate et supprime autant d'espace "gaspillé" que possible. Un smartphone peut faire les mêmes choses qu'un ordinateur de bureau ou un ordinateur portable, mais certes pas aussi rapidement. Il le fait parce qu'il contient le même type de matériel. Dans le petit corps d'un smartphone, il n'y a vraiment pas assez d'espace pour que les choses ressemblent même à un ordinateur portable. Pour contourner les importantes contraintes d'espace, un tout nouveau paradigme de conception est utilisé.

Système sur puce

Un ordinateur est alimenté par un CPU, un smartphone par un SoC ou un System on Chip. Le SoC contient un processeur, mais il contient aussi bien plus que cela. Et c'est ce qui le différencie et permet au minuscule facteur de forme du smartphone d'offrir les mêmes fonctionnalités qu'un ordinateur tout en tenant dans votre poche et en fonctionnant avec une petite batterie.

Remarque : SoC est l'abréviation de System on Chip, cependant, la contraction System on a Chip a plus de sens grammatical. Si cela vous aide, vous pouvez supposer que le "a" est entre parenthèses et est supposé mais non dit.

Le paradigme informatique consiste à séparer les parties afin que vous puissiez optimiser chacune d'elles indépendamment et les refroidir correctement, bien que les ordinateurs portables aient tendance à avoir du mal avec cette dernière partie. Le paradigme mobile consiste à tout regrouper dans une super puce globale, un système informatique complet sur une seule puce.

Que contient un SoC ?

Cela dépend vraiment du SoC et de ce à quoi il est destiné. Il doit contenir au moins un cœur de traitement. Il peut s'agir d'un cœur de processeur à usage général, d'un cœur de microcontrôleur ou de quelque chose de plus spécifique comme un processeur de signal numérique. En règle générale, un SoC contient plusieurs cœurs de traitement, bien que certains produits simples n'en utilisent qu'un seul. Un SoC doit également contenir une sorte d'interconnexion pour connecter différents composants sur la puce. Historiquement, il s'agissait d'un bus partagé, cependant, les systèmes actuels et futurs tendent vers un système de type réseau plus robuste appelé NoC ou Network on Chip.

Conseil : un NoC ne doit pas être confondu avec un NOC ou un Network Operations Center.

Presque tout le reste est facultatif, bien qu'il faille en contenir plus pour qu'il s'agisse d'un SoC. La mémoire et le contrôleur de mémoire peuvent être intégrés dans la puce sous la forme d'un cache SRAM et d'une DRAM, bien que la mémoire hors puce puisse également être utilisée. Les SoC destinés aux smartphones ont tendance à intégrer d'autres types d'unités de traitement telles qu'un GPU, un NPU et un processeur de signal numérique.

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Pourquoi choisir un SoC ?

En règle générale, un SoC sera une seule puce de silicium monolithique. Cela dit, les technologies d'emballage modernes commencent à permettre l'empilement 3D de puces de silicium les unes sur les autres. Ces conceptions 3D ont tendance à être encore appelées puces uniques, tout comme les SoC. Un SoC qui utilise des puces distinctes est différencié en tant que System In Package ou SIP.

Concevoir un système qui intègre tout dans une seule puce est excellent pour les environnements à espace restreint, car la densité IP sur silicium est extrêmement élevée. Néanmoins, des défis spatiaux se posent. Les puces plus grandes ont tendance à avoir des rendements inférieurs car les défauts dans la tranche de silicium sont plus susceptibles d'affecter une puce donnée. Regrouper beaucoup de puissance de traitement signifie également qu'il peut y avoir beaucoup de production de chaleur. Ensemble, cela signifie que des compromis doivent être faits pour assurer un système stable. Cela s'harmonise également bien avec les besoins en énergie des nombreux appareils alimentés par batterie qui utilisent des SoC où l'efficacité énergétique est essentielle.

Pour les appareils destinés aux utilisateurs finaux directs, un équilibre entre une efficacité énergétique élevée et des performances élevées doit être trouvé. À cette fin, la plupart des SoC pour smartphones utilisent une gamme de cœurs de processeur, dont certains sont optimisés pour les performances et d'autres pour l'efficacité.

En plaçant tout sur une seule puce, la latence est minimisée et des bandes passantes plus élevées peuvent être obtenues. De plus, la puissance nécessaire pour communiquer les signaux est réduite car les « câbles » sont plus courts. Avec une puce étroitement intégrée, il y a moins de risques de se tromper. De plus, les coûts de fabrication n'incluent pas les coûts des étapes de combinaison supplémentaires, comme dans la conception d'un chiplet.

Limites d'un SoC

La plus grande limitation d'un SoC est la densité de chaleur/puissance. Il est difficile de refroidir les appareils, en particulier quelque chose comme un smartphone qui doit compter sur un refroidissement passif. Un SoC doit être réglé sur son enveloppe thermique attendue. C'est finalement le facteur limitant les performances sur les smartphones. Lorsqu'il est étendu à des appareils avec un refroidissement plus actif tels que les livres Mac récents avec le silicium auto-conçu d'Apple, le budget d'alimentation peut être augmenté car cette chaleur peut être dissipée plus efficacement. Ainsi, les puces M1 et M2 offrent une puissance de traitement nettement supérieure à celle d'un SoC pour smartphone.

Il y a cependant une limite à cela. Les processeurs et GPU haut de gamme modernes sont déjà incroyablement chauds. Vous ne pouvez tout simplement pas intégrer les deux dans un seul grand SoC. La densité thermique serait tout simplement trop élevée et il serait pratiquement impossible de refroidir. Certains de ces appareils, les GPU plus que les CPU, atteignent également les limites de la technologie actuelle en ce qui concerne les puces monolithiques. Cela peut être vu avec le changement qui a déjà commencé vers les conceptions de puces.

Les chiplets aident à bien des égards, réduisant certains coûts de conception et augmentant les rendements, mais n'ont pas d'effet massif sur les thermiques car les chiplets doivent toujours être emballés très proches les uns des autres et partager le même équipement de dissipation thermique. En tant que tel, il n'y a qu'une quantité limitée de puissance de traitement qui peut être entassée dans un SoC avant qu'il ne devienne trop gros et encombrant, auquel cas de meilleures performances peuvent être obtenues en divisant les composants comme on le voit dans les ordinateurs modernes.

Cela dit, les ordinateurs intègrent lentement de plus en plus de fonctionnalités sur le CPU. Cela présente des avantages en termes de performances. Il est cependant peu probable que ce processus s'étende trop loin. Il est peu probable que le stockage de masse, la DRAM et les graphiques haut de gamme soient intégrés.

Conclusion

SoC signifie System on Chip. Il ne doit pas être confondu avec SOC qui signifie Security Operations Center ou Systems and Organization Controls. C'est le concept d'intégration de la plupart des composants d'un dispositif informatique directement dans une seule puce de silicium. Le cœur de la puce est le processeur, mais la plupart des autres composants et la puissance de traitement sont également directement inclus. Le paradigme de conception SoC a été extrêmement réussi sur le marché des smartphones. Il est également utilisé dans les appareils embarqués, l'IoT et les systèmes industriels où il offre plus d'intelligence que les microcontrôleurs traditionnels. Les SoC peuvent également être trouvés dans les tablettes et certains ordinateurs portables fins et légers.

Compte tenu de leur marché, les SoC sont généralement réglés pour une efficacité énergétique avec des performances de pointe en option à la demande. Cela ne fait pas nécessairement partie intégrante de la conception. Les performances globales sont limitées par la densité thermique, ce qui implique qu'il existe des limites quant à la quantité de fonctionnalités à intégrer dans un SoC plutôt qu'à être séparées.