Le SoC System on a Chip désigne un circuit intégré unique combinant processeur mémoire et interfaces de communication. Cette architecture réduit l’espace occupé la consommation énergétique et les coûts de fabrication des appareils électroniques.
L’organisation ARM Holdings licencie des cœurs Cortex intégrés dans la majorité des SoC destinés aux smartphones. TSMC produit des puces gravées en 2 nanomètres depuis la fin de l’année 2025 pour ses clients. Le standard ouvert UCIe publié en mars 2022 normalise les connexions entre plusieurs puces au sein d’un même boîtier. RISC-V propose une architecture de jeu d’instructions libre de redevances comme alternative aux licences ARM et x86.
L’essentiel à retenir sur le SoC System on a Chip,
- Un SoC combine cœurs de calcul, mémoire et contrôleurs d’entrée-sortie sur un seul die relié par un bus AMBA AXI.
- Le standard UCIe, fondé le 2 mars 2022 par un consortium incluant Intel, AMD, Arm et TSMC, normalise l’assemblage de chiplets.
- RISC-V constitue une architecture ouverte sans redevance, déjà intégrée par Qualcomm dans certains blocs de contrôle.
Architecture interne d’un SoC System on a Chip
Un System on a Chip regroupe plusieurs éléments sur un die en silicium. On y trouve des cœurs de calcul, de la mémoire et des interfaces de communication. Les cœurs ARM Cortex-A gèrent les applications des smartphones. Les cœurs Cortex-M pilotent les microcontrôleurs embarqués à faible consommation. Tous ces blocs fonctionnels communiquent par un bus interne.
Le bus AMBA AXI, créé par Arm Holdings, achemine les données. Il relie le processeur, la mémoire vive et les contrôleurs d’entrée-sortie. Certains SoC récents remplacent ce bus par un réseau sur puce. Ce network-on-chip route simultanément plusieurs flux de données sans engorgement.
La mémoire intégrée associe SRAM rapide et contrôleurs DRAM externes. La SRAM sert de cache rapide au processeur central. Les contrôleurs DRAM gèrent quant à eux la mémoire principale. Des blocs spécialisés complètent la structure de la puce. Ils incluent un modem cellulaire, un GPU, un processeur d’image et un accélérateur d’intelligence artificielle.
Cette intégration verticale réduit la distance physique entre les composants. Elle diminue la latence et la consommation par rapport à des puces séparées. Qualcomm, MediaTek et Apple conçoivent leurs propres SoC. Ils licencient des cœurs Arm ou développent leurs propres puces graphiques.
Fabrication et gravure d’un système sur puce
La société TSMC a lancé la production de masse en 3 nanomètres le 29 décembre 2022. Elle entame ensuite la qualification de son nœud en 2 nanomètres fin 2025. Ce processus détermine la densité de transistors d’un SoC System on a Chip. Il fixe également sa consommation énergétique par opération. La lithographie ultraviolette extrême, ou EUV, permet de graver des motifs sous 10 nanomètres.
Cette technologie fournit une précision impossible pour les techniques optiques classiques. Samsung Foundry et TSMC dominent aujourd’hui ce secteur de fabrication avancée. De son côté, Intel Foundry vise une position comparable sur ces nœuds fins. Le rendement de fabrication mesure la proportion de puces fonctionnelles par plaquette de silicium. Il chute fortement lorsque la surface du die augmente.
Cette baisse d’efficacité pousse les concepteurs à limiter la taille de chaque circuit. Un défaut microscopique sur un grand die condamne l’ensemble de la puce. En revanche, une architecture répartie sur plusieurs petits dies réduit grandement la perte. Ce schéma limite les dégâts au seul module défectueux. Cette contrainte économique majeure explique le basculement progressif de l’industrie vers les chiplets. Ce choix remplace peu à peu les dies monolithiques toujours plus grands.
Architecture logicielle et jeux d’instructions du SoC
La marque Arm vend le droit de faire des puces de calcul. Les clients paient pour avoir les modèles de cœurs Cortex. Ils peuvent aussi créer leurs propres cœurs qui lisent le code Arm. Le projet libre RISC-V est né à l’école de Berkeley. Ce plan ouvert fournit un jeu de code gratuit et sans redevance. Il a un bloc de base simple et de petites options. Ces options aident pour les calculs et pour cacher les données.
La firme Qualcomm met des cœurs RISC-V dans ses puces mobiles. Ils gèrent des tâches de contrôle sans gêner les cœurs Cortex. L’outil GCC et le système Linux connaissent bien RISC-V. Cela aide à faire tourner tous les vieux logiciels sans peine. Ne rien payer par pièce rend RISC-V très bon pour les petites puces. Ces petites puces pas chères sont faites en très grand nombre.
Sur ces pièces, chaque centime compte pour gagner de l’argent. Les puces faites par Intel et AMD équipent les PC et serveurs. Elles demeurent loin des petites puces mobiles du quotidien. Ces deux choix techniques demeurent très bons pour le marché actuel.
Assemblage en chiplets du système sur puce
Le groupe UCIe s’est formé le 2 mars 2022 et réunit Intel, AMD, Arm, TSMC, Samsung, Qualcomm, Google, Meta, Microsoft et ASE. Il fixe des règles simples pour lier de petites puces entre elles. La norme UCIe 1.0 sort en mars 2022. Elle dit comment la puce est faite et de quelle façon la donnée va passer. La version UCIe 1.1 sort en août 2023 avec de vrais gains et peut gérer deux modes en simultané.
Puis en août 2024, la norme UCIe 2.0 permet d’empiler les puces en hauteur. Elle marche très bien avec la version 1.0 du texte. Avant, un circuit SoC était fait d’un seul grand bloc de silicium. Aujourd’hui, on le découpe en plusieurs petits morceaux nommés dies.
Ces dies sont placés côte à côte dans une même boîte. Des liens très rapides nommés PCIe les relient sans perte de temps. Ce choix permet de marier des pièces de divers lieux et usines. Cela fait baisser le prix de ces puces pour tout le monde. On gagne ainsi en prix et en vitesse sur ces puces en chiplets.
Coûts de conception et de licence d’un SoC System on a Chip
La conception d’un SoC System on a Chip mobilise des coûts de licence d’architecture, de développement logiciel et de fabrication en fonderie. Les redevances varient selon le modèle choisi entre cœurs ARM sous licence payante et cœurs RISC-V libres de droits. Ces postes de dépense se répartissent différemment selon le modèle d’architecture retenu par l’équipe de conception.
| Poste de dépense | Licence ARM Cortex | Cœur RISC-V ouvert | Fabrication en fonderie |
|---|---|---|---|
| Nature du coût | Redevance fixe plus royalties par unité vendue | Aucune redevance, coût limité au développement interne | Facturation au masque photolithographique et à la plaquette |
| Dépendance fournisseur | Contrat avec Arm Holdings | Spécification publique, implémentation libre | Contrat avec TSMC, Samsung Foundry ou Intel Foundry |
| Facteur déterminant le coût | Volume d’unités produites | Effort d’ingénierie interne et vérification | Nœud de gravure et taille du die |
| Segment privilégié | Smartphones et applicatifs hautes performances | Microcontrôleurs à très fort volume | Tout type de SoC, quel que soit le jeu d’instructions |
FAQ
Un SoC intègre tous les composants sur un die unique gravé en une seule fois, tandis qu’un SiP (System in Package) assemble plusieurs puces distinctes dans un même boîtier sans les fondre sur un seul substrat de silicium. Le SiP autorise davantage de flexibilité de conception au prix d’une intégration moins dense qu’un SoC monolithique.
La technologie ARM TrustZone isole une zone d’exécution sécurisée du demeure de l’OS pour traiter les clés cryptographiques et les données biométriques. Cette séparation matérielle empêche un logiciel compromis dans l’environnement principal d’accéder directement à cette zone protégée.
La densité de transistors sur un die réduit la surface disponible pour évacuer la chaleur générée par le calcul. Les fabricants doivent alors limiter la fréquence sous charge soutenue. Les smartphones utilisent des chambres à vapeur ou des dissipateurs en graphite pour retarder cette limitation appelée thermal throttling.
Chaque plaquette de silicium subit des tests électriques automatisés appelés wafer testing avant découpe, afin d’identifier les dies présentant des défauts de gravure. Les puces validées passent ensuite par un test final en boîtier avant expédition vers les fabricants d’appareils.
Un SoC embarqué dans l’industrie ou l’automobile continue de fonctionner tant que les stocks de composants et les mises à jour logicielles demeurent disponibles auprès du fabricant. Certains fondeurs proposent des accords de production garantie sur plusieurs décennies pour les secteurs nécessitant une disponibilité prolongée.
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