Qu'est-ce qu'un SoC ?
SoC (System-on-Chip) est un type de produit de circuit intégré conçu dans un but spécifique, qui intègre un système complet, comprenant à la fois le matériel et logiciel embarqué. il représente l'un des logiciels les plus avancés et les plus complexes technologies des semi-conducteurs d'aujourd'hui. Il intègre un système électronique complet système, y compris les processeurs, la mémoire, les périphériques et les composants embarqués logiciel sur une seule puce de silicium. Servant de « cerveau » aux appareils comme les smartphones et les ordinateurs, la technologie SoC permet des performances élevées tout en minimisant la taille et la consommation d'énergie.
Le SoC peut être considéré comme la solution technologique la plus complexe et la plus avancée pour la fabrication de puces haut de gamme aujourd’hui.
La puce SoC est la puce centrale et la plus cruciale des appareils tels que les smartphones et les ordinateurs. Les smartphones sont sans doute les produits grand public les plus couramment équipés de SoC. Le « processeur », souvent appelé le cerveau du téléphone, est un type de SoC. Parmi les SoC de smartphones les plus répandus, on trouve le Snapdragon 8 Gen 1 de Qualcomm, le Kirin 9000 de Huawei et le Dimensity 9000 de MediaTek. Ces SoC intègrent diverses unités fonctionnelles telles que le CPU (unité centrale de traitement), le GPU (processeur graphique), le NPU (unité de traitement neuronal), le ISP (processeur de signal d'image), ainsi que les bandes de base de communication et le stockage, le tout combiné sur une seule puce pour former un système complet.
En termes simples, un SoC est une puce qui combine plusieurs fonctions, telles que le processeur, le processeur graphique, la mémoire et l'écran, dans un seul boîtier. Aussi petit soit-il, il contient tous les composants essentiels.
Intégration élevée : réduction du besoin de modules supplémentaires
Comme on l'a vu, les SoC sont hautement intégrés, ce qui réduit le besoin de modules et de circuits externes. Cela permet de raccourcir les cycles de développement et de réduire les coûts. Les conceptions de processeurs modernes, notamment dans les ordinateurs, évoluent également vers des modèles SoC, certains intégrant mémoire, Wi-Fi et autres fonctions, ce qui permet de concevoir des ordinateurs plus petits et plus compacts.
Prenons l'exemple du Kirin 9000 de Huawei : il intègre le cœur Cortex, la série de GPU Mali, la bande de base 5G et d'autres fonctionnalités. L'utilisation de cœurs Cortex est courante dans la conception de nombreux SoC mobiles. Cela souligne la réutilisabilité des cœurs IP dans les conceptions de SoC. Le Kirin 9000 utilise quatre cœurs Cortex-A77 et quatre cœurs Cortex-A75, une caractéristique typique des SoC pouvant utiliser plusieurs cœurs IP.
De plus, les performances d'un SoC sont principalement influencées par les performances monocœur du processeur, les performances multicœur du processeur et les capacités du GPU. Pour les processeurs multicœurs, l'architecture est essentielle : X2≈X1 > A78 > A77 > A76 > A75 > A73 > A55/A53 (même architecture, fréquence plus élevée = meilleures performances ; même fréquence, un processeur quad-core est plus performant qu'un processeur dual-core).
Classification et conception du SoC
Les SoC pour smartphones sont généralement considérés comme haut de gamme. À l'inverse, il existe des SoC d'entrée et de milieu de gamme. Ces derniers peuvent être considérés comme des cœurs de microcontrôleur associés à des périphériques fonctionnels spécifiques. Par exemple, TI conçoit des SoC Bluetooth utilisant le cœur 8051, comme le CC2541 (avec un produit correspondant, le E104-BT01) ou le CC2640 (avec un produit correspondant, le E72-2G4M05S1B), qui utilise le cœur Cortex-M3.
Le schéma de structure simplifié suivant du CC2541 montre que le SoC comprend un cœur 8051, une gestion mémoire et d'autres périphériques, avec la fonctionnalité Bluetooth RF comme fonctionnalité principale. Différents SoC sont adaptés à différents domaines.
Processus de conception SoC
La conception d'un SoC nécessite la conception simultanée du matériel et des logiciels. En fonction des exigences de conception, simulation et modélisation sont réalisées, et les fonctions sont réparties entre le logiciel et le matériel. Le matériel et le logiciel collaborent ensuite pour finaliser la conception, qui est ensuite testée et envoyée en production. Voici le processus de conception d'un SoC :
Processus de conception SoC :
Définition des exigences
Simulation et modélisation
Partitionnement matériel-logiciel
Vérification de la conception
Production et tests
Exemples de SoC avancés
Le Kirin 990 de Huawei HiSilicon est un exemple de SoC haut de gamme. Il est l'un des processeurs pour smartphone les plus avancés du marché. Il intègre un processeur 8 cœurs, un GPU 16 cœurs et un NPU 3 cœurs pour les tâches d'IA de réseau neuronal, ainsi que des modules pour le contrôle de la mémoire flash haute vitesse, le traitement d'images, la gestion audio/vidéo, etc. Comparé au Kirin 980, le Kirin 990 intègre également un module 5G.
La conception de SoC aussi avancés implique des processus extrêmement complexes, nécessitant une technologie de pointe pour les modules CPU, GPU et NPU. Ces SoC haut de gamme sont coûteux à produire en raison de la complexité de leurs processus de conception et de fabrication, ainsi que de leur faible rendement. Par exemple, le Kirin 990 utilise le procédé de fabrication 7 nm de TSMC, qui implique plus de 4 000 étapes. Le coût des masques de photolithographie à eux seuls peut dépasser des millions de dollars, et le coût global de conception peut atteindre des centaines de millions de dollars, ce qui explique le coût élevé de ces puces.
SIP (système intégré) contre SoC
Outre les SoC, le concept de SIP (System in Package) est également répandu. Le SIP est une technologie de packaging intégrant plusieurs modules fonctionnels, utilisables en externe ou indépendamment. La principale différence entre un SoC et un SIP réside dans le fait qu'un SoC est une puce unique et intégrée, conçue dès le départ pour former un système complet, tandis que le SIP consiste à regrouper plusieurs modules fonctionnels différents dans un seul boîtier.
L'ASR6505 est un exemple de SIP. Il intègre le cœur STM8 (STM8L152) et l'émetteur-récepteur radio LoRa (SX1262) dans un seul boîtier, servant ainsi de chipset de communication sans fil LoRa polyvalent. L'ASR6505 possède des broches pour STM8 et SX1262, avec des broches de communication internes telles que SPI, DIO et BUSY, et des broches externes pour d'autres fonctionnalités telles que les oscillateurs à quartz et les UART/I2C, pour un développement ultérieur.
État de développement du SoC national
Actuellement, les principaux fabricants de puces SoC haut de gamme sont Apple, Samsung et Huawei. Les SoC HiSilicon Kirin de Huawei sont conçus et développés en interne par Huawei, concurrençant les processeurs de la série A d'Apple, Snapdragon de Qualcomm et Exynos de Samsung. Cependant, en raison des sanctions, TSMC ne fabrique plus de puces pour Huawei.
Suite au déclin de Huawei, Unisoc (anciennement Spreadtrum) s'est imposé comme un acteur majeur des SoC en Chine. Unisoc a réalisé des progrès significatifs dans le secteur de l'IoT. Selon un récent rapport de Counterpoint, Unisoc a conquis 26,8 % du marché mondial des puces IoT cellulaires au troisième trimestre 2021, se classant deuxième, et a même dépassé Qualcomm sur le segment des puces LTE Cat.1 pour devenir le leader mondial.
Parmi les autres fabricants chinois de SoC notables, on compte Rockchip, Amlogic, Sunplus et Espressif, qui ont réalisé des progrès considérables dans le domaine des SoC grand public, notamment pour les fonctions multimédia et de communication. Cependant, les architectures sous-jacentes dépendent encore de conceptions internationales, telles que ARM et x86, et le développement de SoC nationaux reste complexe en raison des tensions géopolitiques et des sanctions persistantes.
Les SoC sont une technologie essentielle pour l'industrie électronique moderne, offrant une intégration et une efficacité élevées dans un format compact. Des smartphones aux objets connectés, les SoC permettent le développement de systèmes sophistiqués tout en réduisant les coûts et la complexité. Cependant, le développement de SoC haut de gamme nécessite des technologies de pointe et des investissements importants en recherche et développement. Avec l'attention croissante portée au développement de puces nationales, l'avenir des SoC en Chine semble prometteur, même si des défis subsistent en termes de concurrence mondiale et d'autosuffisance technologique.