Domaine incompréhensible pour l’œil non averti, mais omniprésent dans l’électronique grand public, les SoC — pour system on a chip — désignent les puces mobiles intégrées à nos smartphones, tablettes et montres connectées. Embarquez avec nous dans notre voyage au cœur des SoC — aussi appelés processeurs mobiles — pour découvrir qui ils sont et à quoi ils servent au cœur de nos smartphones.

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Dossier mis à jour en août 2018

Si vous n’y connaissez rien, mais que vous êtes curieux : tant mieux ! Ce dossier a pour but de vous faire découvrir ce qui se cache à l’intérieur de votre smartphone. Si vous êtes déjà un fin connaisseur du monde, des SoC, les puces mobiles, une petite piqûre de rappel ne fait jamais de mal, surtout dans ce monde en constante évolution.

Qu’est-ce qu’un SoC ?

Au sein d’un ordinateur “classique” tel qu’un PC de bureau, les choses sont assez simples. Le processeur (CPU) se charge de réaliser les calculs les plus répandus, ceux qui permettent par exemple de faire tourner le système d’exploitation ou un navigateur web. On trouve aussi la carte graphique (ou GPU) qui se charge d’afficher une image, qu’elle soit en 2D ou bien en 3D comme dans les jeux. La carte-mère joue le rôle de chef d’orchestre en reliant entre eux tous les composants, à l’image du CPU, du GPU, mais également de la RAM et d’autres petites puces.

Mais depuis le début de l’ère des smartphones, on assiste à l’émergence de systèmes tout-en-un. Ainsi, presque tout le contenu d’un ordinateur se retrouve finalement dans une seule puce sur le smartphone : le SoC. Les composants sont alors bien plus interconnectés, avec par exemple une fréquence processeur qui varie en fonction de la fréquence de la carte graphique du fait de contraintes thermiques et de consommation. Une méthode complètement inédite par rapport à un ordinateur classique où chaque composant était plus ou moins indépendant.

Un SoC nvidia Tegra X1

Un SoC nvidia Tegra X1

Les nouveaux procédés de gravure (les actuels sont gravés en 10 nm par exemple, quand la prochaine génération sera en 7 nm) ont permis de réduire significativement la taille des composants. On dispose alors aujourd’hui de la puissance d’un ordinateur d’il y a seulement quelques années dans sa poche. Cela s’est cependant fait au prix d’une complexité croissante qui rend le domaine des SoC difficilement compréhensible pour le quidam.

Différence entre processeur et SoC

On parle souvent par abus de langage de processeur lorsque l’on est amené à parler du cœur d’un nouveau smartphone ou bien lors d’une annonce hardware d’un constructeur. Pourtant au-delà du “simple” rôle du processeur qu’il intègre, le SoC comprend toute une galerie de composants. On peut comparer le processeur au chef d’orchestre, tandis que le SoC représenterait l’ensemble de l’orchestre, comprenant instruments à vent, cordes et percussions.

Les différents composants du SoC ont pour tâche de remplir diverses fonctions, à la manière d’un PC, mais miniaturisé à l’extrême. Si le processeur représente ainsi un élément indispensable, le SoC comprend également tous les autres composants permettant de faire fonctionner un smartphone, une tablette ou une montre connectée.

Au sein des smartphones actuels on peut retrouver une grande variété de SoC, avec notamment :

On pourrait également citer les Tegra de Nvidia, même si ceux-ci n’ont pas vraiment pour cible les smartphones, ou bien les Allwiner et Rockchip, présents dans un grand nombre d’appareils vendus en Chine. Il y a beaucoup, beaucoup de fabricants de SoC, cette liste ne vise donc pas à être exhaustive.

Ce qu’il y au sein d’un SoC 

Le SoC nous le disions, est comme un PC miniaturisé à l’extrême. Il comprend donc des composants et contrôleurs lui permettant de gérer tous les équipements de votre smartphone, qu’il s’agisse de l’appareil photo, de la mémoire interne, ou encore du modem.

Architecture du Snapdragon 845

Processeur (CPU)

Au sein d’un SoC, on trouve donc bien sûr, un processeur. Le processeur (ou CPU) au sein d’un SoC joue le même rôle que sur un PC. Avec néanmoins une différence importante.

Un processeur “classique” cherchera à effectuer la tâche qui lui est confiée en visant la plus haute performance possible sans se soucier de la consommation d’énergie. Le processeur d’un SoC fonctionne lui à rebours de ce principe et les constructeurs cherchent avant tout à le rendre le plus efficient (efficace en terme d’énergie) possible dans toutes ses tâches. Le but est qu’il utilise le moins possible d’énergie. Mais également que l’énergie qu’il utilise, provenant de la batterie, soit le mieux utilisée, afin de rentabiliser celle-ci. Ce principe s’applique également aux ordinateurs portables, dans lesquels on peut trouver des processeurs mobiles ou des SoC.

Pour arriver à de bonnes performances en ménageant la consommation d’un processeur, il est possible de jouer sur plusieurs facteurs. La fréquence du processeur, le type de cœur au sein du processeur, ainsi que le procédé de gravure.

La fréquence (MHz)

La fréquence de fonctionnement est un facteur important dans la consommation d’un processeur, mais trop la baisser a de sérieuses conséquences sur ses performances. On trouve actuellement des puces dotées d’une fréquence de fonctionnement comprise entre 1,3 et 3 GHz environ.

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En jaune, les huit cœurs CPU

Les cœurs

Le type de cœurs au sein du processeur a également son rôle à jouer. Ainsi un cœur Cortex-A53 consomme beaucoup moins qu’un cœur Cortex-A72, mais ne fournit absolument pas le même niveau de performance. Si le premier est spécialement conçu pour consommer extrêmement peu d’énergie, le second est plus porté vers la performance, mais consomme beaucoup plus.

Ne pas confondre processeur et cœurs

Un processeur est composé de plusieurs cœurs, qui se répartissent entre eux la charge de travail. Certains smartphones ont aujourd’hui jusqu’à 8 ou 10 cœurs, ce qui n’est pas forcément un indicateur de puissance. Par exemple, le Snapdragon 830 de Qualcomm comporte quatre cœurs Kryo quant l’Exynos 8890 de Samsung intègre quatre cœurs Exynos M1 et quatre cœurs Cortex-A53 pour une puissance équivalente.

C’est pour cette raison que les Cortex-A53 sont souvent utilisés par quatre ou huit, tandis que le Cortex-A72 est plus souvent utilisé par deux ou quatre cœurs. On trouve alors souvent des configurations hybrides faisant appel à des cœurs haute performance pour les tâches lourdes (telles que jeux 3D) en combinaison avec des cœurs très basse consommation (pour relever des mails par exemple).

La gravure

Enfin de nouveaux procédés de gravure sont également un facteur crucial dans le domaine des SoC pour offrir de bonnes performances avec une faible consommation. Il permet d’obtenir une amélioration des performances (en augmentant le nombre de transistors) tout en limitant l’augmentation de la taille de la puce ainsi que sa consommation électrique.

Ainsi, le passage d’une gravure 28 nanomètres à 16 nanomètres et l’utilisation de nouveaux cœurs Cortex-A72 en lieu et place des Cortex-A15 permet d’utiliser 75 % moins d’énergie pour les mêmes tâches, comme illustré ci-dessous par ARM.

Cortex-A72 conso

Android vs iOS

L’impact d’un processeur puissant se remarquera dans la fluidité générale du smartphone, par exemple la réactivité de celui-ci quand une application est lancée. À ce petit jeu, Apple fait figure de leader puisque le constructeur ne commercialise que très peu d’appareils (iPhone, iPad et iWatch). Il lui est donc possible d’optimiser de manière extrêmement poussée iOS en fonction du processeur utilisé et de bénéficier d’un rapport consommation – performances extrêmement favorable.

Sur Android, c’est bien plus compliqué, puisque chaque téléphone est différent, que ce soit au niveau matériel que logiciel. Ainsi, Google doit tenir compte d’une très grande diversité de configurations dans l’écosystème Android. Il y existe en effet des dizaines de processeurs différents, des milliers de smartphones différents et presque autant de versions d’Android personnalisées avec des interfaces constructeurs.

Cette diversité, qui est une des forces de l’écosystème Android peut également se retourner contre lui. Cela peut en effet amener des performances loin d’être optimales sur certains modèles ou bien certaines applications ne fonctionnant simplement pas sur certains smartphones.

C’est une des raisons pour lesquelles les processeurs utilisés dans les SoC des smartphones Android sont généralement cadencés à des fréquences plus hautes et possèdent plus de cœurs par rapport à un iPhone, à défaut de pouvoir atteindre le même niveau d’optimisation que chez Apple.

Puce graphique (GPU) 

La puce graphique ou GPU est peut-être quelque chose de familier aux joueurs PC. Bien qu’à une échelle différente au sein d’un smartphone, le GPU remplit fondamentalement les mêmes tâches que sur un PC. Son rôle est de calculer des images en 2D ou 3D affichées ensuite sur l’écran via les pixels de la dalle.

Concernant le calcul des images 2D, il a lieu constamment puisque, très concrètement, le GPU est activé dès qu’il faut afficher une page web, naviguer dans Google Maps, ou afficher une vidéo, c’est à dire, presque constamment, mais à différents niveaux sur un smartphone récent.

Ray Tracing

À ce sujet, vous avez sûrement déjà fait l’essai : une vidéo qui n’est pas lue ou de manière très saccadée sur un smartphone, et est totalement fluide sur un autre. Il s’agit là d’une conséquence tout à fait concrète de l’amélioration des GPU, notamment sur les vidéos en 4K ou bien dans des nouveaux formats d’encodage, tel que le H.265, de plus en plus supporté. En effet, bien que le CPU soit très puissant, il n’est pas adapté à ce genre de tâches, et il s’agit donc d’utiliser le GPU (et ses différentes unités) afin de décoder de manière bien plus efficace & économe dans la lecture de vidéos.

Le coût des pixels

On retrouve des définitions de plus en plus élevées dans les smartphones haut de gamme notamment QHD (2560×1440 pixels) soit 3,7 millions de pixels à afficher voire même en 4K UHD (3840×2160 pixels) soit 8,3 millions de pixels. Plus le GPU doit calculer et afficher un nombre important de pixels, et plus il aura du mal à afficher une image non saccadée. Ainsi, passer d’une dalle Full HD à QHD avec le même GPU fait perdre environ 50 % de performance dans les jeux.

Parmi les puces graphiques notables, on peut ainsi citer :

Enfin, l’API graphique Vulkan sur les GPU des SoC s’avère une très bonne nouvelle. Cette API apporte la possibilité de réaliser des applications 3D telles que des jeux de façon multiplateforme entre PC & Android. Il s’agit d’une période particulièrement intéressante qui s’annonce. Cette technologie devrait permettre un travail simplifié pour les développeurs, ainsi que de meilleurs pour les utilisateurs. À plus long terme, celle-ci devrait avoir comme conséquence de permettre de repousser les limites des jeux sur mobiles.

À lire sur FrAndroid : GPU, puces graphiques : qui sont-elles et à quoi servent-elles ?

Modem et Reseaux 

Si vous cherchez un smartphone qui pourra offrir la 4G+ ainsi que les connexions habituelles Wi-Fi et Bluetooth, le modem est la partie qui devra retenir votre attention. En effet en plus du CPU et du GPU, le SoC intègre une partie modem pour gérer plusieurs types de connexions et réseaux.

Pour la 4G, celui-ci devra supporter les catégories 1 à 5, et pour la 4G+ les catégories 6 à 12. Bien que le sujet soit particulièrement touffu sur ces composants en particulier, le nombre d’acteurs est lui bien plus simple, puisqu’il se résume à trois grands acteurs majeurs :

Notons que ces mêmes acteurs se préparent à l’arrivée de la 5G, avec notamment le X50 de Qualcomm.

Les modèles de Qualcomm équipent un nombre impressionnant de smartphones, du fait de l’intégration de ses modems au sein de ses SoC Snapdragon. Cependant, sa domination du marché est moins importante qu’il y a quelques années, notamment puisque Samsung est lui aussi entré sur le marché. Il a ainsi commencé à commercialiser ses propres modems depuis 2015.

Les quatre antennes d'un modem Qualcomm

Les quatre antennes d’un modem Qualcomm

Le modem est un domaine extrêmement exigeant. Il faut ainsi savoir conjuguer une solide expertise du marché mobile à une vision à long terme, et c’est ce qui à probablement manqué à Nvidia qui s’est séparé de sa filiale Icera début 2015.

De même, les temps de développement d’un modem ne sont absolument pas comparables avec un autre composant, et il s’agit probablement du composant le plus crucial sur un smartphone et le plus complexe à produire. Ainsi, au moment de l’annonce du premier modem de Samsung, l’Exynos 333, une rumeur faisait mention d’un temps de développement de 7 ans. Et, même pour des spécialistes, ce n’est pas non plus rentable parfois, ce qui a poussé Broadcom à se concentrer sur la 5G et d’autres technologies réseau.

Cependant, ce petit club, du fait de la complexité technique de fabrication de cette partie cruciale, permettant au téléphone de… téléphoner pourrait s’élargir avec de nouveaux entrants qui pourraient s’imposer d’ici quelques années. En effet, de nouveaux acteurs tels que HiSilicon, fabricant filiale de Huawei, prennent toujours plus d’importance.

Les autres composants

Il existe encore bien d’autres fonctions remplies par les différents composants au sein d’un SoC. S’il existe de nombreux contrôleurs, on peut toutefois en citer quelques-uns.

Les ISP ou Image Signal Processor, comme le Qualcomm Spectra, qui se charge des différents traitements numériques relatifs aux images prises par l’appareil photo. Ceux-ci ont pris bien plus d’importance maintenant que les doubles capteurs photo sont devenus prédominants sur mobile.

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Clear Sight, le double capteur version Qualcomm

On peut aussi citer le contrôleur de stockage, chargé de gérer la mémoire du smartphone. C’est d’ailleurs un cas intéressant, puisque la mémoire était un des rares composants à ne pas être intégré directement sur la même puce que le reste des composants.

Or, les derniers SoC embarquent maintenant CPU, GPU, Modem, RAM, et mémoire de stockage directement sur le même package, comme dans le cas des dernières puces de Samsung. La RAM et la mémoire flash ne sont pas dans le SoC, mais soudés au-dessus de lui.

On peut donc voir que la tendance à l’intégration de tous les composants se poursuit même encore aujourd’hui. L’objectif est presque toujours le même : miniaturiser encore plus les circuits pour permettre aux fabricants de smartphones de concevoir de nouveaux designs, tout en consommant moins d’énergie ou en augmentant les performances.

SoC, vers une fusion entre PC & smartphones ? 

Comme nous l’expliquions dans la première partie, un SoC fonctionne avec des priorités très différentes d’un processeur PC classique. Ils sont ainsi presque à l’opposé l’un de l’autre, un processeur classique cherchant la performance maximale, tandis que le SoC sera toujours à la recherche du milliwatt qu’il est possible d’économiser.

Pour autant, et depuis quelques années déjà, les priorités des processeurs “classiques” ont changé, du fait de la place croissante des PC portables dans les ventes de PC globales. De ce fait, l’autonomie est devenue un sujet majeur pour les utilisateurs, poussant Intel à développer des puces similaires à un SoC mobile, mais destinées à des PC, les fameux Core M et Atom.

À l’inverse, Microsoft a lui-même rendu compatible Windows 10 avec les plateformes ARM, et ce en partenariat avec Qualcomm qui leur aura offert la compatibilité avec le Snapdragon 835 du même temps. Si la tendance est neuve, le constructeur planche sur un Snapdragon 850 amélioré pour fournir toujours plus de puissance et d’autonomie aux futurs PC ARM.

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