Pour chaque question, une seule réponse est correcte.
1. Le premier circuit intégré a été inventé en :
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2. La loi de Moore prédit que le nombre de transistors sur une puce :
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3. Un microcontrôleur se distingue d’un microprocesseur car il intègre en plus :
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4. L’avantage principal d’un SoC en termes de vitesse vient de :
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5. La finesse de gravure de l’Apple M3 (2023) est de 3 nm. Par rapport à l’Intel 4004 (1971, 10 µm), le facteur de réduction est d’environ :
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6. Un firmware est :
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Pour chaque composant ci-dessous, indiquer s’il s’agit d’un microprocesseur (CPU), d’un microcontrôleur (MCU) ou d’un système sur puce (SoC). Justifier en une phrase.
Regarder ce que contient chaque puce : seulement des cœurs de calcul (CPU), un processeur avec sa mémoire et ses entrées-sorties (MCU), ou un système complet avec GPU, modem et autres coprocesseurs (SoC).
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La loi de Moore prévoit que le nombre de transistors \(N\) double tous les deux ans. Si \(N_0\) est le nombre de transistors à l’année \(a_0\), on peut écrire :
$$N(a) = N_0 \times 2^{(a - a_0)/2}$$
L’Intel 4004 (1971) contenait 2 300 transistors. En utilisant la formule, estimer le nombre de transistors prévu par la loi de Moore en :
Calculer d’abord l’exposant : pour 1989, \((1989 - 1971)/2\). Calculer ensuite cette puissance de 2, puis multiplier par 2 300.
Le nombre réel de transistors de l’Intel 486 est 1,2 million et celui de l’Apple M3 est 25 milliards. Comparer avec les estimations de la question précédente. Que peut-on en conclure ?
Pour chaque puce, diviser l’estimation par la valeur réelle : un rapport proche de 1 signifie que la loi est bien vérifiée.
En quelle année la loi de Moore prédit-elle qu’on atteindrait 1 milliard de transistors ? On cherche \(a\) tel que \(N(a) = 10^9\).
Diviser par 2 300 pour isoler la puissance de 2, puis chercher l’exposant \(k\) tel que \(2^k\) vaut ce nombre : par essais successifs à la calculatrice, ou avec \(\log_2(x) = \ln(x) / \ln(2)\).
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Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques de deux puces :
| Puce A | Puce B | |
|---|---|---|
| Composants | CPU (4 cœurs), GPU, mémoire 8 Go, Wi-Fi, Bluetooth, GPS, modem 5G | CPU (8 cœurs) |
| Finesse de gravure | 4 nm | 7 nm |
| Consommation | 5 W | 125 W |
| Usage | Smartphone | Ordinateur de bureau |
La puce A est-elle un CPU, un MCU ou un SoC ? Justifier.
Même critère qu’à l’exercice 2 : la puce ne contient-elle que des cœurs de calcul, ou réunit-elle tout un système sur une seule puce ? Il en va de même à la question 2.
La puce B est-elle un CPU, un MCU ou un SoC ? Justifier.
Expliquer pourquoi la puce A consomme beaucoup moins que la puce B.
Deux facteurs du cours : la longueur des connexions entre les composants (sur une même puce ou sur une carte mère) et la taille des transistors.
Un utilisateur souhaite remplacer le GPU de son appareil par un modèle plus performant. Avec quelle puce cela est-il possible ? Pourquoi ?
Un composant gravé sur la même puce que le processeur peut-il être changé seul ?
Malgré une finesse de gravure plus petite, la puce A n’est pas forcément plus rapide que la puce B pour du calcul pur. Expliquer pourquoi.
Comparer le nombre de cœurs des deux puces, puis leur consommation : que doit faire une puce limitée à 5 W pour ne pas surchauffer ?
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Pour chaque appareil ci-dessous, indiquer s’il contient un système embarqué, puis préciser le type de puce le plus probable (MCU ou SoC) et une contrainte spécifique.
Une tâche simple (mesurer, commander) suffit à un MCU ; un écran, un GPS, une caméra ou des applications demandent un SoC. Pour la contrainte, penser à la consommation, au temps réel et à la fiabilité : que se passerait-il en cas de panne ou de retard ?
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Pour chaque affirmation, indiquer si elle est vraie ou fausse, puis justifier.
Une affirmation qui contient « toujours » ou « seul » est fausse dès qu’un contre-exemple existe : en chercher un. Pour les autres, revenir aux définitions du cours (loi empirique, microcontrôleur, système embarqué, microprocesseur).
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Rappel : 1 µm = 10³ nm = 10⁻⁶ m et 1 nm = 10⁻⁹ m.
Convertir les finesses de gravure suivantes en nanomètres :
Puisque 1 µm = 10³ nm, multiplier chaque valeur par 1 000.
Convertir 3 nm en mètres. Combien d’atomes de silicium (diamètre ≈ 0,2 nm) peut-on aligner sur cette distance ?
Remplacer 1 nm par 10⁻⁹ m. Pour le nombre d’atomes, diviser la longueur par le diamètre d’un atome, les deux dans la même unité.
Expliquer, à l’aide du résultat précédent, pourquoi la miniaturisation ne peut pas se poursuivre indéfiniment.
Peut-on graver un transistor plus petit qu’un atome ? Penser aussi aux effets quantiques, comme l’effet tunnel, qui apparaissent à cette échelle.
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On souhaite concevoir un compteur de vélos installé sur une piste cyclable. Ce système doit :
Questions :
Ce dispositif est-il un système embarqué ? Justifier en vérifiant les trois critères (ressources limitées, fonction spécialisée, contraintes de fiabilité).
Pour chacun des trois critères, trouver dans la description du compteur un élément qui le vérifie.
Quel type de puce serait le plus adapté : un CPU, un MCU ou un SoC ? Justifier le choix et expliquer pourquoi les deux autres sont moins adaptés.
Le compteur exécute une tâche simple et doit consommer très peu : quel type de puce réunit juste le nécessaire (processeur, mémoire, entrées-sorties) ? La liaison 4G peut être assurée par un module séparé.
Donner deux contraintes majeures de ce système embarqué et expliquer comment le choix de puce permet d’y répondre.
Relire les quatre exigences de l’énoncé : lesquelles imposent une contrainte forte, sur l’énergie ou sur le fonctionnement sans intervention humaine ?
Le firmware de ce système doit-il fonctionner en temps réel strict ? Justifier.
Que se passerait-il si un passage de vélo était détecté avec quelques millisecondes de retard ? Comparer avec le freinage ABS de l’exercice 5.
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