Système sur puce vs système sur module: lequel choisir pour votre produit?

Un système sur puce (System on a Chip, SoC) intègre des unités de traitement, des contrôleurs mémoire et des interfaces périphériques dans un même circuit intégré (CI). Un système sur module (System on Module, SoM) associe quant à lui un SoC à de la RAM, du stockage, un système de gestion de l'alimentation et des circuits complémentaires sur un circuit imprimé compact et prévalidé.

Choisir entre ces deux niveaux d'intégration constitue l'une des décisions structurelles les plus importantes dans la conception de systèmes embarqués. La solution la plus adaptée dépend du volume de production, des objectifs de coût, des compétences internes en routage PCB et des contraintes de mise sur le marché.

Ce guide présente en détail les deux technologies, analyse leurs architectures internes, compare leurs coûts d'ingénierie non récurrents (NRE) et propose une méthode pratique pour sélectionner la meilleure solution pour votre prochaine conception.

SoM vs SoC: principales différences

Pour la majorité des produits commerciaux et industriels, le choix est plus simple qu'il n'y paraît. Un SoM accélère la mise sur le marché tout en limitant les risques d'ingénierie, car le routage haute vitesse, les réseaux de distribution de l'alimentation et le débogage du matériel principal ont déjà été réalisés et validés par le fabricant du module.

À l'inverse, une conception avec SoC directement implanté réduit le coût de production unitaire, mais seulement lorsque le volume expédié devient suffisant pour amortir les importants coûts initiaux d'ingénierie et de certification.

Ce coût initial constitue le principal point de décision. Concevoir une carte personnalisée directement autour d'un SoC exige de maîtriser le routage de la mémoire DDR haute vitesse, le séquencement précis des alimentations, la dissipation thermique et la qualification en compatibilité électromagnétique (CEM).

Un SoM regroupe ces difficultés dans un module prétesté. L'équipe d'ingénierie peut ainsi se concentrer sur la conception des périphériques propres à l'application. En contrepartie, le coût matière unitaire est plus élevé et devient moins avantageux uniquement lorsque la production atteint des volumes importants.

Figure: un SoC représenté sous la forme d'une seule puce et un SoM sous la forme d'un PCB intégrant ce SoC, de la RAM, du stockage et des circuits de gestion de l'alimentation.

SoC vs SoM: tableau comparatif

Le choix de la plateforme nécessite d'évaluer les ressources d'ingénierie, la durée de vie prévue et les exigences du produit. Le tableau suivant compare les deux approches selon leurs principaux critères.

L'utilisation d'un SoM accélère considérablement le développement. Un projet classique avec SoC directement implanté peut nécessiter entre 12 et 24 mois d'ingénierie matérielle avant d'atteindre une conception stable. Chaque interface haute vitesse devant être conçue et vérifiée depuis le début, une seule erreur de routage peut retarder le calendrier de plusieurs mois.

Un SoM est au contraire livré avec un routage mémoire vérifié, un réseau de distribution de l'alimentation validé, un package de support de carte complet (BSP) et un système d'exploitation déjà porté, comme Linux ou Android. Les équipes logicielles peuvent ainsi commencer immédiatement le développement des applications, ce qui réduit les risques globaux liés au matériel.

Qu'est-ce qu'un système sur puce (SoC)?

Un système sur puce est un circuit intégré unique qui regroupe un système informatique complet sur une même puce de silicium. Les coeurs de processeur et les principales fonctions logiques du système sont réunis sur le même die. Il contient donc presque tout ce dont un appareil a besoin pour effectuer ses calculs, à l'exception de la mémoire système, du stockage non volatil et de la régulation physique de l'alimentation.

Quels composants sont intégrés dans un SoC?

Les SoC modernes intègrent de nombreuses fonctions afin de réduire la latence interne et l'encombrement du système:

• Processeurs multicœurs (CPU): unités de traitement général comme ARM Cortex-A ou RISC-V
• Processeurs graphiques (GPU): accélérateurs matériels spécialisés pour l'affichage et le rendu
• Processeurs de signal numérique (DSP): exécution accélérée des calculs liés à l'audio, à la vidéo et aux capteurs
• Unités de traitement neuronal (NPU): accélérateurs matériels conçus pour l'apprentissage automatique embarqué
• Contrôleurs mémoire: couche physique (PHY) et contrôleurs logiques pour les mémoires DDR3, DDR4 ou LPDDR5
• Interfaces intégrées: contrôleurs PCIe, USB, Ethernet et SDIO
• Émetteurs-récepteurs sans fil: certains SoC destinés à l'IoT intègrent directement les fonctions radio Wi-Fi, Bluetooth ou Zigbee sur la puce

Défis d'une conception avec SoC directement implanté

La conception d'une carte directement autour d'un SoC nu est appelée conception matérielle chip-down. Cette approche confie à votre équipe l'ensemble des responsabilités techniques et réglementaires. Elle doit assurer le routage DDR haute vitesse avec appairage précis des longueurs et contrôle d'impédance, le séquencement d'un circuit intégré de gestion de l'alimentation multirail (PMIC), la dissipation thermique et la conformité électromagnétique (CEM).

Ces opérations nécessitent des outils de routage avancés et des ingénieurs expérimentés. Les différents types de boîtiers BGA à grand nombre de broches exigent notamment des PCB d'interconnexion haute densité (HDI), des microvias et des empilements de vias aveugles ou enterrés, ce qui augmente la complexité de la conception et de la fabrication.

Exemples courants de SoC

Transformez votre conception SoM ou SoC en matériel avec JLCPCB

Obtenir un devis instantané

• Lorsque votre conception est prête à être fabriquée, JLCPCB propose des services d'assemblage PCB rapides et professionnels
• Que vous réalisiez une carte porteuse personnalisée pour SoM ou une conception multicouche HDI avec SoC directement implanté, téléchargez simplement vos fichiers Gerber pour obtenir un devis instantané et accélérer le développement de votre produit

Qu'est-ce qu'un système sur module (SoM)?

Un système sur module est un petit circuit imprimé spécialisé qui accueille un SoC et les circuits intégrés complémentaires que celui-ci ne peut pas contenir sur sa propre puce. Il regroupe le coeur de calcul, la RAM haute vitesse, le stockage non volatil ainsi que les principaux circuits d'horloge et d'alimentation dans un module préconçu et unifié. Il constitue un moteur de calcul prêt à l'emploi plutôt qu'un produit final complet.

Quels composants sont intégrés dans un SoM?

• SoC principal: unité de traitement principale du module
• RAM système: puces DDR3L, DDR4 ou LPDDR4 routées avec une précision submillimétrique
• Stockage non volatil: mémoire eMMC, flash NAND ou flash SPI NOR contenant le bootloader et le système d'exploitation
• Circuit intégré de gestion de l'alimentation (PMIC): conversion de puissance, régulation buck/boost et séquencement précis des tensions
• Horloges système: oscillateurs et quartz fournissant des références temporelles stables
• Modules RF en option: circuits Wi-Fi et Bluetooth blindés et souvent pré-certifiés FCC/CE
• Connecteurs carte à carte: connecteurs haute densité et haute vitesse, ou trous métallisés en bordure, assurant l'interface avec les circuits externes

Comment un SoM fonctionne-t-il avec une carte porteuse?

Un SoM est conçu pour être installé directement sur une carte porteuse personnalisée et propre à l'application, également appelée carte de base. Ce système modulaire divise le développement matériel en deux parties distinctes:

1. Coeur de calcul (SoM): sous-système complexe et normalisé qui reste identique entre différents projets
2. Carte porteuse: PCB personnalisé regroupant uniquement les entrées et sorties propres à l'application, comme les ports physiques, les interfaces de capteurs et les entrées d'alimentation

Comprendre les différences entre un PCBA et un PCB permet de mieux saisir cette approche. L'utilisation d'un SoM préassemblé simplifie considérablement le routage de la carte porteuse. Celle-ci nécessite généralement moins de couches et évite les structures de fabrication d'interconnexion haute densité (HDI).

Exemples de systèmes sur module courants

Figure: SoM installé sur une carte porteuse plus grande au moyen d'un connecteur carte à carte, les entrées et sorties propres à l'application étant placées sur la carte porteuse.

Produits SoC et SoM dans des applications réelles

Pour mieux comprendre ce compromis de conception, examinons comment les produits commerciaux choisissent leur architecture selon le volume, les dimensions et les contraintes de l'application:

• Smartphones (SoC): les smartphones modernes utilisent des SoC performants comme l'Apple A18 ou la série Snapdragon 8. Les contraintes extrêmes d'encombrement, les besoins importants de dissipation thermique et les volumes de plusieurs millions d'unités font d'une conception personnalisée avec SoC directement implanté la seule solution logique
• Écrans IHM industriels (SoM): les panneaux de commande d'usine et les interfaces homme-machine sont généralement produits en volumes faibles ou intermédiaires, de quelques milliers d'unités par an. Ils utilisent souvent des modules comme Toradex Verdin ou Variscite DART et acceptent un coût de BOM légèrement supérieur en échange d'un approvisionnement fiable à long terme et d'un développement accéléré
• Caméras intelligentes Edge AI (SoM): les systèmes d'inspection optique haute vitesse utilisent souvent un module NVIDIA Jetson Orin Nano. Le fabricant évite ainsi le routage complexe de la mémoire DDR et de la distribution de l'alimentation requis par les processeurs d'IA modernes, et peut se concentrer sur les capteurs optiques et le développement logiciel
• Bracelets connectés (SoC): les montres et bracelets d'activité nécessitent des dimensions extrêmement réduites. Ils reposent généralement sur des SoC ultrabasse consommation très intégrés, comme la série Nordic nRF54. Dans ce secteur, le respect des contraintes physiques grâce à un assemblage PCB spécialisé pour appareils portables est essentiel, car les SoM standard sont trop volumineux

Cette tendance reste constante: les produits grand public axés sur la miniaturisation et les grandes séries privilégient le SoC, tandis que les systèmes industriels, médicaux et commerciaux spécialisés privilégient le SoM afin de réduire les risques et les délais de développement.

Comparaison des coûts: système sur module vs système sur puce

Le coût unitaire constitue un critère majeur, mais une analyse complète doit comparer les coûts de production unitaires aux dépenses initiales d'ingénierie non récurrentes (NRE).

Un système sur module présente un coût unitaire plus élevé, car son prix inclut les composants, le routage et les tests réalisés par le fournisseur. Un SoC nu coûte moins cher à l'unité, mais exige des dépenses de développement initiales importantes, notamment:

• Temps de routage d'ingénieurs matériels expérimentés
• Conceptions complexes de PCB multicouches avec 8 à 12 couches et des microvias
• Certifications RF, EMI et de sécurité complètes, notamment FCC et CE
• Développement de dispositifs de test de production

Pour des volumes inférieurs à 50 000 unités par an, le SoM constitue généralement la solution la plus économique. Les économies d'heures d'ingénierie, l'accélération des certifications et la simplification de la carte porteuse compensent le coût supérieur du module.

Au-delà de 50 000 à 100 000 unités par an, les économies unitaires permises par un SoC nu peuvent justifier les coûts initiaux de conception et de certification. L'amortissement de cet investissement peut néanmoins nécessiter une à deux années de production continue.

Pour prendre une décision éclairée, les équipes doivent évaluer soigneusement les solutions d'assemblage PCB en faible volume dès la phase de planification. Le seuil exact dépend de plusieurs variables, comme les salaires des développeurs, la complexité réglementaire, le nombre de couches de la carte de base et la durée de vie commerciale prévue du produit.

Quand choisir un SoM?

Choisissez un système sur module lorsque la rapidité de mise sur le marché, la réduction des risques et la vitesse de développement constituent vos principaux objectifs:

• Mise sur le marché rapide: l'utilisation d'un module prévalidé évite de longues opérations de débogage matériel et de développement du bootloader. L'équipe peut se concentrer sur le développement de l'application logicielle dès le premier jour
• Ressources limitées en conception matérielle haute vitesse: si votre équipe possède peu d'expérience dans le routage de BGA à pas ultrafin, l'adaptation d'impédance ou le réglage de mémoires haute vitesse, un SoM transfère ces risques techniques au fournisseur du module
• Conformité industrielle et médicale: de nombreux SoM commerciaux sont conçus pour les environnements exigeants. Ils offrent une conception renforcée, une plage étendue de températures de fonctionnement, généralement de -40 à +85 °C, et une documentation qualité complète
• Long cycle de vie du produit: les fabricants de modules reconnus garantissent souvent la disponibilité des composants pendant 10 à 15 ans. Ils proposent également des solutions d'évolution compatibles broche à broche afin de protéger le système contre l'obsolescence
• Certifications réglementaires simplifiées: le choix d'un SoM doté d'émetteurs-récepteurs sans fil pré-certifiés FCC, CE ou IC simplifie le processus réglementaire et réduit le risque de retards imprévus

Quand choisir une conception avec SoC directement implanté?

Choisissez une conception avec SoC directement implanté lorsque le volume de production, l'optimisation de l'espace et le coût des matériaux constituent les priorités:

• Volumes annuels élevés: au-delà de 50 000 à 100 000 unités par an, une économie de quelques euros par unité sur les matériaux peut rapidement justifier un investissement initial important en ingénierie
• Contraintes strictes de dimensions et de poids: les appareils portables, implants médicaux et microdrones ne peuvent pas accueillir la hauteur et l'encombrement d'un module enfichable
• Objectifs de coût unitaire très exigeants: supprimer la marge du fournisseur du module et les contrôleurs périphériques inutilisés du SoM permet de réduire au minimum le coût de production unitaire
• Configurations matérielles très personnalisées: la conception d'une carte dédiée permet de placer uniquement les composants nécessaires à l'application, d'optimiser les réseaux de distribution de l'alimentation et d'adapter le routage aux contraintes physiques précises
• Expertise établie en matériel haute vitesse: si l'équipe possède déjà les outils et l'expérience nécessaires au routage haute vitesse, à la conception HDI et au dépannage CEM, une architecture avec SoC directement implanté devient parfaitement viable

Figure: organigramme orientant le choix vers un SoM ou un SoC directement implanté selon le volume, l'expertise interne et le délai de mise sur le marché.

Stratégie hybride: commencer avec un SoM, puis migrer vers un SoC

Le choix initial d'une architecture ne vous engage pas définitivement. De nombreuses équipes lancent leur produit avec un SoM, puis passent à une conception avec SoC directement implanté lorsque les ventes augmentent.

Cette approche offre plusieurs avantages:

1. Lancement accéléré: le SoM permet de valider le produit sur le marché, d'obtenir les premiers clients et d'améliorer l'application logicielle sans subir un long cycle de développement
2. Refonte moins risquée: une fois le produit validé et les volumes en hausse, le système peut être reconçu autour du SoC nu. Les logiciels et les interfaces de la carte porteuse ayant déjà été validés, la migration vers un routage personnalisé présente moins de risques
3. Transition maîtrisée: une planification rigoureuse permet de passer progressivement du prototype PCBA à une production en faible volume tout en maintenant une chaîne d'approvisionnement fiable à chaque étape de la croissance

Qu'est-ce qu'une carte porteuse?

Une carte porteuse, ou carte de base, est la carte mère propre à l'application sur laquelle le SoM est installé. Elle accueille les interfaces et les connecteurs physiques nécessaires au produit, comme USB, HDMI, Ethernet et les liaisons série, ainsi que les circuits de régulation et de protection de l'alimentation.

Le routage haute vitesse complexe étant contenu dans le SoM préconçu, les cartes porteuses sont beaucoup plus simples à développer. Elles peuvent généralement être routées sur des PCB standard de 2 à 4 couches, ce qui évite la coûteuse fabrication HDI de 8 à 12 couches requise par les conceptions directement basées sur un SoC. Le routage, le prototypage et les tests sont ainsi considérablement simplifiés.

Pour simplifier la fabrication et assurer un approvisionnement fiable, vous pouvez rechercher et sélectionner les connecteurs, composants d'alimentation et interfaces compatibles directement dans la bibliothèque de composants JLCPCB.

Différences entre SoC, SoM, SBC, CoM et SiP

Le domaine de l'informatique embarquée utilise plusieurs acronymes qui prêtent souvent à confusion. Les principales différences concernent leur niveau d'intégration et la nécessité ou non d'une carte porteuse externe.

Un SBC est un ordinateur complet disponible sur étagère et immédiatement utilisable. Il convient parfaitement aux premiers prototypes ou aux projets produits en très faible volume.

Un système en boîtier (SiP) regroupe plusieurs dies de silicium dans un même boîtier similaire à une puce. Il représente un niveau intermédiaire entre le SoC et le SoM, mais nécessite toujours un routage PCB personnalisé.

Un Compute Module est-il identique à un System on Module?

Oui. "Compute Module" est simplement une appellation propre à certains fabricants pour désigner un System on Module. L'exemple le plus connu est le Raspberry Pi Compute Module CM4/CM5, version modulaire et industrielle de l'ordinateur monocarte Raspberry Pi standard, conçue pour être intégrée dans des produits commerciaux personnalisés.

Figure: évolution du circuit intégré au SoC, puis au SiP, au SoM/CoM et au SBC, avec un niveau croissant d'intégration et de préparation à l'emploi.

FAQ sur les SoM et les SoC

Conclusion

Pour la plupart des produits fabriqués en volumes faibles ou intermédiaires, commencer la conception avec un système sur module (SoM) constitue l'approche la plus efficace. Cette solution réduit les délais de développement, limite les risques d'ingénierie et simplifie la conformité réglementaire.

Les conceptions personnalisées avec SoC directement implanté conviennent davantage aux produits grand public fabriqués en grande série ou aux appareils soumis à de fortes contraintes d'espace, lorsque les dimensions physiques et le coût matière unitaire justifient un investissement initial important en ingénierie.

Une stratégie pratique et éprouvée consiste à lancer le produit avec un SoM afin de valider sa présence sur le marché, puis à migrer vers un routage avec SoC directement implanté lorsque les volumes de production augmentent.