Ce travail de thèse traite différents aspects de la conception basse consommation. Tout d’abord, le concept du calcul réversible, considéré comme le premier essai pour un calcul sans dissipation, est présenté. Puis, je me suis intéressée aux dissipations des circuits complémentaires MOS puisque c’est la logique la plus couramment utilisée dans les circuits numériques. J’ai proposé deux approches pour réduire la consommation de ces circuits numériques. La première approche porte sur la réduction de la dissipation due aux glitchs. J’ai proposé une nouvelle méthode qui consiste à adapter les tensions de seuil des transistors pour assurer un filtrage optimal de ces glitchs. Les résultats de simulation montrent que nous obtenons jusqu’à16% de réduction des glitchs, ce qui représente une amélioration de 18% par rapport à l’état de l’art sur la base des circuits de référence ISCAS85. La deuxième approche porte sur la réduction de la dissipation obtenue en faisant fonctionner les transistors MOS en régime d’ inversion faible (sous-seuil). Les circuits fonctionnant dans ce régime représentent une solution idéale pour les applications ultra-basse-consommation. Par contre, l’une des préoccupations majeures est qu’ils sont plus sensibles aux dispersions des processus de fabrication, ce qui peut entraîner des problèmes de fiabilité. Je propose un modèle compact qui détermine le point d’énergie minimum de façon analytique, donc sans recourir à une simulation type SPICE, tout en étant suffisamment précise vis-à-vis de la variabilité(due à la dispersion). L’écart de résultat entre le modèle compact et un modèle SPICE complet est de 6%. / This thesis focuses on different aspects of ”Low Energy Design”. First, reversible logic, as it is the first attempt for low energy computing, is briefly dis- cussed. Then, we focus on dynamic energy saving in the combinational part of CMOS circuits. We propose a new method to reduce glitches based on dual threshold voltage technique. Simulation results report more than 16% average glitch reduction. We also show that combining dual-threshold to gate-sizingtechnique is very interesting for glitch filtering as it brings up to 27 % energy savings. In the third part of this dissertation, we have been interested in sub-threshold operation where the minimum energy can be achieved using a reduced supply voltage. Sub-threshold operation has been an efficient solution for energy-constrained applications with low speed requirements. However, it is very sensitive to process variability which can impact the robustness and effective performance of the circuit. We propose a model valid in sub and near threshold regions in order to correctly estimate the circuit performance in a variability aware analysis. We provide an analytical solution for the optimum supply voltage that minimizes the total energy per operation while considering variability effects. Spice simulations matches the analytical result to within 6%.

Une solution de gestion de puissance d'un système sur puce peut être définie par une architecture de faible puissance composée de multiples domaines d'alimentation et de leur stratégie de gestion. Si ces deux éléments sont économes en énergie, une solution efficace en énergie peut être obtenue. Cette approche nécessite l'ajout d'éléments structurels de puissance et de leurs comportements. Une stratégie de gestion doit respecter les dépendances structurelles et fonctionnelles dues au placement physique des domaines d'alimentation. Cette relation forte entre l'architecture et sa stratégie de gestion doit être analysée tôt dans le flot de conception pour trouver la solution de gestion de puissance la plus efficace. De récentes normes de conception basse consommation définissent des sémantiques pour la spécification, simulation et vérification d'architecture de faible puissance au niveau transfert de registres (RTL). Mais elles manquent une sémantique d'interface de gestion des domaines d'alimentation réutilisable ce qui alourdit l'exploration. Leurs sémantiques RTL ne sont pas aussi utilisables au niveau transactionnel pour une exploration plus rapide et facile. Pour combler ces lacunes, cette thèse étend ces normes et fournit une étude complète des possibilités d'optimisation de puissance basées sur la composition et la gestion des domaines d'alimentation pour des modèles fonctionnels transactionnels utilisant un environnement commun USLPAF. USLPAF comprend une méthodologie alliant conception et vérification des modèles transactionnels de faible consommation, ainsi qu'une bibliothèque de techniques de modélisation et fonctions prédéfinies pour appliquer cette méthodologie.

Une solution de gestion de puissance d’un système sur puce peut être définie par une architecture de faible puissance composée de multiples domaines d'alimentation et de leur stratégie de gestion. Si ces deux éléments sont économes en énergie, une solution efficace en énergie peut être obtenue. Cette approche nécessite l’ajout d’éléments structurels de puissance et de leurs comportements. Une stratégie de gestion doit respecter les dépendances structurelles et fonctionnelles dues au placement physique des domaines d'alimentation. Cette relation forte entre l'architecture et sa stratégie de gestion doit être analysée tôt dans le flot de conception pour trouver la solution de gestion de puissance la plus efficace. De récentes normes de conception basse consommation définissent des sémantiques pour la spécification, simulation et vérification d’architecture de faible puissance au niveau transfert de registres (RTL). Mais elles manquent une sémantique d’interface de gestion des domaines d'alimentation réutilisable ce qui alourdit l’exploration. Leurs sémantiques RTL ne sont pas aussi utilisables au niveau transactionnel pour une exploration plus rapide et facile. Pour combler ces lacunes, cette thèse étend ces normes et fournit une étude complète des possibilités d'optimisation de puissance basées sur la composition et la gestion des domaines d'alimentation pour des modèles fonctionnels transactionnels utilisant un environnement commun USLPAF. USLPAF comprend une méthodologie alliant conception et vérification des modèles transactionnels de faible consommation, ainsi qu’une bibliothèque de techniques de modélisation et fonctions prédéfinies pour appliquer cette méthodologie. / A SoC power management solution can be defined by a low-power architecture composed of multiple power domains and a power management strategy for power domains states control. If these two elements are energy-efficient, an energy-efficient solution can be obtained. This approach requires inferring power structural elements and their related behavior in the chip internal logic. A strategy adjusting the power domains states must respect structural and functional dependencies due to the physical power domains composition. This strong relationship between power architecture and its management strategy must be explored at early design stages to find the most energy-efficient solution. Low-power design standards have recently enabled low-power architecture exploration starting from the Register Transfer Level (RTL) by defining semantics to specify power architecture, simulate and check its behavior along with the initial functional one. But, these standards miss semantics for reusable power domain control interface making power management strategies exploration tedious. The RTL-based semantics defined by these standards constrain also their use at Transaction-Level of Modeling (TLM) for fast and easy exploration. This dissertation proposes extensions to low-power standards to fill these gaps. It provides a complete study of power optimization opportunities based on composition and management of power domains in Transaction-Level (TL) functional models within a common USLPAF framework. USLPAF includes a methodology that combines design and verification of TL low-power models. To apply this methodology, USLPAF incorporates a library of modeling techniques and built-in features.