La croissance formidable des dispositifs sans fils et autonomes (réseaux de capteurs, objets connectés…) voit actuellement son développement limité par les batteries qui présente une durée de vie limitée et ainsi soulève des problèmes de maintenance. Afin de palier à cette limitation, l’utilisation de l’énergie directement disponible dans l’environnement immédiat du dispositif, conduisant au concept de « récupération d’énergie », est une voie fortement explorée depuis une dizaine d’années. Ainsi, l’objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles techniques et/ou d’utiliser de nouveaux principes de conversion afin de proposer des alternatives aux techniques de récupération d’énergie classiques. Dans un premier temps, l’optimisation de récupérateurs électrostatiques a été étudiée. Les performances de ces systèmes étant fortement liées à la variation de capacité, une structure fractale, permettant un accroissement important des surfaces en regard entre deux électrodes (et donc de la capacité) lorsque ces dernières sont proches, a été proposée et modélisée. Il est ainsi montrer un accroissement significatif des possibilités de récupération d’énergie ; ces dernières étant étroitement liées à l’amplitude de vibration du système. Le second axe de recherche de cette thèse s’est attelé à développer un modèle haut niveau simple mais précis pour les structure utilisant des polymères électrostrictifs fonctionnant en flexion. Une analyse énergétique a permis de mettre en place un modèle électromécanique masse-ressort-amortisseur couplé avec une source de courant contrôlée par les excitations mécaniques et électriques du système, permettant ainsi une conception plus aisée du microgénérateur. Enfin, la dernière partie de cette thèse s’est intéressée à la conversion d’énergie thermique utilisant la variation de perméabilité des matériaux ferromagnétiques, ouvrant de nouvelles possibilités de conversion de l’énergie. En particulier, une technique simple et autonome consiste à créer un champ magnétique de polarisation à l’aide d’un aimant, permettant une variation du flux magnétique lors d’un changement de température, qui peut être converti sous forme électrique à l’aide d’un bobinage. / This thesis has been devoted to electrostatic mechanical energy harvesting based on capacitors inspired by fractal geometry, to mechanical energy harvesting based on beams with electrostrictive polymers, and to thermal energy harvesting based on ferromagnetic materials. For electrostatic energy harvesting without electrets, interdigitated capacitors are usually applied as in-plane overlap varying and in-plane gap closing electrostatic generators. In consideration of the limit of aspect ratio for fingers in the capacitor, we would like to improve the capacitor configuration by taking advantage of self-similarity patterns. The concept is to gradually add fingers of smaller widths between original ones to form a mountain-shape capacitor. According to the different width ranges of capacitors, they are classified as of different orders whose performances vary with the vibration amplitude. Harvested energy over one cycle for capacitors of order 1, 2 and 3 has been demonstrated by theoretical and FEM results. In application, the order of capacitor needs to be properly chosen to maximize the harvested energy. Electrostrictive polymer (polyurethane) has been utilized along with a beam to perform mechanical energy harvesting. Two models have been analyzed: clamped-free beam with a polymer film attached at the clamped end, clamped-free bimorph beam. The simple model for electrostrictive devices under flexural solicitation is set up on the base of analysis of energy conversion and it shows that the electrostrictive system can be reduced to a simple spring-mass-damper system with a quadratic dependence with the applied voltage on the mechanical side and to a current source controlled by the applied voltage with a capacitive internal impedance on the electrical side. Experiments based on the clamped-free beam with a polymer film attached to the clamped end have been carried out to evaluate the mechanical to electrical conversion. The thermal energy generator is based on a ferromagnetic material, a magnet and a coil. As the magnetic permeability of ferromagnetic materials encounters drastic variation around the Curie temperature, the concept of the generator is to take advantage of the permeability variation caused by temperature decrease to generate sharp variation in magnetic flux which induces a current in the coil. According to theoretical results, the generated current is closely related to the temperature variation and the variation velocity. Experiments have been carried out on Ni30Fe of which the Curie temperature is 55 ºC. When the temperature decreases from 20.5 ºC to -42.4 ºC, the maximum power is about 4×10^(-7)W with the load to be 2 Ω.

The PhD thesis focuses on the always-on low power SRAM memories (essentially low dynamic power) in thin CMOS technology node CMOS 32nm and beyond. It reviews the state of the art of the eSRAM and describes different techniques to reduce the static and dynamic power consumption with respect the variability issue. Main techniques of power reduction are reviewed with their contributions and their limitations. It presents also a discussion about a statistical variability modeling and the variability effects on the yield. An original low power architecture based on 5T-Portless bit-cell is presented, with current mode read/write operations, as an ideal candidate for the always-on SRAM memories. A test chip implementation in CMOS 32nm of the 5T-Porless is designed and a comparison with an existing 6T SRAM memory is presented based on simulation. Some test chip functionality results and power consumption are performed. Finally the conclusion highlights the major contributions of the study and discusses the various simplification assumptions to see possible limitations. It is concluded affirmatively about industrial interest of the 5T-Portless SRAM for always-on embedded applications. Perspectives concern the analytical modeling for statistical behavior of SRAM as the Monte-Carlo approach is no more practicable. The migration of the 5T-Portless SRAM may be already considered in advanced nodes.

La récupération d'énergie par élément piézoélectrique est une technique prometteuse pour les futurs systèmes électroniques nomades autoalimentés. L'objet de ce travail est d’analyser des approches simples et agiles d’optimisation de la puissance produite par un générateur piézoélectrique. D'abord le problème de l’optimisation de l’impédance de charge d’un générateur piézoélectrique sismique est posé. Une analyse du schéma équivalent global de ce générateur a été menée sur la base du schéma de Mason. Il est démontré que la puissance extraite avec une charge complexe adaptée puisse être constante quelle que soit la fréquence et que de plus elle est égale à la puissance extraite avec la charge résistive adaptée du même système sans pertes. Il est montré toutefois que la sensibilité de cette adaptation à la valeur de la réactance de la charge la rend difficilement réaliste pour une application pratique. Une autre solution pour améliorer l’énergie extraite est de considérer un réseau de générateurs positionnés en différents endroits d’une structure. Des simulations sont proposées dans une configuration de récupération d’énergie de type directe sur une plaque encastrée. Les générateurs piézoélectriques, associés à la technique SSHI, ont été reliés selon différentes configurations. Les résultats attestent que l’énergie produite ne dépend pas de façon critique de la manière dont sont connectés les éléments. Toutefois l’utilisation d’un seul circuit SSHI pour l’ensemble du réseau dégrade l’énergie extraite du fait des interactions entre les trop nombreuses commutations. Enfin une nouvelle approche non-linéaire est étudiée qui permet l’optimisation de l’énergie extraite tout en gardant une grande simplicité et des possibilités d’auto alimentation. Cette technique appelée S3H pour « Synchronized Serial Switch Harvesting » n’utilise pas d’inductance et consiste en un simple interrupteur en série avec l’élément piézoélectrique. La puissance récupérée est le double de celle extraite par les méthodes conventionnelles et reste totalement invariante sur une large gamme de résistances de charge. / Piezoelectric energy harvesting is a promising technique for battery-less miniature electronic devices. The object of this work is to evaluate simple and robust approaches to optimize the extracted power. First, a lightweight equivalent circuit derived from the Mason equivalent circuit is proposed. It’s a comprehensive circuit, which is suitable for piezoelectric seismic energy harvester investigation and power optimization. The optimal charge impedance for both the resistive load and complex load are given and analyzed. When complex load type can be implemented, the power output is constant at any excitation frequency with constant acceleration excitation. This power output is exactly the maximum power that can be extracted with matched resistive load without losses. However, this wide bandwidth optimization is not practical due to the high sensitivity the reactive component mismatch. Another approach to improve power extraction is the capability to implement a network of piezoelectric generators harvesting on various frequency nodes and different locations on a host structure. Simulations are conducted in the case of direct harvesting on a planar structure excited by a force pulse. These distributed harvesters, equipped with nonlinear technique SSHI (Synchronized Switching Harvesting on Inductor) devices, were connected in parallel, series, independently and other complex forms. The comparison results showed that the energy output didn’t depend on the storage capacitor connection method. However, only one set of SSHI circuit for a whole distributed harvesters system degrades the energy scavenging capability due to switching conflict. Finally a novel non-linear approach is proposed to allow optimization of the extracted energy while keeping simplicity and standalone capability. This circuit named S3H for “ Synchronized Serial Switch Harvesting” does not rely on any inductor and is constructed with a simple switch. The power harvested is more than twice the conventional technique one on a wide band of resistive load.

De plus en plus d'applications spécifiques embarquées exigent de larges blocs de mémoires statiques SRAM. En particulier il y a un besoin de mémoires inconditionnellement actives pour lesquelles la consommation d'énergie est un paramètre clé. Par exemple les réseaux sans fil hétérogènes sont caractérisés par plusieurs interfaces tournées vers des réseaux différents, donc de multiples adresses IP simultanées. Une grande quantité de mémoire est mobilisée et pose un sérieux problème de consommation d'énergie vis-à-vis de l'autonomie de système mobile. La stratégie classique d'extinction des blocs mémoire momentanément non opérationnelle ne permet qu'une réduction faible en consommation et limite les performances dynamiques du système. Il y a donc un réel besoin pour une mémoire toujours opérationnelle avec un très faible bilan énergétique. Par ailleurs les technologies CMOS avancées posent le problème de la variabilité et la conception de mémoire SRAM doit aboutir à un niveau de fiabilité très grand. La thèse discute les verrous techniques et industriels concernant la mémoire embarquée SRAM très faible consommation. Le cas de la mémoire toujours opérationnelle représente un défi pertinent. Un état de l'art balaie les architectures SRAM avec plusieurs points de vue. Une discussion à propos de la modélisation analytique statistique comme moyen de simplification de la conception en 32nm a été développée. Une cellule alternative aux 6T, 7T et 8T, laquelle est appelée 5T-Portless présente des avantages et des performances qui repose sur son fonctionnement en mode courant à l'origine de la réduction significative de la consommation dynamique ajoutée à une cellule intrinsèquement peu fruiteuse. Un démonstrateur de 64kb (1024x64b) en CMOS32nm a été réalisé, les résultats de mesure confirment l'intérêt industriel de cette mémoire. / The PhD thesis focuses on the always-on low power SRAM memories (essentially low dynamic power) in thin CMOS technology node CMOS 32nm and beyond. It reviews the state of the art of the eSRAM and describes different techniques to reduce the static and dynamic power consumption with respect the variability issue. Main techniques of power reduction are reviewed with their contributions and their limitations. It presents also a discussion about a statistical variability modeling and the variability effects on the yield. An original low power architecture based on 5T-Portless bit-cell is presented, with current mode read/write operations, as an ideal candidate for the always-on SRAM memories. A test chip implementation in CMOS 32nm of the 5T-Porless is designed and a comparison with an existing 6T SRAM memory is presented based on simulation. Some test chip functionality results and power consumption are performed. Finally the conclusion highlights the major contributions of the study and discusses the various simplification assumptions to see possible limitations. It is concluded affirmatively about industrial interest of the 5T-Portless SRAM for always-on embedded applications. Perspectives concern the analytical modeling for statistical behavior of SRAM as the Monte-Carlo approach is no more practicable. The migration of the 5T-Portless SRAM may be already considered in advanced nodes.

Cette thèse s'intéresse aux problèmes d'allocations des ressources et de puissance dans les réseaux cellulaires de quatrième génération (4G). Pour faire face à la demande continuellement croissante en débit des utilisateurs mobiles, les opérateurs n'ont d'autre choix que de densifier leurs infrastructures d'accès au réseau radio (RAN), afin de maximiser l'utilisation de la bande passante disponible dans l'espace. Un des défis de cette nouvelle architecture est la coexistence de nombreuses cellules voisines et la gestion des interférences co-canal qu'elles génèrent entre elles. De telles contraintes ont amené la communauté scientifique à s'intéresser aux réseaux auto-organisés et auto-optimisés (SON), qui permettent aux réseaux de s'optimiser localement via des décisions décentralisées (sans planification statique). L'intérêt principal de tels réseaux est le passage à l'échelle des algorithmes distribués et la possibilité de s'adapter dynamiquement à de nouveaux environnements. Dans cette optique, nous proposons l'étude de deux problèmes d'allocation de ressources. La première partie de cette thèse se concentre sur l'optimisation de l'usage des ressources, dans un contexte de transmission coordonnée par plusieurs stations de base (CoMP). Les performances de la coordination de stations de base sont évaluées, selon le critère de capacité uniforme, ainsi que le compromis entre l'efficacité spectrale et l'équité entre les utilisateurs. Nous proposons également une méthode généralisée et distribuée de sélection de l'ensemble de stations en coopération, afin d'optimiser le compromis efficacité-équité. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l'optimisation de l'allocation des ressources et de puissance, dans le but de minimiser la consommation électrique du réseau. Nous présentons deux algorithmes dont les décisions sont décentralisées. Le premier est basé sur une optimisation stochastique (via l'échantillonneur de Gibbs) et permet une optimisation globale du système. Le second quant à lui est basé sur l'adaptation de la théorie du contrôle et utilise des modèles prédictifs et la poursuite de cibles pour allouer les ressources et les puissances dans un contexte de canaux et d'interférences dynamiques. Dans de nombreux cas, plusieurs objectifs concurrents sont à considérer pour évaluer les performances d'un réseau (capacité totale, équité, consommation électrique, etc.). Dans le cadre de cette thèse, nous nous efforçons à présenter les résultats sous la forme de compromis multi-objectifs. / This thesis focuses on resources and power allocation problem in the fourth generation (4G) of cellular networks. To face the continuous growth of mobile users capacity requirements, operators need to densify their radio access network (RAN) infrastructure, to maximize the use of the available bandwidth in space. One of the major issues of this new architecture is the proximity of many base stations (BS) and the management of the interference they generate on each other's cell. Such constraints makes scientific community focus on Self-Optimized, Self-Organized Networks (SON) that allow network elements to optimize them-selves through decentralized decisions (no static network planning is required). A major interest of SON is their capability to scale to large and non-organized networks, as well as being able to adapt them-selves dynamically, by using distributed algorithms. In this context, this thesis proposes the study of two resource allocation problems. The first part of this thesis focuses on the optimisation of resource sharing, in the context of coordinated multi-points transmissions (CoMP). Performances of BS coordination are evaluated, using the uniform capacity criterion, as well as the trade-off between total capacity and fairness among users. We also propose a generalized and distributed method to select the set of coordination of BS, to optimize the capacity-fairness trade-off. In the second part of this thesis, we focus on optimizing the transmit power and resource allocation, in order to reduce electric consumption. We present two distributed algorithms: the first one is based on a stochastic optimisation (using Gibbs sampling), and tries to reach the global optimum state through decentralized decision. The second one is based on control theory, and uses target tracking as well as model predictive control to allocate resources and power in a dynamic channel scenario. In many cases, trade-offs are to be maid between opposite objectives when evaluating network performances (total throughput, fairness, energy consumption, etc.). In this thesis, we present most of the network performances using multi-objectives evaluations.