Moore's Law has helped Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) scale continuously in speed, capacity and energy efficiency, allowing the integration of ever-larger systems into a single FPGA chip. This brings challenges to the productivity of developers in leveraging the sea of FPGA resources. Higher level of design abstractions and programming models are needed to improve the design productivity, which in turn require memory architectural supports on FPGAs. While previous efforts focus on computation-centric applications, we take a bandwidth-centric approach in designing memory systems. In particular, we investigate the scheduling, buffered switching and searching problems, which are common to a wide range of FPGA applications. Despite that the bandwidth problem has been extensively studied for general-purpose computing and application specific integrated circuit (ASIC) designs, the proposed techniques are often not applicable to FPGAs. In order to achieve optimized design implementations, designers need to take into consideration both the underlying FPGA physical characteristics as well as the requirements from applications. We therefore extract design requirements from four driving applications for the selected problems, and address them by exploiting the physical architectures and available resources of FPGAs. Towards solving the selected problems, we manage to advance state-of-the-art with a scheduling algorithm, a switch organization and a cache analytical model. These lead to performance improvements, resource savings and feasibilities of new approaches for well-known problems.

Moore's Law has helped Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) scale continuously in speed, capacity and energy efficiency, allowing the integration of ever-larger systems into a single FPGA chip. This brings challenges to the productivity of developers in leveraging the sea of FPGA resources. Higher level of design abstractions and programming models are needed to improve the design productivity, which in turn require memory architectural supports on FPGAs. While previous efforts focus on computation-centric applications, we take a bandwidth-centric approach in designing memory systems. In particular, we investigate the scheduling, buffered switching and searching problems, which are common to a wide range of FPGA applications. Despite that the bandwidth problem has been extensively studied for general-purpose computing and application specific integrated circuit (ASIC) designs, the proposed techniques are often not applicable to FPGAs. In order to achieve optimized design implementations, designers need to take into consideration both the underlying FPGA physical characteristics as well as the requirements from applications. We therefore extract design requirements from four driving applications for the selected problems, and address them by exploiting the physical architectures and available resources of FPGAs. Towards solving the selected problems, we manage to advance state-of-the-art with a scheduling algorithm, a switch organization and a cache analytical model. These lead to performance improvements, resource savings and feasibilities of new approaches for well-known problems.

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Les mémoires non-volatiles de type Flash sont présentes dans un grand nombre de circuits visant des applications électroniques portatives. Leur non-volatilité et flexibilité en font des mémoires extrêmement populaires. Néanmoins, la fiabilité devient une caractéristique à améliorer en raison des besoins en surface grandissants et de leur intégration dans des applications sensibles. Des solutions de tolérance aux fautes peu coûteuses et faciles à intégrer doivent être mises en place. Tout d'abord, cette étude s'est portée sur l'analyse et l'étude de la fiabilité des Flash. Il fut l'occasion d'établir un modèle de fiabilité d'une cellule à grille flottante. Ce modèle a été ajusté suivant les paramètres issus d'une technologie Flash 180nm. Dans un second temps, deux techniques de tolérance aux fautes mêlant codes correcteurs d'erreurs et redondance ont été mises au point. La première technique, nommée correction d'erreurs par analyse de VT, fournit des capacités de correction accrues par l'analyse du niveau de programmation des cellules mémoire. Une étude mathématique puis une architecture de fiabilisation ont été proposées. Dans cette étude, on suppose que des ressources de redondance sont disponibles afin de réparer la mémoire lorsqu'une erreur est détectée. La seconde technique, appelée correction d'erreur hiérarchique, utilise des capacités de correction distribuées dans la mémoire Flash afin de réduire significativement le coût associé à une correction d'erreur avancée. Cette technique a été intégrée dans une architecture de fiabilisation disposant de ressources de redondance. Une étude basée sur les Chaines de Markov à Temps Continu a démontré l'efficacité de cette structure. Ces techniques constituent des solutions alternatives aux schémas standards utilisés dans l'industrie. Elles augmentent significativement le temps moyen à la défaillance du système sans faire exploser la surface requise à l'intégration une structure de tolérance<br />aux fautes.

Cette thèse porte sur la simulation des jets de gouttes générés par des pulvérisateurs essence haute pression, pulvérisateurs qui sont un point clef des systèmes de combustion automobile de la présente et future génération devant diminuer les émissions de CO2 et de polluants. Dans un premier temps les jets de gouttes (" sprays ") sont simulés par simulation moyennée. Les résultats de simulation d'un jet donnant des résultats en moyenne satisfaisant, l'interaction de jets en injecteurs multi-trous est alors simulée. Les résultats sont cohérents par rapport aux mesures d'entraînement d'air. La simulation permettant d'avoir accès au champ complet 3D, le mécanisme d'interaction jet à jet et de développement instationnaire du spray est décrit en détail. La formation d'un mouvement descendant au centre du spray et celle d'un point d'arrêt central sont trouvés. Finalement, Ces résultats sont étendus au cas surchauffé, cas où la pression dans la chambre est inférieure à la pression de vapeur saturante. Un modèle simple semi-empirique est proposé pour tenir compte de la modification des conditions proches de la buse d'injection. Le modèle prédit correctement les tendances des variations de paramètres et capture la forme générale du spray qui se referme sur lui-même. La seconde grande partie est consacrée au développement d'un modèle de spray par l'approche des grandes échelles (SGE), limité ici aux cas non évaporant. Il comprend la modélisation de sous-maille de la dispersion turbulente, des collisions-coalescence et des termes d'échange de quantité de mouvement de sous-maille. L'effet du choix du modèle de sous-maille pour la viscosité turbulente de sous-maille est montré, le choix retenu étant le modèle de Smagorinski dynamique. Afin d'améliorer la représentativité cruciale des conditions d'injections, un couplage faible est réalisé à partir de résultats de simulations existantes de l'écoulement interne aux buses. Les fonctions densité de probabilité simple et jointes extraits des résultats de simulations sont validés par rapport aux mesures PDA en situation pseudo-stationnaire et la pénétration liquide et la forme du spray est comparée aux visualisations par ombroscopie. Enfin, différentes zones caractéristiques sont identifiées et des longueurs sont notées pour les cas d'injection à 100 et 200bar.

A new manufacturing paradigm may lower the cost and environmental impact of existing products, as well as enable completely new products. Large scale, roll-to-roll manufacturing of flexible electronics and other functionality has great potential. However, a commercial breakthrough depends on a lower consumption of materials and energy compared with competing alternatives, and that sufficiently high performance and reliability of the products can be maintained. The substrate constitutes a large part of the product, and therefore its cost and environmental sustainability are important. Electrically conducting thin films are required in many functional devices and applications. In demanding applications, metal films offer the highest conductivity.   In this thesis, paper substrates of various type and construction were characterized, and the characteristics were related to the performance of inkjet-printed metal patterns. Fast absorption of the ink carrier was beneficial for well-defined pattern geometry, as well as high conductivity. Surface roughness with topography variations of sufficiently large amplitude and frequency, was detrimental to the pattern definition and conductivity. Porosity was another important factor, where the characteristic pore size was much more important than the total pore volume. Apparent surface energy was important for non-absorbing substrates, but of limited importance for coatings with a high absorption rate. Applying thin polymer–based coatings on flexible non-porous films to provide a mechanism for ink solvent removal, improved the pattern definition significantly. Inkjet-printing of a ZnO-dispersion on uncoated paper provided a thin spot-coating, allowing conductivity of silver nanoparticle films. Conductive nanoparticle films could not form directly on the uncoated paper.   The resulting performance of printed metal patterns was highly dependent on a well adapted sintering methodology. Several sintering methods were examined in this thesis, including conventional oven sintering, electrical sintering, microwave sintering, chemical sintering and intense pulsed light sintering. Specially designed coated papers with modified chemical and physical properties, were utilized for chemical low-temperature sintering of silver nanoparticle inks. For intense pulsed light sintering and material conversion of patterns, custom equipment was designed and built. Using the equipment, inkjet-printed copper oxide patterns were processed into highly conducting copper patterns. Custom-designed papers with mesoporous coatings and porous precoatings improved the reliablility and performance of the reduction and sintering process.         The thesis aims to clarify how ink-substrate interactions and sintering methodology affect the performance and reliability of inkjet-printed nanoparticle patterns on flexible substrates. This improves the selection, adaptation, design and manufacturing of suitable substrates for inkjet-printed high conductivity patterns, such as circuit boards or RFID antennas.

For the education of X-ray imaging, having a detailed knowledge on the interaction of radiation with matter is very important. Also the generation and detection concepts of the X-ray have to be grasped well. Sometimes it is not easy to visualize the interactions and assess the scheme in quantum physics level for the medical doctors and the engineers who have not studied on the modern physics in an appropriate level. This thesis aims to visualize these interactions, X-ray generation and detection, and computerized tomographic imaging. With these simulations, the user can 1) observe and analyze which type of interaction occurs under which condition, 2) understand the interaction cross sections and interaction results, 3) visualise X-ray generation and detection features, 4) clarify the method of image reconstruction, and the features affecting the image quality in computerized tomography system. This is accomplished by changing the controllable variables of the radiation and the systems with the provided interfaces. In this thesis, JAVA/FLASH based simulation interfaces are designed to easily assess the subject. The benefits of these software are their ability to execute the programs prepared on the World Wide Web media. The interfaces are accessible from anywhere, at any time.

Thermische Ausheilprozesse werden bei der Transistorformation im Wesentlichen eingesetzt, um die durch die Ionenimplantation entstandenen Kristallschäden auszuheilen und die eingebrachten Dotanden zu aktivieren. Besonders kritisch sind dabei die finalen Aktivierungsprozesse, bei denen die Source/Drain-Gebiete der Transistoren gebildet werden. Im Zuge der kontinuierlichen Skalierung der CMOSFET-Technologie ist es außerdem erforderlich, möglichst flache, abrupte Dotierungsprofile mit maximaler elektrischer Aktivierung zu erhalten, um die bei diesen Bauelementeabmessungen immer stärker auftretenden Kurzkanaleffekte zu unterdrücken und gleichzeitig eine höhere Leistungsfähigkeit der Transistoren zu gewährleisten. Zur maximalen Aktivierung bei minimaler Diffusion der eingebrachten Dotanden müssen dazu während der finalen Ausheilung extrem kurze Ausheilzeiten bei sehr hohen Temperaturen bewerkstelligt werden. Mit dem derzeitig angewandten Ausheilverfahren, der schnellen thermischen Ausheilung (RTA), bei der die minimale Ausheilzeit im Bereich von 1 s liegt, sind diese Vorgaben nicht mehr realisierbar. Nur durch den Einsatz von neuartigen thermischen Ausheilprozessen mit Ausheilzeiten im Millisekundenbereich können diese Forderungen erreicht werden. Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die wissenschaftliche Untersuchung der neuartigen Ausheilprozesse und die experimentelle Realisierung von Integrationsmöglichkeiten in die planare Hochleistungs-SOI-CMOSFET-Technologie. Dazu wird zunächst die Notwendigkeit der Einführung der neuartigen Ausheilprozesse erläutert. Anschließend wird basierend auf experimentellen Untersuchungen der Einfluss der Kurzzeitausheilung auf die Diffusion und Aktivierung der Dotierstoffe für eine p- und n-Dotierung analysiert. Des Weiteren werden zwei unterschiedliche Technologien der Kurzzeitausheilung, die Blitzlampen- und Laser-Ausheilung, und deren Einfluss auf das Transistorverhalten sowohl auf Wafer- als auch auf Mikroprozessorebene untersucht. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der experimentellen Untersuchung zur Integration der Kurzzeitausheilung in den Herstellungsprozess von Hochleistungs-SOI-CMOSFETs. Zwei verschiedene Ansätze werden dabei näher betrachtet. Zum Einen wird der Einfluss der Kurzzeitausheilung als zusätzlicher Ausheilschritt im Anschluss an die herkömmliche RTA und zum Anderen als alleiniger Ausheilschritt ohne RTA untersucht. Die Ergebnisse der durchgeführten Experimente zeigen, dass durch die zusätzliche Kurzzeitausheilung nach Ansatz 1 ohne eine Veränderung des Herstellungsprozesses ein verbessertes Transistorverhalten erreicht werden kann. Demgegenüber ist die Integration der Kurzzeitausheilung nach Ansatz 2 nur durch eine Anpassung der Transistorarchitektur und eine Optimierung der Implantationsparameter für die Halo-, Source/Drain-Erweiterungs- und Source/Drain-Gebiete möglich. Ein Hauptaugenmerk bei der Herstellung diffusionsarmer p-MOSFETs nach Ansatz 2 liegt in der Implementierung von Si1-xGex-Source/Drain-Gebieten, um die Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch diese Verspannungsquelle auch bei diesen Transistortypen zu gewährleisten. Die dazu durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen, dass bei diffusionsarmen p-MOSFETs mit Si1-xGex in den Source/Drain-Gebieten des Transistors, die Wahl der richtigen Implantationsspezies von entscheidender Bedeutung ist. Abschließend erfolgt eine Gegenüberstellung der Ergebnisse von optimierten, diffusionsarmen n- und p-MOSFETs mit Transistoren der 45 nm-Technologie. Letztere basieren auf einem Prozess mit einer kombinierten Ausheilung von RTA und Kurzzeitausheilung. Dabei wird gezeigt, dass im Gegensatz zur herkömmlichen RTA-Ausheilung eine weitere Miniaturisierung der planaren Transistorstruktur mit Hilfe der Kurzzeitausheilung möglich ist.

It has been observed that in certain cases the exposure of dyed fibres to aging techniques results in the strengthening of fibres. This thesis explores the hypothesis that the strengthening is due to radical cross-coupling reactions that could be initiated through metal ion mediated photodecarboxylation. The approaches taken in this research include kinetic experiments (using flash photolysis), examination of possible cross-coupling experiments (using species of opposite charge), and the design and examination of small molecule model systems. A flash photolysis system was developed and used in attempts to determine the rates of photochemical product formation for cobalt(III) amino acid complexes. Lower limits have been established for the rate of product formation in these systems. The lower limits are: 2 x 10⁷ s⁻¹ for [Co(bpy)2(gly)]²⁺; 2 x 10⁷ s⁻¹ for [Co(tpa)(gly)]²⁺; and 5 x 10⁶ s⁻¹ for [Co(tpa)(aib)]²⁺, where bpy is 2,2'-bipyridine; gly is glycinate; tpa is tris(2-pyridylmethyl)amine; and aib is aminoisobutyrate. In past studies, the rates of a series of cobalt(III) amino acid complexes were reported as being the same, and much slower. It is thought that in these cases it may not be the rate of the formation of product that was being measured, but rather the response time of the electronics that was being observed. In this thesis the results obtained for the rate for the aib complex were somewhat lower than those of the gly complexes. This may imply, for the aib complex at least, the rate of the formation of the metallocycle is being observed (and not the response times of the electronics or other limitations of the instrumentation), but the data is poor and there is considerable doubt about this. The steady state photolysis of opposite charged species [Co(bpy)2(gly)]²⁺ and [Co(EDTA)]⁻ is reported. The reactions were carried out on a small scale in deuterated solvent for NMR spectrometry analysis and also on a large scale for the possible isolation and characterisation of the products. Evidence was found for a different reaction occurring when both complexes were present. The exact nature of the product remains elusive. A model system was designed in which a dinuclear ligand would bind to two metal centres and a fibre mimic would be later added. Eight ligands are discussed that could potentially bind two octahedral metal centres. They all had a xylene spacing group linking the two polydentate sites together. Five of the ligands have two bidentate binding sites. The other three had two tridentate sites. The binding sites in three of the bis(bidentate) ligands were based on ethane-1,2- diamine (en). Two of these ligands produced hypodentate monocobalt and sundentate dicobalt complexes. The other two bidentate ligands were based on 2- aminomethylpyridine (ampy). Both of these ligands degraded in the complexation reaction conditions. The binding sites in the tridentate ligands were all based on tacn. Once again, the principal products isolated were hypodentate systems in which only one metal ion was coordinated by the ligands. There is a distinct pattern observed in the xylene spaced ligands to form hypodentate complexes with cobalt(III) metal centred complexes. There is evidence of the di-nuclear species from a reaction with a charcoal catalyst in the bis(bidentate) system. ¹H NMR spectrometry, ¹³C NMR spectrometry, elemental analysis, X-ray crystallography and UV-vis spectroscopy were used to study and characterise the complexes and ligands that were prepared in this project.

Le développement des moteurs électromagnétiques nécessite des matériaux magnétiques possédant une forte induction à saturation, une perméabilité magnétique importante, ainsi que de faibles pertes magnétiques lorsque le matériau est utilisé à des fréquences allant jusqu’à 20 kHz.Pour réduire ces pertes, le matériau doit alors posséder une résistivité électrique la plus élevée possible. Les composites magnétiques doux ont été développés dans ce contexte, en associant du fer (ou un alliage) à un matériau isolant. Historiquement, ceux-ci étaient présents sous forme de couches laminées, mais des matériaux coeur-écorce se sont développés ces dernières années.Au cours de ces travaux, nous avons développé l’enrobage de particules de fer par un matériau isolant et magnétique : le ferrite NiZn. L’enrobage de ferrite a été réalisé par voie liquide. De cette manière, il a été possible de réaliser un enrobage homogène d’épaisseur contrôlée sur des particules de fer sphériques.L’étude de la mise en forme de ces particules coeur-écorce, par métallurgie des poudres, a montré qu’en frittant le matériau composite à une température supérieure à 580°C, une réaction d’oxydoréduction a lieu entre les deux composés. Cette réaction mène à la formation d’une phase type FexNi1-x et d’une solution solide FeO-FeZnO. Ces deux phases font alors chuter les propriétés magnétiques du matériau final.Pour éviter cette réaction d’oxydoréduction, nous avons montré qu’il est possible d’ajouter une barrière de diffusion : la silice, ou bien de fritter le matériau à l’aide de techniques type FAST. De cette manière, nous avons obtenu un matériau possédant des pertes magnétiques comparables à celles de poudres industrielles mais avec une perméabilité magnétique supérieure. / Magnetic materials with high saturation induction, high magnetic permeability and low magnetic losses, are necessary for the development of electromagnetic motors used at frequencies up to 20 kHz.The electric resistivity of these materials must be as high as possible to reduce iron losses. To increase the resistivity of ferromagnetic materials, soft magnetic composites (SMC) were developed combining a ferromagnetic material with an insulating one. Firstly, laminated steel sheets were developed but during the last years core-shell materials were investigated.In this work, we have studied the coating of iron particles by an insulating and a magnetic material: NiZn ferrite. These coatings were deposited by an aqueous solution to obtain a homogenous coating with a controlled thickness on spherical iron particles.A study of composite shaping by powder metallurgy shows a redox reaction between ferrite and iron at a sintering temperature above 580°C. This reaction leads to the formation of a FexNi1-x and a FeO-FeZnO solid solution. These two phases deteriorate the magnetic properties of the final material.To avoid this redox reaction, we have shown that a silica layer can be used as a diffusion barrier. Another solution is to sinter the composite with a Field Assisted Sintering Technique (FAST) as Spark Plasma Sintering. A material with properties similar to industrial material and with a superior magnetic permeability was obtained with Spark Plasma Sintering