La complexité des systèmes embarqués et des applications impose des besoins croissants en puissance de calcul et de consommation énergétique. Couplé au rendement en baisse de la technologie, le monde académique et industriel est toujours en quête d'accélérateurs matériels efficaces en énergie. L'inconvénient d'un accélérateur matériel est qu'il est non programmable, le rendant ainsi dédié à une fonction particulière. La multiplication des accélérateurs dédiés dans les systèmes sur puce conduit à une faible efficacité en surface et pose des problèmes de passage à l'échelle et d'interconnexion. Les accélérateurs programmables fournissent le bon compromis efficacité et flexibilité. Les architectures reconfigurables à gros grains (CGRA) sont composées d'éléments de calcul au niveau mot et constituent un choix prometteur d'accélérateurs programmables. Cette thèse propose d'exploiter le potentiel des architectures reconfigurables à gros grains et de pousser le matériel aux limites énergétiques dans un flot de conception complet. Les contributions de cette thèse sont une architecture de type CGRA, appelé IPA pour Integrated Programmable Array, sa mise en œuvre et son intégration dans un système sur puce, avec le flot de compilation associé qui permet d'exploiter les caractéristiques uniques du nouveau composant, notamment sa capacité à supporter du flot de contrôle. L'efficacité de l'approche est éprouvée à travers le déploiement de plusieurs applications de traitement intensif. L'accélérateur proposé est enfin intégré à PULP, a Parallel Ultra-Low-Power Processing-Platform, pour explorer le bénéfice de ce genre de plate-forme hétérogène ultra basse consommation. / Emerging trends in embedded systems and applications need high throughput and low power consumption. Due to the increasing demand for low power computing and diminishing returns from technology scaling, industry and academia are turning with renewed interest toward energy efficient hardware accelerators. The main drawback of hardware accelerators is that they are not programmable. Therefore, their utilization can be low is they perform one specific function and increasing the number of the accelerators in a system on chip (SoC) causes scalability issues. Programmable accelerators provide flexibility and solve the scalability issues. Coarse-Grained Reconfigurable Array (CGRA) architecture consisting of several processing elements with word level granularity is a promising choice for programmable accelerator. Inspired by the promising characteristics of programmable accelerators, potentials of CGRAs in near threshold computing platforms are studied and an end-to-end CGRA research framework is developed in this thesis. The major contributions of this framework are: CGRA design, implementation, integration in a computing system, and compilation for CGRA. First, the design and implementation of a CGRA named Integrated Programmable Array (IPA) is presented. Next, the problem of mapping applications with control and data flow onto CGRA is formulated. From this formulation, several efficient algorithms are developed using internal resources of a CGRA, with a vision for low power acceleration. The algorithms are integrated into an automated compilation flow. Finally, the IPA accelerator is augmented in PULP - a Parallel Ultra-Low-Power Processing-Platform to explore heterogeneous computing.

La dynamique moléculaire gros-grain nous permet d'étudier l'interface polymère / silice. En particulier, nous comparons les comportements divergents du poly(acrylamide) (PAAm) et du poly(N,Ndimethylacrylamide) (PDMA) sur la surface de silice. Tout d'abord, nous montrons que les comportements macroscopiques du PAAm et du PDMA sont correctement représentés par un modèle contenant un solvant explicite. Nous utilisons ensuite la méthode d'énergie libre umbrella sampling afin d'examiner le détachement du PAAm et du PDMA de la surface de silice et d'étudier les caractéristiques importantes qui permettent ou non à la chaîne de polymère de rester adsorbée sur la surface de silice. Nous soulignons l'importance des interactions intra moléculaires au sein du polymère ainsi que les interactions polymère/surface qui déterminent l'adsorption du polymère sur la silice. De manière surprenante, les interactions solvant/polymère et solvant/surface ne sont pas des critères discriminants lors de l'adsorption des polymères sur la surface. Les polymères sont finalement contraints de s'adsorber sur deux surfaces de silice séparées de 200 Å. Ce système nous permet d'analyser l'évolution de la labilité des monomères ainsi que la force appliquée par les monomères sur la surface quand la distance entre les deux surfaces augmente. / Polymer/silica interface is investigated using coarse-grained molecular dynamics simulations. In particular, the different behavior of poly(acrylamide) (PAAm) and of poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) on the silica surface is compared. First, we show that the macroscopic behavior of PAAm and of PDMA is correctly represented by a model containing an explicit solvent. Then, the umbrella sampling free energy method is used to probe the detachment of PAAm and of PDMA from a silica surface and to investigate important features that allow - or not - the polymer chain to remain adsorbed on the silica surface. We proved that intramolecular interactions within the polymer and polymer/surface interactions are of first importance for the polymer chain to adsorb on silica. Surprisingly, solvent/polymer as well as solvent/surface interactions are not discriminating criteria. Polymer chains are finally constrained to a particular configuration where one chain is adsorbed on two silica surfaces that are 200 Å apart. This yields interesting insights into the evolution of the monomers lability and of the surface/polymer strength interaction when the two silica surfaces are moved apart.

La spectroscopie de dichroïsme circulaire (CD) est une des techniques fondamentales en biologie structurale qui permet la détermination du contenu en structures secondaires d'une protéine. Le rayonnement synchrotron a considérablement augmenté l’utilité de la méthode, car il permet de travailler avec une gamme spectrale étendue et à meilleure intensité. Le développement de modèles permettant d’établir une relation entre la structure d’une protéine et son spectre CD d’une manière efficace n’a pourtant pas suivi l’évolution technique et l’analyse de spectres CD de protéines entières reste un défi sur le plan théorique. Dans ce contexte, nous avons développé un modèle "minimaliste" pour la spectroscopie CD des protéines, où chaque atome C-alpha de la chaîne principale porte un oscillateur de Lorentz classique, i.e. une charge mobile qui est tenue par un potentiel quadratique. Les oscillateurs sont couplés par un potentiel coulombien et leurs déplacements suivent les tangentes locales respectives de la courbe spatiale décrite par les atomes C-alpha. Le système d'oscillateurs est couplé à une onde électromagnétique plane décrivant la source de lumière et le phénomène d'absorption est modélisé par des forces de friction. Nous montrons que le modèle reproduit correctement le phénomène CD d'une chaîne polypeptidique hélicoïdale et en particulier son signe en fonction de l'orientation de la chaîne. Comme première application, nous présentons l'ajustement du modèle au spectre CD d'un polypeptide composé de 15 résidus qui se plie sous forme d'une hélice alpha. La transférabilité de ces paramètres est ensuite évaluée pour la myoglobine, une protéine de 153 résidus contenant 8 hélices alpha. / Circular dichroism (CD) spectroscopy is one of the fundamental techniques in structural biology that allows us to investigate the secondary structure of proteins. Synchrotron radiation has considerably increased the usefulness of the method because it allows to work with a wider range of spectrum and much greater signal-to-noise ratios. The development of a theoretical model to establish a relationship between the structure of a protein and its CD spectra in an efficient manner proved to be a complex task. The calculation of the CD spectra of large molecules, such as protein, remains a challenge, due to the size and flexibility of the molecules. In this context, we have developed a “minimal” model to explain the CD spectroscopy of proteins, which associates each C-alpha position on the protein backbone with a classical Lorentz oscillator i.e. a mobile charge attaches to a corresponding atom by a quadratic potential. The coupling between charges is through the Coulomb potential and their displacements follow the direction of the respective local tangents to the Calpha space curve. This system is coupled to a planar electromagnetic wave describing the light source and the absorption phenomenon is modeled by frictional forces. We show that the model correctly reproduces the CD phenomenon of a helical polypeptide chain and in particular its sign depending on the orientation of the chain. At first, we have fitted a model to CD spectra of a polypeptide chain of 15 residues folded into alpha helix. The transferability of these parameters is then evaluated with myoglobin, a protein of 153 residues containing eight alpha helices.

Les protéines amyloïdes sont retrouvées sous forme de fibres dans de nombreuses maladies neurodégénératives. En tentant d’élucider le mécanisme de fibrillation, les chercheurs ont découvert que cette réaction se fait par un phénomène de nucléation passant par des oligomères. Il semblerait que ces espèces soient la principale cause de la toxicité observée dans les cellules des patients atteints d’amyloïdose. C’est pourquoi un intérêt particulier est donc porté aux premières étapes d’oligomérisation. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à une séquence d’acide aminé fortement hydrophobe de l’α-synucléine appelée composante non β -amyloïde (Non-Amyloid β Component ou NAC). Cette dernière est retrouvée sous forme de fibres dans les corps et les neurites de Lewy des patients atteints de la maladie de Parkinson. De plus, elle constitue une composante minoritaire des fibres impliquées dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons observé les changements structuraux qui ont lieu pour le monomère, le dimère et le trimère de la séquence NAC de l’α-synucléine. Nous nous sommes aussi intéressés aux conséquences structurelles observées dans des oligomères hétérogènes qui impliqueraient, Aβ1−40. Pour cela nous utilisons des dynamiques moléculaires, d’échange de répliques couplées au potentiel gros-grain, OPEP. Nous constatons une disparition des hélices α au profit des feuillets β , ainsi que le polymorphisme caractéristique des fibres amyloïdes. Certaines régions se sont démarquées par leurs capacités à former des feuillets β . La disparition de ces régions lorsque NAC est combinée à Aβ laisse entrevoir l’importance de l’emplacement des résidus hydrophobes dans des structures susceptibles de former des fibres amyloïdes. / Amyloid proteins are found in fiber form in many neurodegenerative diseases. In attempting to elucidate the mechanism of fibrillation, researchers have found that fibril formation occurs by a nucleation mechanisms involving oligomers. It seems, in particular, that the latter species are responsible for the toxicity observed in the cells of patients suffering from amyloidosis. That is why special interest is focused in the early stages of oligomerization. In this this work, we focus on a highly hydrophobic amino acid sequence of the α-synuclein called Non-Amyloid β Component (NAC). The NAC is recovered in the form of fibers in the body and Lewy neurites in patients with Parkin- son’s disease. Moreover, it is a minority component of the fibers involved in Alzheimer’s disease. In particular, we observe the structural changes taking place for the monomer, dimer and trimer of the NAC region of α-synuclein. We are also interested in the structural consequences observed in heterogeneous oligomers which involve Aβ1−40. We use Hamiltonian and temperature replica exchange molecular dynamics (HT-REMD) simulations combined with the coarse-grained OPEP potential. We observe a loss of α-helices in favor of β -strands and the characteristic polymorphism of amyloid fibers. We also find that some regions are distinguished by their ability to form β -strands. The disappearance of these regions when combined Aβ with NAC suggests the importance of the location of hydrophobic residues in amyloid fibers structures.

La compréhension de la relation structure-propriétés des parois des cellules végétales s'appuie de plus en plus sur l'utilisation d'approches de modélisation moléculaire en général et de dynamique moléculaire en particulier. A ce jour, le poids numérique que représente une telle démarche à l'échelle de l'atome est la plupart du temps incompatible avec les puissances de calcul disponibles. C'est pourquoi des méthodes d'approximation sont indispensables pour pouvoir mettre en œuvre des simulations numériques à l'échelle de systèmes supramoléculaires réalistes. Dans le cadre de cette thèse, un modèle de dynamique moléculaire, dit « gros grain » a été mis au point à l'échelle du monomère de macromolécules pariétales. Les paramètres de ce modèle ont été calibrés à l'aide de simulations de dynamique moléculaire à l'échelle de l'atome. Ce modèle a fait l'objet de quatre applications : adsorption d'une chaine de xylane sur une surface de cellulose cristalline, arrachement d'une chaine de xylane adsorbée sur une surface de cellulose cristalline par une pointe AFM, adsorption d'une phase amorphe de xylane sur une surface de cellulose cristalline et adsorption d'une phase amorphe de xylane sur un monocristal de cellulose exposant trois surfaces différentes. Des effets de structuration au voisinage de la cellulose sont observés. / Nowadays, the understanding of plant cell walls' structure-properties relationship leans more and more on the use of molecular modeling approaches and of molecular dynamics in particular. To date, numerical weight of such an approach is usually out of the reach of available computing power if the atomic scale is used. As a consequence, building approximate methods is of crucial importance to perform numerical simulation of realistic supramolecular systems. Within the framework of this PhD, a “coarse grain” molecular dynamics model was built at plant cell wall macromolecule monomer's scale, it's parameters being fixed with the help of atom-scale molecular dynamics simulations. Then, several numerical studies were carried out: a single xylan chain was adsorbed on a crystalline cellulose surface, a single xylan chain was pulled from a crystalline cellulose surface with the help of the tip of an AFM cantilever, an amorphous xylan phase was adsorbed on a cellulose surface and an amorphous xylan phase was adsorbed on a cellulose crystal, which three surfaces were exposed. Local structuring effects were observed.

Les systèmes embarqués sont des dispositifs électroniques et informatiques autonomes, dédiés à une tâche bien précise. Leur utilisation s'est désormais démocratisée à de nombreux domaines d'applications et en particulier au multimédia. Ce type d'application est caractérisé par un besoin important en puissance de calcul et en échange de données. Les architectures matérielles au cœur de ces systèmes sont généralement dotées d'accélérateurs chargés de l'exécution des noyaux de calcul intensif. Les architectures reconfigurables à gros grain (CGRA) sont particulièrement adaptées à l'accélération d'applications multimédia car elles répondent au mieux aux contraintes de performance, d'efficacité énergétique, de flexibilité et de coût de conception. En effet, ce type d'architecture est un compromis entre les processeurs à usage général, les architectures dédiées et celles reconfigurables à grain fin. Cette thèse traite de certains aspects liés aux problématiques de conception et de compilation d'applications pour CGRA. Nos travaux s'inscrivent dans une démarche d'adéquation applications multimédia / CGRA / conception et compilation basées sur la programmation par contraintes (CP). Notre méthodologie nous a permis, grâce à la CP, de modéliser et de résoudre un ensemble de problèmes combinatoires complexes. Le premier modèle présenté a trait à la fusion d'unités fonctionnelles reconfigurables sous contraintes architecturales et technologiques. Les deux autres modèles abordent les problèmes de : placement, ordonnancement et routage des données pour le déploiement d'une application sur CGRA. Notre approche permet, dans la majorité des cas, de prouver l'optimalité de la solution obtenue.

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