L'objectif de ces travaux de thèse est de proposer une démarche de caractérisation et de simulation de matériaux métalliques à gradients de microstructure. Ces résultats doivent permettre de modéliser l'impact du procédé de forgeage sur la tenue en fatigue à grand nombre de cycles d'essieux ferroviaires, produits dans le cadre du projet Innovaxle par la société Valdunes. Des essais de caractérisation réalisés sur un essieu forgé mettent en évidence un gradient de taille de grain entre le cœur et la surface de la pièce. Ce gradient est reproduit à une échelle plus fine sur des éprouvettes recristallisées en fer ARMCO, dont la caractérisation révèle un comportement élasto-plastique fortement hétérogène. Ce comportement est caractérisé à l'aide de la méthode F.E.M.U. (Finite Element Model Updating), qui appuie une hypothèse de modélisation basée sur l'application de la loi Hall-Petch à l'échelle mésoscopique. Cette modélisation sert de base à des simulations en fatigue décrivant la réponse à des sollicitations non-uniformes d'agrégats polycristallins à gradient de microstructure. L'intérêt de microstructures conçues en prévision de chargements spécifiques est mise en avant par ces simulations. Les calculs éléments finis présentés dans ces travaux sont réalisés avec le logiciel Code Aster, et le logiciel libre YADICS est utilisé pour la corrélation d'images numériques. / The main objective of this thesis is to design a consistent methodology for the characterization and simulation of functionally graded metals. This approach should allow the assessment of the high cycle fatigue response of forged railway axles produced by Valdunes, in the context of the Innovaxle project. The tests conducted on the forged material reveal a very heterogeneous microstructure, whose grain size varies in the width of the axle. A procedure based on recrystallisation is designed to reproduce this grain size gradient on a smaller scale, on a reference material (ARMCO iron). The characterization of the obtained graded microstructure shows heterogeneities in the local elasto-plastic response of the specimen. This behaviour is tentatively described by a heterogeneously distributed elasto-plastic law over the microstructure, the local yield strength being obtained from the local grain size through a Hall-Petch formulation. This model is used to simulate the response of graded microstructures under heterogeneous loadings in the high cycle fatigue regime. The interests of functionally graded materials are outlined by these simulations. The finite element simulations run in this work make use of the Code Aster software, and the digital image correlation program YADICS is used for image registration purposes.

Ce mémoire se place dans l'étude des modèles du calcul continus. Nous y montrons que la géométrie plane permet de calculer. Nous définissons un calcul géométrique et utilisons la continuité de l'espace et du temps pour stocker de l'information au point de provoquer des accumulations. Dans le monde des automates cellulaires, on parle souvent de particules ou de signaux (qui forment des lignes discrètes sur les diagrammes espace-temps) tant, pour analyser une dynamique que, pour concevoir des automates cellulaires particuliers. Le point de départ de nos travaux est d'envisager des versions continues de ces signaux. Nous définissons un modèle de calcul continu, les machines à signaux, qui engendre des figures géométriques suivant des règles strictes. Ce modèle peut se comprendre comme une extension continue des automates cellulaires. Le mémoire commence par une présentation des automates cellulaires et des particules. Nous faisons ensuite une classification des différents modèles de calcul existants et mettons en valeur leurs aspects discrets et continus. À notre connaissance, notre modèle est le seul à temps et espace continus mais à valeurs et mises à jour discrètes. Dans la première partie du mémoire, nous présentons ce modèle, les machines à signaux, et montrons comment y mener tout calcul au sens de Turing (par la simulation de tout automate à deux compteurs). Nous montrons comment modifier une machine de manière à réaliser des transformations géométriques (translations, homothéties) sur les diagrammes engendrés. Nous construisons également les itérations automatiques de ces constructions de manière à contracter le calcul à une bande (espace borné) puis, à un triangle (temps également borné). Dans la seconde partie du mémoire, nous cherchons à caractériser les points d'accumulation. Nous reformulons de manière topologique les diagrammes espace-temps: pour chaque position, la valeur doit correspondre au voisinage sur un ouvert suffisamment petit. Muni de cet outil, nous regardons les plus simples accumulations possibles (les singularités isolées) et proposons un critère pour y prolonger le calcul; mais le déterminisme peut être perdu dans le cône d'influence. Enfin, en construisant pour tout automate à deux compteurs une machine à signaux et une configuration initiale simulant l'automate pour toutes les valeurs possibles, nous montrons que le problème de la prévision de l'apparition d'une accumulation est Σ20-complet. Le mémoire se conclut par la présentation de nombreuses perspectives de recherches.

Le développement d’applications de traitement du signal pour des architectures multi-coeurs embarquées est une tâche complexe qui nécessite la prise en compte de nombreuses contraintes. Parmi ces contraintes figurent les contraintes temps réel, les limitations énergétiques, ou encore la quantité limitée des ressources matérielles disponibles. Pour satisfaire ces contraintes, une connaissance précise des caractéristiques des applications à implémenter est nécessaire. La caractérisation des besoins en mémoire d’une application est primordiale car cette propriété a un impact important sur la qualité et les performances finales du système développé. En effet, les composants de mémoire d’un système embarqué peuvent occuper jusqu’à 80% de la surface totale de silicium et être responsable d’une majeure partie de la consommation énergétique. Malgré cela, les limitations mémoires restent une contrainte forte augmentant considérablement les temps de développements. Les modèles de calcul de type flux de données sont couramment utilisés pour la spécification, l’analyse et l’optimisation d’applications de traitement du signal. La popularité de ces modèles est due à leur bonne analysabilité ainsi qu’à leur prédisposition à exprimer le parallélisme des applications. L’abstraction de toute notion de temps dans les diagrammes flux de données facilite l’exploitation du parallélisme offert par les architectures multi-coeurs hétérogènes. Dans cette thèse, nous présentons une méthode complète pour l’étude des caractéristiques mémoires d’applications de traitement du signal modélisées par des diagrammes flux de données. La méthode proposée couvre la caractérisation théorique d’applications, indépendamment des architectures ciblées, jusqu’à l’allocation quasi-optimale de ces applications en mémoire partagée d’architectures multi-coeurs embarquées. L’implémentation de cette méthode au sein d’un outil de prototypage rapide permet son évaluation sur des applications récentes de vision par ordinateur, de télécommunication, et de multimédia. Certaines applications de traitement du signal au comportement très dynamique ne pouvant être modélisé par le modèle de calcul supporté par notre méthode, nous proposons un nouveau méta-modèle de type flux de données répondant à ce besoin. Ce nouveau méta-modèle permet la modélisation d’applications reconfigurables et modulaires tout en préservant la prédictibilité, la concision et la lisibilité des diagrammes de flux de données. / The development of embedded Digital Signal Processing (DSP) applications for Multiprocessor Systems-on-Chips (MPSoCs) is a complex task requiring the consideration of many constraints including real-time requirements, power consumption restrictions, and limited hardware resources. To satisfy these constraints, it is critical to understand the general characteristics of a given application: its behavior and its requirements in terms of MPSoC resources. In particular, the memory requirements of an application strongly impact the quality and performance of an embedded system, as the silicon area occupied by the memory can be as large as 80% of a chip and may be responsible for a major part of its power consumption. Despite the large overhead, limited memory resources remain an important constraint that considerably increases the development time of embedded systems. Dataflow Models of Computation (MoCs) are widely used for the specification, analysis, and optimization of DSP applications. The popularity of dataflow MoCs is due to their great analyzability and their natural expressivity of the parallelism of a DSP application. The abstraction of time in dataflow MoCs is particularly suitable for exploiting the parallelism offered by heterogeneous MPSoCs. In this thesis, we propose a complete method to study the important aspect of memory characteristic of a DSP application modeled with a dataflow graph. The proposed method spans the theoretical, architecture-independent memory characterization to the quasi-optimal static memory allocation of an application on a real shared-memory MPSoC. The proposed method, implemented as part of a rapid prototyping framework, is extensively tested on a set of state-of-the-art applications from the computer-vision, the telecommunication, and the multimedia domains. Then, because the dataflow MoC used in our method is unable to model applications with a dynamic behavior, we introduce a new dataflow meta-model to address the important challenge of managing dynamics in DSP-oriented representations. The new reconfigurable and composable dataflow meta-model strengthens the predictability, the conciseness and the readability of application descriptions.

Ce travail traite de la modélisation de systèmes complexes constitués de plusieurs composants impliquant des domaines techniques différents. Il se place dans le contexte de la modélisation hétérogène hiérarchique, selon l'approche à base de modèles de calcul. Chaque composant faisant appel à un domaine technique particulier, son comportement peut être modélisé selon un paradigme de modélisation approprié, avec une sémantique différente de celle des autres composants. La modélisation du système global, qui intègre les modèles hétérogènes de ces composants, nécessite donc une adaptation sémantique permettant l'échange entre les divers sous-modèles.Ce travail propose une approche de modélisation de l'adaptation sémantique où les sémantiques du temps et du contrôle sont explicitement spécifiées par le concepteur en définissant des relations sur les occurrences d'évènements d'une part et sur les étiquettes temporelles de ces occurrences d'autre part. Cette approche est intégrée dans la plateforme ModHel'X et testée sur un cas d'étude : un modèle de lève-vitre électrique.

Les systèmes électroniques sont de plus en plus complexes et, dans le but de rapprocher le monde numérique et le monde physique, on observe l'émergence de systèmes multidisciplinaires interagissant de plus en plus avec leur environnement proche. Leur conception nécessite la connaissance de multiples disciplines scientifiques tendant à les définir comme systèmes hétérogènes. Le développement des systèmes à venir nécessite un environnement de conception et de simulation commun permettant de gérer la multidisciplinarité de ces composants de nature variés interagissant fortement les uns avec les autres. Nous explorons la possibilité de développer et déployer un environnement de prototypage virtuel unifié pour ces systèmes. Pour surpasser les contraintes liées à leur spécification et dimensionnement, cet environnement doit pouvoir simuler un système hétérogène dans son ensemble, où chaque composant est décrit et résolu en utilisant le MoC le plus approprié. Nous proposons un prototype de simulateur, SystemC MDVP, implémenté comme une extension de SystemC qui suit une approche correcte-par-construction, repose sur une représentation hiérarchique hétérogène et des interactions basées sur des sémantiques maitre-esclave afin de modéliser les systèmes hétérogènes. Des algorithmes génériques permettent l'élaboration, la simulation et le monitoring de tels systèmes. Une méthodologie pour incorporer de nouveaux MoCs est définie puis suivie afin d'ajouter le MoC SPH, qui permet la description de réseaux fluidique, à SystemC MDVP. Nous avons modélisé un système RFID passif en utilisant plusieurs MoCs. Les résultats sont comparés avec des mesures acquises sur un vrai prototype physique. / Current and future microelectronics systems are more and more complex. In a aim to bridge the gap between the cyber world and the physical world we observe the emergence of multi-disciplinary systems that interact more and more with their close surrounding environment. The conception of such systems requires the knowledge of multiple scientific disciplines which tends to define them as heterogeneous systems. Designers of the upcoming digital-centric systems are lacking a common design and simulation environment able to manage all the multi-disciplinary aspects of its components of various nature, which closely interact with each other. We explore the possibilities of developing and deploying a unified SystemC-based design environment for virtual prototyping of heterogeneous systems. To overcome the challenges related to their specification and dimensioning this environment must be able to simulate a heterogeneous system as a whole, for which each component is described and solved using the most appropriate MoC. We propose a simulator prototype called SystemC MDVP which is implemented as an extension of SystemC. It follows a correct-by-construction approach, relies on a hierarchical heterogeneity representation and interaction mechanisms with master-slave semantics in order to model heterogeneous systems. Generic algorithms allow for the elaboration, simulation and monitoring of such systems. A methodology to incorporate new MoCs within SystemC MDVP is defined and followed to add a SPH MoC that enables the description of fluidic network. We modeled a passive RFID reading system using several MoCs. We compare the results with measures acquired on a real physical prototype.

Ce travail traite de la modélisation de systèmes complexes constitués de plusieurs composants impliquant des domaines techniques différents. Il se place dans le contexte de la modélisation hétérogène hiérarchique, selon l’approche à base de modèles de calcul. Chaque composant faisant appel à un domaine technique particulier, son comportement peut être modélisé selon un paradigme de modélisation approprié, avec une sémantique différente de celle des autres composants. La modélisation du système global, qui intègre les modèles hétérogènes de ces composants, nécessite donc une adaptation sémantique permettant l’échange entre les divers sous-modèles.Ce travail propose une approche de modélisation de l’adaptation sémantique où les sémantiques du temps et du contrôle sont explicitement spécifiées par le concepteur en définissant des relations sur les occurrences d’évènements d’une part et sur les étiquettes temporelles de ces occurrences d’autre part. Cette approche est intégrée dans la plateforme ModHel’X et testée sur un cas d’étude : un modèle de lève-vitre électrique. / This work takes place in the context of hierarchical heterogeneous modeling using the model of computation approach in order to model complex systems which includes several components from different technical fields.Each of these components is usually designed according to a modeling paradigm that suits the technical domain and is based on specific semantics. Therefore, the overall system, which integrates the heterogeneous models of the components, requires semantic adaptation to ensure proper communication between its various sub-models.In this context, the aim of this thesis is to propose a new approach of semantic adaptation modeling where the semantic adaptation of time and control is specified by defining relationships between the occurrences of events as well as the time tags of these occurrences. This approach was integrated into the ModHel’X platform and tested on the case study of a power window system.

Les modèles géométriques de calcul permettent d’effectuer des calculs à l’aide de primitives géométriques. Parmi eux, le modèle des machines à signaux se distingue par sa simplicité, ainsi que par sa puissance à réaliser efficacement de nombreux calculs. Nous nous proposons ici d’illustrer et de démontrer cette aptitude, en particulier dans le cas de processus massivement parallèles. Nous montrons d’abord à travers l’étude de fractales que les machines à signaux sont capables d’une utilisation massive et parallèle de l’espace. Une méthode de programmation géométrique modulaire est ensuite proposée pour construire des machines à partir de composants géométriques de base les modules munis de certaines fonctionnalités. Cette méthode est particulièrement adaptée pour la conception de calculs géométriques parallèles. Enfin, l’application de cette méthode et l’utilisation de certaines des structures fractales résultent en une résolution géométrique de problèmes difficiles comme les problèmes de satisfaisabilité booléenne SAT et Q-SAT. Ceux-ci, ainsi que plusieurs de leurs variantes, sont résolus par machines à signaux avec une complexité en temps intrinsèque au modèle, appelée profondeur de collisions, qui est polynomiale, illustrant ainsi l’efficacité et le pouvoir de calcul parallèle des machines a signaux. / Geometrical models of computation allow to compute by using geometrical elementary operations. Among them, the signal machines model distinguishes itself by its simplicity, along with its power to realize efficiently various computations. We propose here an illustration and a study of this ability, especially in the case of massively parallel processes. We show first, through a study of fractals, that signal machines are able to make a massive and parallel use of space. Then, a framework of geometrical modular programmation is proposed for designing machines from basic geometrical components —called modules— supplied with given functionnalities. This method fits particulary with the conception of geometrical parallel computations. Finally, the joint use of this method and of fractal structures provides a geometrical resolution of difficult problems such as the boolean satisfiability problems SAT and Q-SAT. These ones, as well as several variants, are solved by signal machines with a model-specific time complexity, called collisions depth, which is polynomial, illustrating thus the efficiency and the parallel computational abilities of signal machines.

Les modèles géométriques de calcul permettent d'effectuer des calculs à l'aide de primitives géométriques. Parmi eux, le modèle des machines à signaux se distingue par sa simplicité, ainsi que par sa puissance à réaliser efficacement de nombreux calculs. Nous nous proposons ici d'illustrer et de démontrer cette aptitude, en particulier dans le cas de processus massivement parallèles. Nous montrons d'abord à travers l'étude de fractales que les machines à signaux sont capables d'une utilisation massive et parallèle de l'espace. Une méthode de programmation géométrique modulaire est ensuite proposée pour construire des machines à partir de composants géométriques de base -- les modules -- munis de certaines fonctionnalités. Cette méthode est particulièrement adaptée pour la conception de calculs géométriques parallèles. Enfin, l'application de cette méthode et l'utilisation de certaines des structures fractales résultent en une résolution géométrique de problèmes difficiles comme les problèmes de satisfaisabilité booléenne SAT et Q-SAT. Ceux-ci, ainsi que plusieurs de leurs variantes, sont résolus par machines à signaux avec une complexité en temps intrinsèque au modèle, appelée profondeur de collisions, qui est polynomiale, illustrant ainsi l'efficacité et le pouvoir de calcul parallèle des machines à signaux.

Dans le cadre d'une démarche d'Open science, nous nous intéressons aux systèmes de gestion de workflows (WfMS) scientifiques et à leurs applications pour l'analyse de données intensive en bioinformatique. Nous partons de l'hypothèse que les WfMS peuvent évoluer pour devenir des plates-formes pivots capables d'accélérer la mise au point et la diffusion de méthodes d'analyses innovantes. Elles pourraient capter et fédérer autour d'une thématique disciplinaire non seulement le public actuel des consommateurs de services mais aussi celui des producteurs de services. Pour cela, nous considérons que ces environnements doivent à la fois être adaptés aux pratiques des scientifiques concepteurs de méthodes et fournir un gain de productivité durant la conception et le traitement. Ces contraintes nous amènent à étudier la capture rapide des workflows, la simplification de l'intégration des tâches techniques, comme le parallélisme nécessaire au haut-débit, et la personnalisation du déploiement. Tout d'abord, nous avons défini un langage graphique DataFlow expressif, adapté à la capture rapide des workflows. Celui-ci est interprétable par un moteur de workflows basé sur un nouveau modèle de calcul doté de performances élevées, obtenues par l'exploitation des multiples niveaux de parallélisme. Nous présentons ensuite une approche de conception orientée modèle qui facilite la génération du parallélisme de données et la production d'implémentations adaptées à différents contextes d'exécution. Nous décrivons notamment l'intégration d'un métamodèle des composants et des plates-formes, employé pour automatiser la configuration des dépendances des workflows. Enfin, dans le cas du modèle Container as a Service (CaaS), nous avons élaboré une spécification de workflows intrinsèquement diffusable et ré-exécutable. L'adoption de ce type de modèle pourrait déboucher sur une accélération des échanges et de la mise à disposition des chaînes de traitements d'analyse de données. / As part of an Open Science initiative, we are particularly interested in the scientific Workflow Management Systems (WfMS) and their applications for intensive data analysis in bioinformatics. We start from the assumption that WfMS can evolve to become efficient hubs able to speed up the development and the dissemination of innovative analysis methods. These software platforms could rally and unite not only the current stakeholders, who are service consumers, but also the service producers, around a disciplinary theme. We therefore consider that these environments must be both adapted to the practices of the scientists who are method designers and also enhanced with increased productivity during design and treatment. These constraints lead us to study the rapid capture of workflows, the simplification of technical tasks integration, like parallelisation and the deployment customization. First, we define an expressive graphic worfklow language, adapted to the quick capture of workflows. This is interpreted by a workflow engine based on a new model of computation with high performances obtained by the use of multiple levels of parallelism. Then, we present a Model-Driven design approach that facilitates the data parallelism generation and the production of suitable implementations for different execution contexts. We describe in particular the integration of a components and platforms meta-model used to automate the configuration of workflows’ dependencies. Finally, in the case of the cloud model Container as a Service (CaaS), we develop a workflow specification intrinsically re-executable and readily disseminatable. The adoption of this kind of model could lead to an acceleration of exchanges and a better availability of data analysis workflows.

Dans le contexte de l'Ingénierie Dirigée par les Modèles, l'utilisation de multiples paradigmes de modélisation pour développer un système complexe est à la fois inévitable et essentielle. Les modèles qui représentent un tel système sont donc hétérogènes, ce qui rend tout raisonnement global sur le système difficile. L'objectif de la modélisation multi-paradigme est de faciliter l'utilisation conjointe de modèles hétérogènes pendant le cycle de développement. Les travaux exposés dans cette thèse concernent l'étude de l'hétérogénéité des modèles et la conception d'une approche pour la modélisation multi-paradigme des systèmes. Nous caractérisons les causes de l'hétérogénéité des modèles par rapport au cycle de développement puis identifions différents types d'hétérogénéité. En nous basant sur ces causes d'hétérogénéité, nous proposons un cadre d'étude pour le domaine de la modélisation multi-paradigme avec différents axes de recherche. La multidisciplinarité de la modélisation multi-paradigme rend applicables des techniques issues de différents domaines. Nous proposons un état de l'art et une classification des techniques dont nous avons étudié la pertinence par rapport à l'hétérogénéité. La gamme des techniques présentées inclut les transformations de modèles, la composition de méta-modèles, la composition de modèles, l'adaptation de composants, la co-simulation ou encore les méga-modèles. Nous présentons ensuite ModHel'X, l'approche de composition de modèles pour la modélisation multi-paradigme que nous avons développée. Elle s'appuie sur le concept de modèle de calcul et permet : 1. de spécifier la sémantique d'un langage de modélisation de manière exécutable à travers la spécialisation opérationnelle d'une sémantique abstraite pour les modèles de calcul ; 2. de spécifier explicitement les mécanismes de composition à utiliser entre des modèles hétérogènes via une structure de modélisation appelée bloc d'interface ; 3. de simuler le comportement global de modèles hétérogènes par un algorithme générique d'exécution que nous avons défini. Une implémentation de ModHel'X a été réalisée sous la forme d'un framework s'appuyant sur EMF (Eclipse Modeling Framework).