Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation et la simulation d'un microsystème multidisciplinaire composé de dispositifs qui sont conçus dans des domaines différents: électromécanique, électronique analogique et numérique, et électrochimique. <br />L'objectif est de proposer des prototypes virtuels d'un microsystème dit autonome. Ce microsystème permet de générer à partir de vibrations mécaniques, une énergie électrique qui sert à alimenter tout le dispositif, et le rendre électriquement indépendant.<br />Une méthode de modélisation collaborative sous l'environnement MATLAB/Simulink est proposée afin d'étudier le comportement du microsystème. Ceci est réalisé à différents niveaux de détails en se basant sur deux approches de simulations. La première permet de vérifier le comportement du prototype virtuel dans un même environnement et de le valider par simulation globale. La deuxième approche consiste à simuler le système complet en faisant appel à l'interface de cosimulation avec le langage VHDL sous ModelSim. <br />Les résultats de simulation confrontés aux mesures effectuées sur le prototype physique ont montré la fiabilité de la méthode proposée.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation et la simulation d'un microsystème multidisciplinaire composé de dispositifs qui sont conçus dans des domaines différents: électromécanique, électronique analogique et numérique, et électrochimique. L'objectif est de proposer des prototypes virtuels d'un microsystème dit autonome. Ce microsystème permet de générer à partir de vibrations mécaniques, une énergie électrique qui sert à alimenter tout le dispositif, et le rendre électriquement indépendant. Une méthode de modélisation collaborative sous l'environnement MATLAB/Simulink est proposée afin d'étudier le comportement du microsystème. Ceci est réalisé à différents niveaux de détails en se basant sur deux approches de simulations. La première permet de vérifier le comportement du prototype virtuel dans un même environnement et de le valider par simulation globale. La deuxième approche consiste à simuler le système complet en faisant appel à l'interface de cosimulation avec le langage VHDL sous ModelSim. Les résultats de simulation confrontés aux mesures effectuées sur le prototype physique ont montré la fiabilité de la méthode proposée.

Les systèmes HPC ("High-Performance Computing") sont des systèmes conçus avec des centaines de milliers de nœuds de calcul interconnectés entre eux par un réseau de communication de haute performance, lui-même assemblé suivant une variété de topologie par des nœuds de routage. La conception du réseau d'interconnexion d'un système HPC revêt une importance capitale dans la performance finale du système. La complexité de cette conception requiert la mise en œuvre d'un environnement de prototypage virtuel afin de pouvoir analyser et valider les hypothèses et options micro et macro-architecturales dès les premières étapes de la conception. Les travaux de cette thèse sont dédiés au développement d'une plate-forme de prototypage virtuel nommée CoSIN ("Composition and Simulation of Interconnected Network") pour assister les architectes de la société Bull S.A.S. dans leur conception des systèmes HPC. Ces travaux répondent au défi de modélisation et de simulation de réseaux de très grand taille (de 10^4 à 10^5 nœuds) et ce en des temps acceptables. Pour ce faire, l'environnement de programmation SystemC a été mis en parallèle afin de fournir une puissance de calcul et une capacité de mémoire distribuées. En plus de l'aspect conceptuel, a thèse se veut aussi pragmatique en produisant comme résultat, un outil déjà applicable à des projets de conception industriels / High-Performance Computing (HPC) systems are distributed systems made of hundreds of thousands of processing nodes communicating through large packet-switched interconnection networks with a variety of topologies. The design of those interconnection networks impacts the overall performance of the HPC systems. Due to increasing system complexity, virtual prototyping is becoming necessary at earlier stages of the design to assist in the analysis and validation of micro and macro-architectural hypotheses and options. This thesis is dedicated to the development of such a virtual prototyping framework named CoSIN ("Composition and Simulation of Interconnected Network") with the purpose of providing support to the architectural design of HPC systems at Bull S.A.S. Technical challenges of the work are in the modelling and simulation of large interconnection networks (from 10^4 to 10^5 nodes) within acceptable times. Distribution of SystemC has been necessary to support this objective. In addition to the conceptual aspect, the thesis is also pragmatic by producing as results, a tool already applicable to industrial design projects

La problématique de la qualité sonore à l'intérieur de l'habitacle est importante dans le domaine de l'automobile, particulièrement dans le cas des véhicules haut de gamme. La réduction du bruit des motorisations thermiques et l'émergence de solutions hybrides ou électriques ont transformé la perception du bruit par l'utilisateur. La contribution acoustique des équipements tels que le module de ventilation est devenue prépondérante et doit donc être étudiée dès la phase de conception. Afin de traiter la problématique acoustique et de fournir un outil de prototypage virtuel, ce travail a été mené dans le cadre du projet Cevas (Conception d'Equipement de Ventilation à Air Silencieux). Une approche de synthèse acoustique permet d'identifier les composants responsables du bruit produit et transmis. Leurs caractéristiques actives, traduites par un terme de source, et passives, traduites par un terme de perte par transmission, sont étudiées et représentées par des spectres en bandes fines. Cette définition permet la synthèse sonore du bruit produit et l'étude de la qualité sonore à l'aide de lois d'acceptation. Le ventilateur est la source principale d'un module de ventilation. Son terme de source est prédit par une loi originale, basée sur des données expérimentales et inspirée de la loi ASHRAE. Le terme de source du volet est caractérisé à l'aide de la méthode empirique de Nelson et Morphey. Le terme de source de l'échangeur thermique est déterminé à partir de mesures. Les termes de perte par transmission du volet et de l'échangeur thermique sont obtenus à l'aide de la matrice de diffusion expérimentale. L'environnement du milieu de propagation acoustique a une influence sur le bruit produit. La transposition des termes de source d’un environnement d'essai normalisé à un environnement représentatif des modules de ventilation a donc été étudiée. La méthode développée repose sur la modélisation du terme de source par une force volumique dont l'amplitude et la localisation sont indépendantes du milieu. Le développement de cette méthode a nécessité des modèles analytiques et numériques. L'application de la méthode pour un ventilateur placé dans un module de ventilation simplifié est confrontée à des essais. Un outil de prototypage virtuel est présenté pour un module de ventilation simplifié. La prédiction du bruit produit est confrontée à des mesures de puissance acoustique. L'usage de l'outil de prototypage permet d'étudier la contribution de chaque composant en considérant différents cas de ventilation. / The sound quality problem inside the car cabin is important in the automotive field, especially in the case of upmarket vehicles. The reductions of the noise produced by internal combustion engines and the emergence of hybrid and electric solutions have transformed the perception of sound by the user. The acoustic contribution of equipment such as the HVAC has become paramount and must be studied from the design stage. In order to treat acoustic problems and provide virtual prototyping tools, t his thesis was conducted within the framework of the Cevas project (Conception d'Equipement de Ventilation à Air Silencieux) to study and characterize the components of an automotive HVAC. An acoustic synthesis approach is used to identify the components responsible for the noise generated and transmitted. Their active and passive properties, translated by a source term and a transmission loss, have been studied and represented by thin strips spectra. This definition allows sound synthesis of the noise produced and the study of sound quality using acceptance laws. The source term of the fan is predicted by an original law, based on experimental data and inspired by ASHRAE law. The source term of the flap is characterized by using the Nelson and Morphey empirical method. The source term of the heat exchanger is determined from measurements. The transmission losses of the flap and the heat exchanger are obtained using the scattering matrix. The transposition of the source terms from a standardized test environment to an acoustic medium representative of the HVAC has been studied. The developed method is based on modeling t he source term by acoustic excitation whose amplitude and location are independent of the environment. The application of this method has required analytical and numerical models to characterize the acoustic excitation. In the case of the fan, its propagation in a simplified HVAC is studied. A virtual prototyping tool has been implemented in the case of the simplified HVAC. The noise prediction is confronted with sound power measurements. The use of the prototyping tool allows studying the contribution of each component considering various cases of ventilation.

Avec la miniaturisation de plus en plus poussée des composants sur silicium, certains phénomènes, connus sous le nom des problèmes de la Compatibilité Électromagnétique peuvent surgir, ils sont les principales causes de la reconception des systèmes intégrés. Ce travail de thèse consiste à développer une méthodologie d'analyse prédictive de la compatibilité électromagnétique pour les systèmes électroniques, par anticipation design. Afin d'aboutir à ce modèle prédictif, différents champs d'investigation ont été mise en place afin d'appréhender l'ensemble du problème. Premièrement, nous avons développé une méthode de prédiction des parasites du boîtier électronique appelée « MCTL Matrix Method ». Cette méthode est issue du principe du prototypage virtuel du boîtier et elle est basée sur des lignes de transmission multiconducteurs. Deuxièmement, nous avons proposé une méthodologie d'analyse de l'immunité du système complet dès les premières phases de la conception. / Modern electronic systems require a high-level of integrations. As a result, some phenomena which are known as ElectroMagnetic Compatibility (EMC) issues are arising, and they are the major causes of system redesign. This main objective of this work is to develop a predictive methodology for systems immunity. To do so, different fields have been investigated: first, we have developed a predictive method for package parasites called “MCTL Matrix Method” which is based on a virtual package prototyping and Multiconductor transmission lines. Then we have proposed a new methodology for system immunity at the earliest design stages.

Depuis quelques années, les systèmes embarqués n’ont pas cessé d’évoluer. Cette évolution a conduit à des circuits de plus en plus complexes pouvant comporter plusieurs centaines de processeurs sur une même puce.Si la progression des techniques de fabrication des systèmes intégrés, a permis l’amélioration des performances de ces derniers en terme de temps et de capacité de traitement, elle a malheureusement amené une nouvelle contrainte de conception. En effet, cette nouvelle génération de systèmes consomme plus d’énergie et nécessite donc la prise en compte, pendant la phase de conception, des caractéristiques énergétiques dans le but de trouver le meilleur compromis (performance / énergie). Des études montrent qu’une estimation précoce de la consommation – i.e. au niveau comportemental – permet une meilleure diminution de l’énergie consommée par le système.L’outil EDPE (Early Design Power Estimation), objet de cette thèse, propose en réponse à ce besoin, une procédure permettant la caractérisation énergétique précoce d’une architecture de type MPSoC (MultiProcessor System on Chip) dans la phase de prototypage virtuel en System C. EDEP s’appuie sur des modèles de consommation par composant pour en déduire l’énergie dissipée par le système global lorsque le système est simulé au niveau CABA(Cycle Accurate Byte Accurate) ou encore TLM (Transaction Level Model). Les modèles proposés par EDPE, ont été intégrés dans la bibliothèque de prototypage virtuel SoClib. Ainsi, pendant la phase d’exploration architecturale, le concepteur dispose en plus des caractéristiques temporelles et spatiales de son circuit, d’une estimation précise de sa consommation énergétique.L’élaboration de modèles de consommation pour les différents composants matériels d’un système, à l’aide d’EDPE, est simple, homogène et facilement généralisable.Les résultats obtenus montrent la capacité d’EDPE à prédire la consommation énergétique de différentes applications logicielles déployées sur une même architecture matérielle de manière précise et rapide. / Technological trends towards high-level integration combined with the increasing operating frequencies, made embedded systems design become more and more complex.The increase in number of computing resources in integrated circuit (IC) led toover-constrained systems.In fact, SoC (System on Chip) designers must reduce overall system costs, including board space, power consumption and development time.Although many researches have developed methodologies to deal with the emerging requirements of IC design, few of these focused on the power consumption constraint.While the highest accuracy is achieved at the lowest level, estimation time increases significantly when we move down to lower levels.Early power estimation is interesting since it allows to widely explore the architectural design space during the system level partitioning and to early adjust architectural design choices.EDPE estimates power consumption at the system levels and especially CABA (Cycle Accurate Bit Accurate) and TLM (Transaction Level Modelling) levels.The EDPE have been integrated into SoCLib library.The main goal of EDPE (Early Design Power Estimation) is to compare the power consumption of different design partitioning alternatives and chooses the best trade-off power/ performance.Experimental results show that EDPE (Early Design Power Estimation) method provides fast, yet accurate, early power estimation for MPSoCs (MultiprocessorSystem on Chip).EDPE uses few parameters per hardware components and is based on homogeneous and easy characterization method.EDPE is easily generalized to any virtual prototyping library.

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.

Afin de contribuer à étendre le champ d'applications des microsystèmes à des nouvelles applications à haute valeur ajoutée mais faible série, il apparait nécessaire d'estimer et d'analyser la fiabilité d'un microsystème en prenant en compte les conditions d'utilisation. C'est pour répondre à cette problématique que les travaux de cette thèse ont été réalisés en vue de mettre en place une méthodologie d'étude de la fiabilité des microsystèmes par le biais de la modélisation. En effet, en réalisant un prototype virtuel complet d'un microsystème, on peut non seulement prédire son comportement dans n'importe quelles conditions environnementales d'utilisation mais aussi l'optimiser avant de lancer sa fabrication. Pour démontrer la faisabilité de cette méthode, les travaux ont été menés sur les actionneurs électrothermiques. Pour cela, nous avons (1) mis en place un modèle analytique du comportement idéal de la structure en utilisant la méthode des éléments finis mais surtout le langage VHDL-AMS, (2) fabriqué et caractérisé des véhicules de tests pour valider ce modèle, (3) réalisé des tests de vieillissement pour mettre en évidence les mécanismes de défaillance et enfin (4) avons mis en place des modèles empiriques de ce vieillissement pour compléter la description analytique.

Cette thèse présente l'approche multi-compartiment, qui autorise un co-hébergement sécurisé et flexible de plusieurs piles logicielles autonomes au sein d'un même système multiprocesseur intégré sur puce. Dans le marché des appareils orientés multimédia, ces piles logicielles autonomes représentent généralement les intérêts des différentes parties prenantes. Ces parties prenantes sont multiples (fabricants, fournisseurs d'accès, fournisseurs de contenu, utilisateurs, etc.) et ne se font pas forcément confiance entre elles, d'où la nécessité de trouver une manière de les exécuter ensemble mais avec une certaine garantie d'isolation. Les puces multimédia étant matériellement fortement hétérogènes -- peu de processeurs généralistes sont assistés par une multitude de processeurs ou coprocesseurs spécialisés -- et à mémoire partagée, il est difficile voire impossible de résoudre cette problématique uniquement avec les récentes techniques de co-hébergement (virtualisation). L'approche multi-compartiment consiste en un nouveau modèle de confiance, plus flexible et générique que l'existant, qui permet à des piles logicielles variées de s'exécuter simultanément et de façon sécurisée sur des plateformes matérielles hétérogènes. Le cœur de l'approche est notamment composé d'un mécanisme global de protection, responsable du partage sécurisé de l'unique espace d'adressage et logiquement placé dans le réseau d'interconnexion afin de garantir le meilleur contrôle. Cette approche présente également des solutions pour le partage des périphériques, notamment des périphériques ayant une capacité DMA, entre ces piles logicielles. Enfin, l'approche propose des solutions pour le problème de redirection des interruptions matérielles, un aspect collatéral au partage des périphériques. Les principaux composants des solutions matérielles et logicielles proposées sont mis en œuvre lors de la conception d'une plateforme d'expérimentation, sous la forme d'un prototype virtuel. Outre la validation de l'approche, cette plateforme permet d'en mesurer le coût, en termes de performance et de surface de silicium. Concernant ces deux aspects, les résultats obtenus montrent que le coût est négligeable.

Ce travail de thèse propose un transfert de méthodes industrielles et de recherche que sont le prototypage virtuel et la caractérisation mécanique des structures vers l'artisanat d'art : la fabrication des instruments de musique à cordes, plus particulièrement la guitare et le violon.Ce domaine, historiquement éminemment empirique, est étudié ici avec des critères objectifs. Le travail porte principalement sur le comportementmécanique vibratoire de ces instruments de musique. Le comportement mécanique du matériau utilisé (bois de lutherie) est tout d'abord étudié, et une méthode non-destructive proposée et appliquée à l'épicéa et à l'érable. La fiabilité des modèles numériques et ensuite étudiée par des méthodes de vérification et de validation de modèle, habituellement utilisées dans les domaines industriels et de recherche Les modèles développés sont ensuite utilisés en support à l'étude de phénomènes complexes de l'acoustique musicale appliquée au violon et à la guitare. Pour finir, l'utilisation de ces méthodes numériques pour une application concrète en facture instrumentale (prise de décision en milieu incertain, innovation de la géométrie et des matériaux) est proposée. / This work proposes a methodology for the transfer of industrial and research domain methods toward arts and crafts domain. The virtual prototyping and mechanical characterization of materials are used for the stringed musical instruments making domain. The works is adressed to the guitar and violin making. This domain is historically driven by empricism and it is studied here using objective criteria. The main topic is the mechanical vibratory behaviour of musical instruments. Firstly, the mechanical behaviour of the material used (tonewood) is studied. A non-destructive methodology is proposed and applied on spruce and maple species. The reliability of the numerical models is studied by method usually used in industry and research, the verification and validation process. The models developed are used as a support for the study of complex phenomena in musical acoustics. Finally, the utilization of numerical method for a practical application in instrument making (decision support under uncertainties, geometric and material optimization) is proposed. The methodology for a transfer to art and crafts domain is discussed.