Ce manuscrit présente les résultats d’une analyse exhaustive des mécanismes physiques qui limitent les performances et la fiabilité des transistors à haute mobilité d’électrons (HEMT) sur nitrure de gallium (GaN). En particulier : • Les phénomènes de dégradation à fort champ électrique des HEMT sur GaN sont analysés en comparant les données expérimentales avec les résultats de simulations physiques. Des stresses DC de 150 heures ont été effectués en conditions de canal ouvert et de pincement. Les effets des dégradations qui ont caractérisé ces deux types de stresses sont les suivants: une chute de courant DC de drain, une amplification des effets de gate-lag, et une diminution du courant inverse de grille. Les simulations physiques indiquent que la génération simultanée de piéges de surface (et/ou barrière) et de volume peut expliquer tous les modes de dégradation décrits plus haut. Les mesures expérimentales ont également montré que le stress en canal ouvert a causé une chute de la transconductance seulement pour de fortes valeurs de la tension VGS, alors que le stress au pincement a provoqué une chute de transconductance uniforme pour toutes les valeurs de VGS. Ce comportement peut être reproduit par la simulation physique pourvu que, dans le cas de stress a canal ouvert, on considère que les piéges s’accumulent au long d’une vaste région qui s’étend latéralement du bord de la grille vers le contact de drain, tandis que, dans le cas du stress au pincement, on considère que la génération des pièges ait lieu dans une portion plus petite de la zone d’accès à proximité de la grille et qu’elle soit accompagnée par une grande dégradation des paramètres de transport du canal. Enfin on propose que les électrons chauds et l’augmentation de la contrainte par le champ électrique soient à l’origine des dégradations observées après les stresses a canal ouvert et au pincement respectivement. • Les piéges dans les HEMT sur GaN ont été caractérisés en utilisant les techniques de DLTS et leur comportement associé de charge/décharge est interprété à l’aide des simulations physiques. Sous certaines conditions de polarisation, les piéges du buffer peuvent produire de faux signaux de piéges de surface, c'est-à-dire, le même type de signaux I-DLTS et ICTS attribués généralement aux piéges de surface. Clarifier cet aspect est très important à la fois pour les tests de fiabilité et pour l’optimisation des dispositifs, car il peut provoquer une identification erronée du mécanisme de dégradation, et par conséquent induire une mauvaise correction des procédés technologiques. • Les mécanismes physiques qui provoquent l’effondrement du courant RF dans les HEMT sur GaN sont analysés par le biais de mesures expérimentales et de simulations physiques. Ce travail propose les conditions suivantes : i) les piéges du buffer aussi bien que ceux de surface peuvent contribuer à l’effondrement du courant RF à travers un mécanisme identique qui impliquerait la capture et l’émission des électrons provenant de la grille; ii) la passivation de la surface diminue considérablement l’effondrement du courant RF par la réduction du champ électrique en surface et la diminution qui en découle de l’injection d’ électrons de la grille vers les pièges ; iii) pour des densités de piéges de surface inférieures à 9 × 1012 cm-2 , des barrières de potentiel superficiels dans l’ordre de 1-2 eV peuvent coexister avec des piéges de surface ayant des énergies plus faibles et qui causent l’effondrement du courant RF caractérisé par des constantes de temps relativement courtes. • Les effets de l’effondrement du courant dans les HEMT sur GaN sont étudiés en utilisant les résultats de mesures expérimentales et de simulations physiques. D’après les mesures pulsées, les dispositifs employés montrent un gate-lag considérable et un drain-lag négligeable qui peuvent être attribués à la présence de piéges de surface et de buffer respectivement. / This thesis reports the results of an extensive analysis of the physical mechanisms that limit the performance and reliability of gallium nitride (GaN) based High Electron Mobility Transistors (HEMT). In particular: • High electric field degradation phenomena are investigated in GaN-capped AlGaN/GaN HEMTs by comparing experimental data with numerical device simulations. Under power- and OFF-state conditions, 150-h DC stresses were carried out. Degradation effects characterizing both stress experiments were as follows: a drop in the dc drain current, the amplification of gate-lag effects, and a decrease in the reverse gate leakage current. Numerical simulations indicate that the simultaneous generation of surface (and/or barrier) and buffer traps can account for all of the aforementioned degradation modes. Experiments also showed that the power-state stress induced a drop in the transconductance at high gate–source voltages only, whereas the OFF-state stress led to a uniform transconductance drop over the entire gate-source-voltage range. This behavior can be reproduced by simulations provided that, under the power-state stress, traps are assumed to accumulate over a wide region extending laterally from the gate edge toward the drain contact, whereas, under the OFF-state stress, trap generation is supposed to take place in a narrower portion of the drain-access region close to the gate edge and to be accompanied by a significant degradation of the channel transport parameters. Channel hot electrons and electric-field-induced strain-enhancement are finally suggested to play major roles in power-state and off-state degradation, respectively. • Traps are characterized in AlGaN-GaN HEMTs by means of DLTS techniques and the associated charge/discharge behavior is interpreted with the aid of numerical device simulations. Under specific bias conditions, buffer traps can produce ‘‘false’’ surface-trap signals, i.e. the same type of current-mode DLTS (I DLTS) or gate-lag signals that are generally attributed to surface traps. Clarifying this aspect is important for both reliability testing and device optimization, as it can lead to erroneous identification of the degradation mechanism, thus resulting in wrong correction actions on the technological process. • The physical mechanisms underlying RF current collapse effects in AlGaN-GaN high electron mobility transistors are studied by means of measurements and numerical device simulations. This work suggests the following conclusions: i) both surface and buffer traps can contribute to RF current collapse through a similar physical mechanism involving capture and emission of electrons tunneling from the gate; ii) surface passivation strongly mitigates RF current collapse by reducing the surface electric field and inhibiting electron injection into traps; iii) for surface-trap densities lower than 9 × 1012 cm-2, surface-potential barriers in the 1–2 eV range can coexist with surface traps having much a shallower energy and, therefore, inducing RF current-collapse effects characterized by relatively short time constants. • Current collapse effects are investigated in AlGaN/GaN HEMTs by means of measurements and numerical device simulations. According to pulsed measurements, the adopted devices exhibit a significant gate-lag and a negligible drain-lag ascribed to the presence of surface and buffer traps, respectively. Furthermore, illumination of the devices with two specific wavelengths can result in either a recovering of current collapse or a decrease in the gate current. On the other hand, numerical device simulations suggest that the kink effect can be explained by electron trapping into barrier traps and the subsequent electron emission after a critical electric-field value is reached. / Questa tesi riporta i risultati ottenuti da un’ampia analisi dei meccanismi fisici che limitano le prestazioni e l’affidabilità dei transistor ad alta mobilità di elettroni (HEMT) al nitruro di gallio (GaN). In particolare: • I fenomeni di degradazione ad alto campo elettrico nei GaN/AlGaN/GaN HEMT sono analizzati confrontando i dati sperimentali con i risultati delle simulazioni numeriche. Sono stati effettuati stress DC di 150 ore in condizioni di canale aperto e chiuso. Gli effetti di degradazione che hanno caratterizzato entrambi i tipi di stress sono i seguenti: una caduta nella corrente DC di drain, un’amplificazione degli effetti di gate lag, e una diminuzione della corrente inversa di gate. Le simulazioni numeriche indicano che la generazione simultanea di trappole in superficie (e/o barriera) e buffer può spiegare tutti i suddetti modi di degradazione. Le misure sperimentali hanno mostrato inoltre che lo stress a canale aperto ha causato una caduta della tranconduttanza solo ad alte tensioni VGS, mentre lo stress a canale chiuso ha provocato una caduta della transconduttanza uniforme a tutte le tensioni VGS. Questo comportamento può essere riprodotto con le simulazioni se, nel caso di stress a canale aperto, si assume che le trappole si accumulano lungo un’ampia regione che si estende lateralmente dal bordo di gate verso il contatto di drain, mentre, nel caso di stress a canale chiuso, si suppone che la generazione delle trappole abbia luogo in una più stretta porzione della zona di accesso vicino al bordo di gate e che sia accompagnata da una degradazione significativa dei parametri di trasporto del canale. Infine si propone che gli elettroni caldi del canale e l’aumento di strain indotto dal campo elettrico siano alla base delle degradazioni osservate dopo gli stress a canale aperto e chiuso rispettivamente. • Le trappole in AlGaN-GaN HEMTs sono caratterizzate usando le tecniche di DLTS e il relativo comportamento di carica/scarica é interpretato con l’aiuto delle simulazioni numeriche. Sotto particolari condizioni di polarizzazione, le trappole di buffer possono produrre falsi segnali da trappole di superficie, ossia lo stesso tipo di segnali I-DLTS e forma d’onda di gate lag attribuiti generalmente alle trappole di superficie. Chiarire questo aspetto è molto importante sia per le prove di affidabilità che per l’ottimizzazione dei dispositivi, in quanto può provocare una errata identificazione del meccanismo di degradazione, portando ad azioni correttive sbagliate nell’ottimizzazione del processo tecnologico. • I meccanismi fisici che originano il collasso di corrente RF negli HEMT AlGaN-GaN sono analizzati usando misure sperimentali e simulazioni numeriche. Questo lavoro suggerisce le seguenti condizioni: i) sia le trappole di superficie che quelle di buffer possono contribuire al collasso di corrente RF tramite un simile meccanismo fisico che coinvolge la cattura e l’emissione di elettroni provenienti dal gate; ii) la passivazione della superficie diminuisce fortemente il collasso della corrente RF tramite la riduzione del campo elettrico in superficie e la conseguente diminuzione dell’iniezione di elettroni dal gate alle trappole; iii) per densità di trappole di superficie minori di 9 × 1012 cm-2 , barriere di potenziale superficiale di 1-2 eV possono coesistere con trappole di superficie aventi energie relativamente basse e che provocano effetti di collasso di corrente RF caratterizzati da costanti di tempo relativamente corte. • Gli effetti di collasso di corrente negli HEMT AlGaN-GaN sono studiati usando i risultati delle misure sperimentali e delle simulazioni numeriche. Basandosi sulle misure delle caratteristiche d’uscita impulsate, i dispositivi utilizzati mostrano un evidente gate-lag e un trascurabile drain-lag, attribuiti alla presenza di trappole di superficie e buffer rispettivamente.

La détection de collision est une tâche essentielle pour la simulation physique d’environnements virtuels. De nos jours, la détection de collision est l’un des goulets d’étranglement calculatoire dans les applications de réalité virtuelle dû à la complexité des environnements que l’on souhaite simuler et par la contrainte d’interaction en temps-réel. Nous avons concentré nos travaux sur la seconde étape de la détection de collision (narrow-phase) dans laquelle les tests de collisions sont effectués sur des paires d’objets. Contrairement à la première étape, les tests de collisions sont effectués sur des versions détaillées des modèles géométriques et sont donc très sensible au niveau calculatoire à la complexité géométrique de ceux-ci.Cette thèse vise à améliorer les performances de la détection de collision lors de l’utilisation d’objets géométriques complexes (formes représentées par un maillage, éventuellement non-convexe et/ou déformable). Nos méthodes permettent d’accélérer le calcul de la narrow-phase. Les algorithmes proposés peuvent être implémentés sur GPU pour profiter de leur puissance de calcul et ainsi améliorer les performances.Pour réaliser la narrow-phase, nous proposons un pipeline adapté à une implémentation GPU. Celui-ci permet de réaliser la narrow-phase à l’aide d’algorithmes basés lancer de rayon. Notre méthode repose sur un principe commun où tous les tests de collision sont effectués par lancer de rayon à partir des sommets des objets. Cette généricité nous permet de réaliser les tests sur des maillages ayant n’importe quelles propriétés (rigide ou déformable, convexe ou non-convexe). Les algorithmes de lancer de rayon utilisés étant choisis en fonction des propriétés des objets pour optimiser les performances.Nous avons généralisé la méthode de détection de collision utilisée pour supporter, en plus des objets volumiques, des objets surfaciques (tels que des tissus). Cette méthode est compatible avec le pipeline proposé et permet de réaliser des tests de collisions entre n’importe quelle combinaison d’objets.De plus, nous proposons d’exploiter la cohérence temporelle pour améliorer les performances. Le résultat de la détection de collision est généralement très semblable entre deux pas de temps successifs. Suite à cette observation, nous proposons un algorithme de lancer de rayon itératif qui intègre le résultat du pas précédent pour exploiter cette cohérence temporelle. Cet algorithme peut être utilisé conjointement avec des algorithmes de lancer de rayon standard. Il permet de remplacer certains tests unitaires pour mettre à jour de manière incrémentale le résultat de la détection de collision. L’algorithme de lancer de rayon itératif est ajouté au pipeline en tant qu’alternative aux autres algorithmes de lancer de rayon et est utilisé prioritairement dû à son faible coût calculatoire. / Collision detection is an essential task for physical simulation of virtual environments. Nowadays, collision detection is one of the main bottleneck of virtual reality applications. This is due to the complexity of the environments we want to simulate and the real-time interaction constraint. We have concentrated our work on the second phase of collision detection, the narrow-phase, in which collision queries are performed on pairs of objects. Contrary to the first phase of collision detection, collision queries are performed on the full representation of the objects (with all details) and are thus sensible to the geometric complexity of the objects in term of computation time.This thesis is aimed to improve the performances of collision detection when using geometrically complex objects (represented with triangle meshes, potentially non-convex and deformable). Our methods are able to reduce computation times. Our proposed algorithms can be implemented on GPU to take advantage of their computational power and thus further improve the performances of our methods.To implements our narrow-phase, we propose a pipeline which is adapted for GPU execution. This pipeline perform collision detection with ray-tracing algorithms. Our methods rely on a shared principle where all collision queries are performed by casting rays from the vertices of the objects. This genericity allow us to perform collision detection on triangle meshes with any properties (rigid or deformable, convex or non-convex). The ray-tracing algorithms used are dynamically selected depending on the properties of the objects to improve the performances.We have generalized the collision detection method we use in our pipeline to handle, in addition to volumetric objects (represented by their surface), surface objects (such as cloth). This method is compatible with our pipeline and allow us to perform collision detection with any combination of volumetric and surface objects.Furthermore, we propose to exploit temporal coherency to improve performances. The result of collision queries (contact points) are generally similar between successive time-step. Starting from this observation, we propose a ray-racing algorithm which use the result of the previous time-step to exploit this temporal coherency. This ray-tracing algorithm can be used in conjunction to standard ray-tracing algorithms. It is used to replace standard ray-tracing algorithms in specific condition to update the result of the previous time-step instead of computing it from scratch. The iterative ray-tracing algorithm is added in our pipeline as an alternative to other ray-tracing algorithms and is used in priority due to his lower computational cost compared to other algorithms.

Le développement des systèmes de télécommunication et de transfert d’informations motive la mise au point de systèmes de transmission qui permettent des débits plus élevés sur des distances plus grandes. De ce fait, les transistors utilisés dans ces systèmes doivent fonctionner à des fréquences et des puissances plus élevées. Différents transistors sont apparus pour répondre au mieux aux contraintes des applications visées par ces systèmes. Les transistors à haute mobilité électronique, HEMT, en nitrure de gallium (GaN) répondent actuellement aux applications allant de 1GHz à 30GHz. Pour ces applications, les HEMT GaN concurrencent avantageusement les technologies bipolaires et BiCMOS basées sur SiGe, les LDMOS Si et SiC, ainsi que les PHEMT GaAs. Même si la filière technologique GaN est encore récente, les HEMT GaN semblent prometteurs. A l’image des autres technologies III-V (InP, GaAs), les procédés de fabrication utilisés pour les HEMT AlGaN/GaN sont complexes et entraînent la formation de nombreux défauts cristallins. Des effets parasites de fonctionnement sont induits par des mécanismes physiques qui pénalisent le transport des porteurs dans la structure. De ce fait, à l’heure actuelle, ces effets parasites ont une influence négative sur les performances de ce transistor. Ils sont principalement liés aux pièges à électrons induits par des impuretés présentes dans le matériau ou des défauts cristallins. Malgré cela, les performances sont très prometteuses et rivalisent déjà avec d’autres technologies hyperfréquences (InP, GaAs, SiC et Si) puisque les HEMTs AlGaN/GaN débitent des puissances de 4W/mm à 30GHz [ITRS08]. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude des phénomènes parasites dans les HEMTs AlGaN/GaN. Les composants étudiés dans ce travail proviennent du programme blanc ANR CARDYNAL et ont été fabriqués par III-V Lab Alcatel-Thales. Une méthodologie a été développer afin de permettre la simulation TCAD d’un HEMT GaN dans l’objectif de valider ou d’invalider les origines des mécanismes de dégradation ainsi que des effets parasites. Le courant de grille a été spécialement étudié et un modèle analytique permettant de le décrire en fonction de la température a été développé. Les mécanismes de transport à travers la grille ont aussi été étudiés par simulation TCAD afin de les localiser géographiquement dans la structure du transistor. / III-V nitrides have attracted intense interest recently for applications in high-temperature, high-power electronic devices operating at microwave frequencies. Great progress has been made in recent years to improve the characteristics of nitride High Electron Mobility Transistors (HEMTs). However, it's necessary to study the mecanisms involved in the electron transport as the mechanic strain on the AlGaN layer, the fixed charge distribution and leakage currents. In this goal, from DC I-V measurements, pulsed I-V measurements and DCTS measurements, TCAD simulation are used to validate the assumption on the origin of the parasitic mechanisms on the electron transport. I-V measurement in temperature (from 100K to 200K) are used to identify the nature of mechanisms (Poole-Frenkel, band-to-band tunneling, thermionic,..). With this method, an accurate study of the gate current was done. To choose the different physical phenomena and which model to implement in the TCAD simulations, an analytical model was developed with a compraison with measurements. These mechanisms are validated by TCAD simulation. The comparaison between I-V measurements and simulation permit to localize (in the transistor) these parasitic mechanisms. In conclusion of this work, a high density of traps in a thin layer under the gate increase the probability of tunnelling current through the gate. When the gate bias increases, the high density of traps in AlGaN layer is using by electrons to leak by the gate. When the gate bias increases, the valence band in AlGaN layer is aligned with the conduction band in the channel. The very thin thickness of this layer (about 25nm) makes possible a band-to-band tunneling.

La médecine a été une grande motivation dans la recherche en informatique, et nous pensons que la simulation de procédures médicales sera un élément majeur de la médecine du 21e siècle. Pour ces applications, la simulation physique doit être interactive et proposer un comportement et un rendu visuel des objets simulés qui soient réalistes tout en faisant avec un temps de calcul limité. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la simulation du geste chirurgical de la suture, faisant interagir des modèles hétérogènes (rigides, déformables 1D et 3D) dans la reproduction d'un geste complexe. Nous proposons de modéliser ces interactions par des contraintes de complémentarité, avec une méthode générique et une résolution indépendante des types de contraintes utilisées. Cette approche a permis la mise au point de contraintes spécifiques pour créer des modèles d'interaction nouveaux. Ces contraintes ont permis une simulation complète de l'insertion d'aiguille, validée par les mesures expérimentales des travaux antérieurs, qui suit les lois physiques et s'adapte à la manipulation de l'utilisateur. Enfin, une simulation interactive très réaliste a été réalisée pour l'entraînement au geste de suture dans le cadre d'opérations laparoscopiques.

La miniaturisation croissante des composants électroniques accroît considérablement la sensibilité des circuits intégrés face aux fautes transitoires de type (SEU) ou (SET). De ce fait, l'analyse de la sensibilité face aux ces fautes transitoires des circuits combinatoires et séquentiels est une tâche essentielle aujourd'hui. Les méthodes analytiques de calcul probabiliste de génération des impulsions SET ou des SEU et de propagation et transformation en erreur, publiées dans la littérateur jusqu'à ce jour, ne sont pas complets car un certain nombre de paramètres ne sont pas pris en compte. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie de simulation de fautes transitoires multi-niveaux qui permettra une évaluation plus rapide et en même temps précise. Cette méthodologie est en fait une collection des méthodes de simulations, une pour chaque niveau d'abstraction (niveau physique, niveau transistor, et niveau portes logiques). Au niveau physique, nous utilisons la simulation physique au niveau composants ou portes logiques élémentaires qui consiste en la caractérisation de chaque type de transistor d'une technologie donnée face aux SET en prenant en compte plusieurs paramètre (l'énergie ou le LET de la particule, l'angle d'incidence et la localisation de l'impact sur le composant, et les dimensions des transistors heurté par la particule). Suite à cette caractérisation, une famille de courbes de courants sera obtenue pour chaque transistor et un domaine de valeurs de l'amplitude et la durée de l'impulsion de courant sera établi. La transformation des impulsions de courants obtenus au niveau physique en impulsions de tension est réalisée à travers des simulations électriques en prenant en compte l'impédance de sortie de chaque porte. Une famille de courbes de tension transitoire sera aussi établie pour chaque porte. Un modèle d'impulsion logique sera défini pour ces impulsions qui sera ensuite utilisé dans des simulations numériques, qui sont beaucoup plus rapides, et qui sont utilisées finalement afin de pouvoir analyser la sensibilité face aux fautes transitoires de type SET et SEU d'un circuit complexe. Les résultats de cette analyse seront utilisés afin de réaliser une cartographie de sensibilité d'un circuit complexe qui nous permet de déterminer les zones les plus sensibles d'un circuit étudié et éventuellement de décider d'un durcissement ponctuel des portes sensibles.

La simulation physique interactive est une composante clé pour les environnements virtuels. Toutefois, la quantité de calcul ainsi que la complexité du code augmente rapidement avec la variété, le nombre et la taille des objets simulés. Au cours de cette thèse nous avons étudié les différents moyens d'améliorer l'interactivité, et en même temps de minimiser l'impact sur le code de simulation. En premier lieu nous avons développé une nouvelle approche de détection de collisions pour les objets déformables qui est rapide et plus robuste que les approches traditionnelles de détection par proximité. Pour tirer profit des machines multi-core, nous proposons une approche de parallélisation qui repose sur un parallélisme des tâches. Avant l'éxecution d'un pas de temps nous extrayons un graphe de dépendance de tâche qui est partitionné pour définir la répartition des tâches entre les processeurs. Cette approche a un faible impact sur les algorithmes de simulation physique étant donné que le parallélisme est obtenu en changeant uniquement le code d'orchestration du lancement des tâches. Finalement, nous avons étendu nos travaux aux architectures multi-CPU et multi-GPU. L'utilisation de ces ressources de manière efficace et transparente est un enjeu de taille. Nous proposons un schéma de parallélisation pour l'équilibrage dynamique de charge entre plusieurs CPUs et GPUs. Nous nous appuyons sur une approche à deux niveaux associant un partitionement du graphe de tâches et l'équilibrage de charge par l'utilisation du vol de travail guidé par des critères d'affinité entre processeurs. Ces critères visent à limiter les migrations de taches entre les unités de calcul, et de favoriser l' association de petites tâches sur les processeurs et des grandes sur les GPU pour tirer parti de l'hétérogénéité.

Les insectes ravageurs constituent depuis longtemps une menace sérieuse pour l’agriculture dans plusieurs régions du monde. En particulier, les criquets pèlerins (Schistocerca Gregaria) sont les plus redoutés à cause des dégâts colossaux qu’ils peuvent infliger à une large variété de cultures. Ces derniers, dans leur milieu de reproduction et un ensemble de paramètres climatiques, peuvent être assimilés à un système biophysique. Un système biophysique associe plusieurs composants caractérisés par leur complexité propre et celle de leurs interactions. Par exemple la pluie apporte de l’humidité et le développement du couvert végétal qui sont critiques dans la dynamique de population du criquet pèlerin. Ces systèmes biophysiques peuvent être contrôlés par divers moyens, dont un réseau de surveillance couplant des capteurs sans fil. L’intégration des systèmes biophysiques et des réseaux d’observation peut être un des faits majeurs de cette décennie. Elle permet un échange entre les processus cycliques physiques et les systèmes d’information. Ces derniers permettent de collecter et de traiter les données de terrain et peuvent aussi agir sur le système physique par le biais de boucles rétro-actives. Cette intégration a été possible grâce aux avancées technologiques notées dans les domaines de la micro électronique et de la transmission sans fil. On la trouve dans des domaines émergents tels que l’agriculture fine. Cette thèse est consacrée à la modélisation cellulaire et à la simulation de systèmes physiques. Pour cela, un échantillonnage spatial et temporel d’une zone de reproduction des criquets pèlerins a été réalisé à l’aide d’outils spécifiques avec différentes résolutions, dans le but de générer les systèmes cellulaires. Ces systèmes cellulaires contiennent des informations telles que le vent, la température, l’humidité relative et la pluviométrie. L’échantillonnage spatial permet une représentation de migration et l’échantillonnage temporel permet de suivre l’évolution locale des individus dans une cellule.Les systèmes cellulaires sont transcrits en réseaux de processus communicant et évoluent de manière synchrone afin de reproduire et de simuler le phénomène de migration intercellulaire et le cycle de vie du criquet pèlerin dans une cellule. La construction de ces systèmes a été explorée en profondeur, en faisant varier leur contexte géographique, les critères de classification, la dimension des cellules, la connectivité entre les processus, les comportements collectifs. L’exploration a porté sur la génération de codes parallèles et les performances à l’exécution, essentiellement pour le cas des processus légers.Ce travail a abouti à la production de deux simulateurs paramétriques, le premier est destiné à la dynamique de population des criquets pèlerins en vue d’évaluer l’état de la situation acridienne par un couplage entre les réseaux de surveillance synchrones et les systèmes biophysiques. Le second permet de planifier le déploiement de réseaux de capteurs sans fil dans une zone afin de déterminer l’emplacement des capteurs. / Insect pests have long been a serious threat to agriculture in many parts of the world. In particular, desert locusts (Schistocerca Gregaria) are the most feared because of the colossal damage they can inflict on a wide variety of crops.The latter, in their breeding environment and a set of climatic parameters, can be assimilated to a biophysical system. A biophysical system associates several components characterized by their own complexity and that of their interactions. For example, rain brings moisture and canopy development that is critical in Desert Locust population dynamics. These biophysical systems can be controlled by various means, including a monitoring network coupling wireless sensors. The integration of biophysical systems and observation networks can be one of the major events of this decade. It allows an exchange between physical cyclical processes and information systems. These can collect and process field data and can also act on the physical system through feedback loops. This integration has been made possible thanks to technological advances noted in the fields of microelectronics and wireless transmission. It is found in emerging fields such as fine agriculture. This thesis is devoted to cellular modeling and simulation of physical systems. For this, a spatial and temporal sampling of a Desert Locust breeding area was carried out using specific tools with different resolutions, in order to generate the cellular systems. These cellular systems contain information such as wind, temperature, relative humidity and rainfall. Spatial sampling allows a migration representation and temporal sampling can track the local evolution of individuals in a cell.Cellular systems are transcribed into communicating process networks and evolve synchronously to reproduce and simulate the phenomenon of intercellular migration and the life cycle of the Desert Locust in a cell. The construction of these systems has been explored in depth, making vary their geographical context, the criteria for classification, the cells, connectivity between processes, collective behaviors.Exploration has focused on the generation of parallel codes and performance at the execution, mainly for the case of lite processes.This work has led to the production of two parametric simulators, the first of which is aimed at Desert Locust population dynamics with a view to assessing the state of the locust situation through coupling between synchronous monitoring networks and biophysical systems. The second allows you to plan the deployment of wireless sensor networks in an area to determine the location of the sensors.

Les travaux réalisés pendant mon doctorat répondent à la problématique de la simulation physique, en temps interactif, du comportement d'objets déformables soumis à des changements topologiques. Mes travaux ont abouti à la définition d'un nouveau modèle unifié couplant un modèle topologique complet et un modèle physique, pour la simulation physique d'objets déformables décomposés en éléments surfaciques comme volumiques, tout en réalisant pendant cette simulation des changements topologiques comme la découpe ou la subdivision locale d'un élément du maillage. Cette dernière opération a permis de proposer une méthode adaptative où les éléments du maillage sont raffinés selon un critère géométrique au cours de la simulation. Nous avons fait le choix des cartes combinatoires et plus particulièrement celui des complexes cellulaires linéaires, comme modèle topologique de notre modèle unifié. Ils ont l'avantage d'être génériques par rapport à la dimension de l'objet représenté mais également par rapport à la topologie des cellules en lesquelles l'objet est décomposé. Le système masses-ressort a, quant à lui, été choisi comme modèle physique de notre modèle unifié. L'avantage de ce dernier réside dans la simplicité de ses équations, son implémentation intuitive, son interactivité et sa facilité à gérer les changements topologiques. Enfin, la définition d'un modèle unifié nous a permis de proposer un modèle évitant la redondance d'informations et facilitant la mise à jour de ces dernières suite à des changements topologiques / The work made during my PhD, respond to the problematic of physical simulation of the behavior of deformable objects subject to topological changes in interactive time. My work resulted in the definition of a new unified model coupling a complete topological model and a physical model for physical simulation of deformable objects decomposed in surface as volume elements, while performing during this simulation topological changes such as cutting or subdivision local of a mesh element. This operation allowed us to propose an adaptive method where mesh elements are refined during the simulation according to a geometric criterion. For the topological model of our unified model, we made the choice of combinatorial maps and more particularly linear cellular complexes. Their main advantage of the latter is the simplicity of its equations, its intuitive implementation, its interactivity and its ease to handle topological changes. Finally, the definition of a unified model allowed us to propose a model avoiding duplication of information and facilitate the update after topological changes

La quête de performance a été une constante à travers l’histoire des systèmes informatiques. Il y a plus d’une décennie maintenant, le modèle de traitement séquentiel montrait ses premiers signes d’épuisement pour satisfaire les exigences de performance. Les barrières du calcul séquentiel ont poussé à un changement de paradigme et ont établi le traitement parallèle comme standard dans les systèmes informatiques modernes. Avec l’adoption généralisée d’ordinateurs parallèles, de nombreux algorithmes et applications ont été développés pour s’adapter à ces nouvelles architectures. Cependant, dans des applications non conventionnelles, avec des exigences d’interactivité et de temps réel, la parallélisation efficace est encore un défi majeur. L’exigence de performance en temps réel apparaît, par exemple, dans les simulations interactives où le système doit prendre en compte l’entrée de l’utilisateur dans une itération de calcul de la boucle de simulation. Le même type de contrainte apparaît dans les applications d’analyse de données en continu. Par exemple, lorsque des donnes issues de capteurs de trafic ou de messages de réseaux sociaux sont produites en flux continu, le système d’analyse doit être capable de traiter ces données à la volée rapidement sur ce flux tout en conservant un budget de mémoire contrôlé La caractéristique dynamique des données soulève plusieurs problèmes de performance tel que la décomposition du problème pour le traitement en parallèle et la maintenance de la localité mémoire pour une utilisation efficace du cache. Les optimisations classiques qui reposent sur des modèles pré-calculés ou sur l’indexation statique des données ne conduisent pas aux performances souhaitées. Dans cette thèse, nous abordons les problèmes dépendants de données sur deux applications différentes : la première dans le domaine de la simulation physique interactive et la seconde sur l’analyse des données en continu. Pour le problème de simulation, nous présentons un algorithme GPU parallèle pour calculer les multiples plus courts chemins et des diagrammes de Voronoi sur un graphe en forme de grille. Pour le problème d’analyse de données en continu, nous présentons une structure de données parallélisable, basée sur des Packed Memory Arrays, pour indexer des données dynamiques géo-référencées tout en conservant une bonne localité de mémoire. / A busca por desempenho tem sido uma constante na história dos sistemas computacionais. Ha mais de uma década, o modelo de processamento sequencial já mostrava seus primeiro sinais de exaustão pare suprir a crescente exigência por performance. Houveram "barreiras"para a computação sequencial que levaram a uma mudança de paradigma e estabeleceram o processamento paralelo como padrão nos sistemas computacionais modernos. Com a adoção generalizada de computadores paralelos, novos algoritmos foram desenvolvidos e aplicações reprojetadas para se adequar às características dessas novas arquiteturas. No entanto, em aplicações menos convencionais, com características de interatividade e tempo real, alcançar paralelizações eficientes ainda representa um grande desafio. O requisito por desempenho de tempo real apresenta-se, por exemplo, em simulações interativas onde o sistema deve ser capaz de reagir às entradas do usuário dentro do tempo de uma iteração da simulação. O mesmo tipo de exigência aparece em aplicações de monitoramento de fluxos contínuos de dados (streams). Por exemplo, quando dados provenientes de sensores de tráfego ou postagens em redes sociais são produzidos em fluxo contínuo, o sistema de análise on-line deve ser capaz de processar essas informações em tempo real e ao mesmo tempo manter um consumo de memória controlada A natureza dinâmica desses dados traz diversos problemas de performance, tais como a decomposição do problema para processamento em paralelo e a manutenção da localidade de dados para uma utilização eficiente da memória cache. As estratégias de otimização tradicionais, que dependem de modelos pré-computados ou de índices estáticos sobre os dados, não atendem às exigências de performance necessárias nesses cenários. Nesta tese, abordamos os problemas dependentes de dados em dois contextos diferentes: um na área de simulações baseada em física e outro em análise de dados em fluxo contínuo. Para o problema de simulação, apresentamos um algoritmo paralelo, em GPU, para computar múltiplos caminhos mínimos e diagramas de Voronoi em um grafo com topologia de grade. Para o problema de análise de fluxos de dados, apresentamos uma estrutura de dados paralelizável, baseada em Packed Memory Arrays, para indexar dados dinâmicos geo-localizados ao passo que mantém uma boa localidade de memória. / The quest for performance has been a constant through the history of computing systems. It has been more than a decade now since the sequential processing model had shown its first signs of exhaustion to keep performance improvements. Walls to the sequential computation pushed a paradigm shift and established the parallel processing as the standard in modern computing systems. With the widespread adoption of parallel computers, many algorithms and applications have been ported to fit these new architectures. However, in unconventional applications, with interactivity and real-time requirements, achieving efficient parallelizations is still a major challenge. Real-time performance requirement shows up, for instance, in user-interactive simulations where the system must be able to react to the user’s input within a computation time-step of the simulation loop. The same kind of constraint appears in streaming data monitoring applications. For instance, when an external source of data, such as traffic sensors or social media posts, provides a continuous flow of information to be consumed by an online analysis system. The consumer system has to keep a controlled memory budget and deliver a fast processed information about the stream Common optimizations relying on pre-computed models or static index of data are not possible in these highly dynamic scenarios. The dynamic nature of the data brings up several performance issues originated from the problem decomposition for parallel processing and from the data locality maintenance for efficient cache utilization. In this thesis we address data-dependent problems on two different applications: one on physically based simulations and another on streaming data analysis. To deal with the simulation problem, we present a parallel GPU algorithm for computing multiple shortest paths and Voronoi diagrams on a grid-like graph. Our contribution to the streaming data analysis problem is a parallelizable data structure, based on packed memory arrays, for indexing dynamic geo-located data while keeping good memory locality.

Les dispositifs à récupération d'énergie nécessitent des convertisseurs réversibles en courant dont le circuit de commande est complexe et encombrant. Les interrupteurs auto-commutés sont une solution pour simplifier les topologies de ces convertisseurs car leurs commutations ne nécessitent ni alimentation auxiliaire, ni circuit de commande et capteur externes. Le travail mené consiste à développer, par le biais de l'intégration fonctionnelle, un interrupteur monolithique réversible en courant à auto-commutation : un thyristor dual auto-blocable. Pour réaliser cette fonction, deux architectures sont proposées : une basée sur un thyristor-MOS et une basée sur un IGBT. Les deux solutions sont étudiées à l'aide de la simulation 2D puis réalisées technologiquement. Les tests électriques des composants montrent que la première solution, intéressante d'un point de vue intégration monolithique, présente un comportement électrique très sensible aux paramètres technologiques. La deuxième solution est plus difficilement intégrable, mais son fonctionnement s'avère beaucoup moins délicat.