Les transistors mono-électroniques (SETs) sont des dispositifs ayant un grand potentiel d'applications, comme la détection de charge ultra-sensible, la logique à basse consommation de puissance, la mémoire ou la métrologie. De plus, la possibilité de piéger un seul électron et de manipuler son état de spin pourrait permettre des applications en informatique quantique. Le silicium est un matériau intéressant pour fabriquer l'îlot d'un SET. Son gap semi-conducteur permet le fonctionnement du dispositif dans le régime à un seul électron ou trou et pourrait permettre d'étendre la plage d'opération du SET en température en augmentant l'énergie d'addition du diamant central de la valeur du gap. En outre, le silicium bénéficie de plus de quarante années d'expertise en microfabrication et d'une compatibilité avec la technologie métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire (CMOS). Cependant, la fabrication de ces dispositifs fait face à de sérieuses limitations à cause de la taille nanométrique requise pour l'îlot. À ce jour, les procédés de fabrication proposés permettant l'opération à la température ambiante sont trop peu reproductibles pour permettre des applications à grande échelle. Dans ce mémoire de maîtrise, la fabrication de transistors mono-électroniques en silicium (Si-SETs) pour le traitement classique et quantique de l'information est réalisée avec un procédé nanodamascène. Le polissage chimico-mécanique (CMP) est introduit comme étape clef de la fabrication du transistor, permettant le contrôle au nanomètre près (nanodamascène) de l'épaisseur du transistor. Cet outil permet la fabrication de dispositifs ayant une géométrie auparavant impossible à réaliser et ouvre la porte à l'innovation technologique. De plus, un procédé de gravure du silicium par plasma à couplage inductif (ICP) est développé pour permettre la fabrication de nanostructures de silicium sur une nanotopographie alliant le nano et le 3D. Les Si-SETs fabriqués sont caractérisés à basse température et démontrent du blocage de Coulomb avec une énergie de charge de plus de 100 meV, soit quatre fois la température ambiante. De plus, le régime à un seul électron et les effets quantiques du confinement dans ce régime sont observés. Pour la première fois, le gap complet du silicium et les premiers diamants sont mesurés sur un dispositif fabriqué avec un procédé reproductible et industrialisable. Le diamant central voit son énergie d'addition augmentée de la valeur du gap du silicium, pour un total de plus de 1200 meV, soit 46 fois la température ambiante. Cette caractéristique pourrait ouvrir la porte à des applications en logique basse puissance dans un mode de transport à plusieurs électrons laissant circuler dix fois plus de courant dans l'état ouvert, tout en conservant le bas courant dans l'état fermé d'un SET.

Depuis une vingtaine d'années, les développements dans les technologies de l'information ont fait évoluer les paradigmes de l'informatique. L'arrivée d'approches telles que l'informatique diffuse ont fait émerger de nouvelles technologies permettant d'améliorer la qualité des interactions avec les systèmes informatisés. Toutefois, la démocratisation de l'informatique diffuse et la mise en place des espaces intelligents rencontrent un bon nombre de problèmes. Le nombre important de composantes matérielles et logicielles et leurs natures hétérogènes contribuent à la complexité de déploiement et de gestion de ces milieux, entraînant des coûts élevés. Cette thèse vise à contribuer à la gestion logicielle des espaces intelligents par la réduction de la complexité des tâches de gestion. Notre proposition consiste en une approche autonome de la gestion logicielle, fondée sur l'approche de l'informatique diffuse autonome. Dans le cadre de ce travail, nous proposons une solution utilisant les informations contextuelles des milieux, afin de déterminer quelle répartition des logiciels parmi les appareils des milieux correspond le mieux au besoin des applications, des caractéristiques propres des environnements et, non le moindre, des modalités et préférences d'interaction des utilisateurs de ces milieux. La solution proposée a été implémentée et évaluée à l'aide d'une série de tests et de mises en situation d'organisation logicielle.

Cette thèse concerne à la gestion globale à base de modèle des flux énergétiques dans le bâtiment. L'objectif des systèmes de gestion de l'énergie proposés est d'aider les occupants à gérer leur système bâtiment en planifiant la consommation/production des différents équipements présents en fonction des tarifs, de la disponibilité de l'énergie et des usages de l'occupant. L'objectif de cette thèse est de proposer une approche de résolution multi-solveurs s'appuyant sur le paradigme multi-agent.Pour y parvenir, nous avons développé, dans un premier temps, un service multi-phase, qui représente plusieurs phases flexibles avec des niveaux de consommation différents, offrant un niveau de précision supérieure pour des équipements comme une machine à laver. Dans un second temps, notre travail a consisté à proposer une nouvelle approche d'optimisation combinant différents solveurs embarqués dans des agents logiciels. Le résultat est une approche d'optimisation hybride à base d'agents, s'appuyant sur des algorithmes PLNE et des méta-heuristiques.

Le contexte de cette thèse est la récupération d'énergie afin de rendre des capteurs autonomes. L'objectif de ce travail est de répondre à la problématique du couplage des microgénérateurs piézoélectriques résonants à la source de vibration mécanique. Cela nécessite de travailler à plus basse fréquence et sur des gammes de fréquences plus importantes. Pour travailler à plus basses fréquences, des poutres encastrées libres utilisant l'AlN comme matériau piézoélectrique ont été conçues, fabriquées et caractérisées. La possibilité de récupérer 0.6µW à 214Hz pour un volume de moins de 3mm3 a été prouvée. Comparées à la littérature, de très bonnes figures de mérite ont été démontrées. Pour travailler sur des gammes de fréquences plus importantes, une méthode innovante de raidissement non linéaire de la structure a été proposée et prouvée expérimentalement, avec une adaptation de la fréquence de résonance de plus de 50% en dessous de 500Hz

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de l'intelligence ambiante (Ambient Intelligence - AMI). Les systèmes d'intelligence ambiante sont des systèmes interactifs composés de plusieurs éléments hétérogènes. D'un point de vue matériel, les composants de ces systèmes peuvent être divisés en deux catégories principales : les capteurs, que le système utilise pour observer son environnement, et les effecteurs, à travers lesquels le système agit sur son environnement afin d'exécuter des tâches spécifiques. D'un point de vue fonctionnel, l'objectif des systèmes d'intelligence ambiante est d'activer certains effecteurs, sur la base des mesures réalisées par des capteurs. Toutefois, les capteurs et les effecteurs peuvent subir des défaillances. Notre motivation dans cette thèse est de munir les systèmes ambiants de capacités d'auto-détection des pannes, pour leur permettre de vérifier de manière autonome si les actions prévues ont été effectuées correctement par les effecteurs. Pour résoudre ce problème, on pourrait appliquer des techniques classiques en automatique, et ainsi prédéterminer des boucles de régulation ad-hoc utilisant les capteurs disponibles. Cependant, une particularité des systèmes ambiants est leur ouverture : les ressources physiques (principalement les capteurs et effecteurs) ne sont pas nécessairement connues au moment de la conception, mais elles sont plutôt découvertes dynamiquement lors de l'exécution. En conséquence, ces boucles de régulation ne peuvent pas être établies à l'avance. Nous proposons une nouvelle approche dans laquelle la stratégie de détection de défaillances dans un système ambiant est déterminée dynamiquement lors de l'exécution. Pour cela, les couplages entre capteurs et effecteurs ne sont pas déterminés par le concepteur du système, mais déduits automatiquement lors de l'exécution. Ceci est rendu possible par la modélisation des caractéristiques des capteurs, des effecteurs, ainsi que des phénomènes physiques (que nous appelons effets) qui sont attendus dans l'environnement ambiant quand une action donnée est effectuée par un effecteur. Ces effets sont utilisés lors du fonctionnement du système pour lier les effecteurs (produisant les effets) avec les capteurs correspondants (détectant les effets). Nous introduisons une plateforme de détection des pannes qui génère à l'exécution un modèle de prédiction des valeurs attendues sur les capteurs. Ce modèle, de nature hétérogène (il mêle flots de données et automates finis) est exécuté par un outil adapté (ModHel'X) de façon à fournir les valeurs attendues à chaque instant. Notre plateforme compare alors ces valeurs avec les valeurs réellement mesurées de façon à détecter les défaillances.

Cette thèse traite du problème du développement d'espaces intelligents par l'utilisateur final sous l'angle de l'Interaction Homme-Machine et de l'Intelligence Ambiante. Dans les processus actuels de développement, l'utilisateur est un consommateur contraint par un système pensé et réalisé par d'autres. L'objectif de cette thèse est de redonner le pouvoir à l'utilisateur final par le biais d'outils adaptés au développement d'espaces intelligents. Cette thèse retient l'habitat intelligent comme lieu de vie privilégié. Ses contributions incluent : (1) DisQo (Dispositifs du QuOtidien), une nouvelle méthode d'investigation des besoins, réalisable au domicile de familles, qui sollicite l'imagination et assure un juste équilibre entre contrôle expérimental, respect de la sphère privée et validité écologique des résultats ; (2) Un espace de classification pour une lecture comparative systématique et synthétique des outils portant sur le développement et la programmation d'habitats intelligents. Cette taxonomie met en évidence le peu d'avancées en édition multisyntaxe de même pour l'aide à la mise au point de programmes ; (3) KISS (Knit Your Ideas into Smart Spaces), un outil de programmation et de mise au point dont le langage de programmation est de type déclaratif orienté règles, avec potentiel d'égale opportunité syntaxique entre langue française pseudonaturelle (LPN) et langage visuel iconique. La technique d'interaction de construction des programmes LPN s'appuie sur l'utilisation de menus dont les options sont calculées dynamiquement assurant ainsi la découverte progressive du langage ainsi que l'extensibilité et la correction syntaxique et sémantique des programmes. La mise au point peut se pratiquer, au choix, dans le monde physique ou dans un monde dual numérique. L'évaluation de KISS dans DOMUS, un habitat intelligent d'expérimentation, montre que les utilisateurs parviennent à programmer un scénario réaliste de la vie réelle.

L'informatique sensible au contexte vise à réduire la quantité d'informations explicites qu'un utilisateur doit fournir pour que le système accomplisse la tâche souhaitée. Ceci est particulièrement vrai dans le domaine récent de l'intelligence ambiante où les objets de la vie courante deviennent capables de déclencher une action ou un échange spontané d'informations, sans interaction avec l'utilisateur. Les progrès techniques en matière de réseaux de communication sans fil, d'équipements mobiles individuels, de capteurs et de logiciels embarqués, rendent aujourd'hui possibles des services aux usagers dépendants du contexte, mais les applications concrètes demeurent encore très limitées. Les travaux existants dans la littérature décomposent la gestion de contexte en quatre fonctionnalités: la collecte, l'interprétation, la détection de situations et l'utilisation pour l'adaptation. L'élément discriminant des solutions existantes est la qualité des informations abstraites obtenues par inférence et devant caractériser les situations de l'utilisateur. Les limites de ces solutions sont le manque de composition aisée des informations de contexte, le passage à l'échelle, tant en termes de quantité d'informations de contexte que de nombre d'applications clientes, l'absence de garantie sur la cohérence et la qualité des informations de contexte, et le manque de solutions intergicielles permettant de libérer le concepteur d'applications des aspects liés à la gestion de contexte. Nous nous intéressons dans cette thèse à la gestion de la qualité de contexte (QoC) dans un environnement ambiant. Les problématiques de gestion de la qualité de contexte sont multiples: choisir la méthode adéquate pour la gestion du contexte, extraire la qualité associée au contexte, interpréter et analyser la qualité de contexte pour les applications sensibles au contexte. Nous proposons de répondre à ces problématiques en intégrant la qualité de contexte au sein de la plateforme de gestion de contexte COSMOS (http://picoforge.lntevrv.fr/proiects/svn/cosmos) de l'équipe MARGE (http://www-inf.itsudparis.eu/MARGE) de Télécom SudParis. Afin d'effectuer cette intégration, nous avons conçu des éléments spécifiques à la qualité de contexte et avons mis en place une gestion fine et efficiente de cette qualité en limitant le surcoût associé. Nous proposons également un processus de conception basé sur l'ingénierie dirigée par les modèles afin de générer les éléments requis à la gestion de la qualité de contexte. Nous avons validé nos contributions à l'aide de deux applications fonctionnant sur téléphone mobile : une application de "vente flash" dans un centre commercial et une application de détection de localisation sur un campus. Les tests de performances que nous avons effectués permettent de comparer les résultats avec et sans la prise en compte de la QoC et montrent le faible coût de la gestion de la qualité par rapport aux améliorations apportées aux applications sensibles au contexte

Comme dans de nombreux autres domaines, la construction des applications en Informatique Ambiantes (IAm) se fait par réutilisation d'entités logicielles disponibles. Pour des raisons de conductivités, de pannes, de charge de batterie mais aussi de nombreuses autres, la disponibilité de ces entités est imprévisible ce qui implique que l'auto-adaptation dynamique des applications est une nécessité. Cela passe par la spécification en parallèle des adaptations par des experts de divers domaines. Ce parallélisme de construction, peut amener des problèmes d'interférences lors de la composition dynamique de plusieurs adaptations. Dans cette thèse, par l'utilisation de graphes, nous contribuons à la définition d'un cadre formel pour la détection et la résolution de ces interférences. L'assemblage des entités logicielles repose sur des connecteurs d'assemblage qui sont utilisés dans la spécification des adaptations. Des règles de réécriture de graphe permettront de résoudre les interférences détectées, cette résolution étant guidée par la connaissance de connecteurs définis. De plus, pour pouvoir étendre dynamiquement et automatiquement notre mécanisme de gestion des interférences, nous proposons la modélisation comportementale de ces connecteurs. Ceci permet de ne pas reposer sur une connaissance à priori des connecteurs et autorise par la même d'étendre dynamiquement l'ensemble des connecteurs disponibles pour la spécification des adaptations.

Contexte : Cette thèse se déroule dans les contextes de l'intelligence ambiante et de la reconnaissance de scène (sur mobile). Historiquement, le projet vient de l'entreprise ST-Ericsson. Il émane d'un besoin de développer et intégrer un "serveur de contexte" sur smartphone capable d'estimer et de fournir des informations de contexte pour les applications tierces qui le demandent. Un exemple d'utilisation consiste en une réunion de travail où le téléphone sonne~; grâce à la reconnaissance de la scène, le téléphone peut automatiquement réagir et adapter son comportement, par exemple en activant le mode vibreur pour ne pas déranger.Les principaux problèmes de la thèse sont les suivants : d'abord, proposer une définition de ce qu'est une scène et des exemples de scènes pertinents pour l'application industrielle ; ensuite, faire l'acquisition d'un corpus de données à exploiter par des approches d'apprentissage automatique~; enfin, proposer des solutions algorithmiques au problème de la reconnaissance de scène.Collecte de données : Aucune des bases de données existantes ne remplit les critères fixés (longs enregistrements continus, composés de plusieurs sources de données synchronisées dont l'audio, avec des annotations pertinentes).Par conséquent, j'ai développé une application Android pour la collecte de données. L'application est appelée RecordMe et a été testé avec succès sur plus de 10 appareils. L'application a été utilisée pour 2 campagnes différentes, incluant la collecte de scènes. Cela se traduit par plus de 500 heures enregistrées par plus de 25 bénévoles, répartis principalement dans la région de Grenoble, mais aussi à l'étranger (Dublin, Singapour, Budapest). Pour faire face au problème de protection de la vie privée et de sécurité des données, des mesures ont été mises en place dans le protocole et l'application de collecte. Par exemple, le son n'est pas sauvegardé, mes des coefficients MFCCs sont enregistrés.Définition de scène : L'étude des travaux existants liés à la tâche de reconnaissance de scène, et l'analyse des annotations fournies par les bénévoles lors de la collecte de données, ont permis de proposer une définition d'une scène. Elle est définie comme la généralisation d'une situation, composée d'un lieu et une action effectuée par une seule personne (le propriétaire du smartphone). Des exemples de scènes incluent les moyens de transport, la réunion de travail, ou le déplacement à pied dans la rue. La notion de composition permet de décrire la scène avec plusieurs types d'informations. Cependant, la définition est encore trop générique, et elle pourrait être complétée par des informations additionnelles, intégrée à la définition comme de nouveaux éléments de la composition.Algorithmique : J'ai réalisé plusieurs expériences impliquant des techniques d'apprentissage automatique supervisées et non non-supervisées. La partie supervisée consiste en de la classification. La méthode est commune~: trouver des descripteurs des données pertinents grâce à l'utilisation d'une méthode de sélection d'attribut ; puis, entraîner et tester plusieurs classifieurs (arbres de décisions et forêt d'arbres décisionnels ; GMM ; HMM, et DNN). Également, j'ai proposé un système à 2 étages composé de classifieurs formés pour identifier les concepts intermédiaires et dont les prédictions sont fusionnées afin d'estimer la scène la plus probable. Les expérimentations non-supervisées visent à extraire des informations à partir des données. Ainsi, j'ai appliqué un algorithme de regroupement hiérarchique ascendant, basé sur l'algorithme EM, sur les données d'accélération et acoustiques considérées séparément et ensemble. L'un des résultats est la distinction des données d'accélération en groupes basés sur la quantité d'agitation. / Context: This PhD takes place in the contexts of Ambient Intelligence and (Mobile) Context/Scene Awareness. Historically, the project comes from the company ST-Ericsson. The project was depicted as a need to develop and embed a “context server” on the smartphone that would get and provide context information to applications that would require it. One use case was given for illustration: when someone is involved in a meeting and receives a call, then thanks to the understanding of the current scene (meet at work), the smartphone is able to automatically act and, in this case, switch to vibrate mode in order not to disturb the meeting. The main problems consist of i) proposing a definition of what is a scene and what examples of scenes would suit the use case, ii) acquiring a corpus of data to be exploited with machine learning based approaches, and iii) propose algorithmic solutions to the problem of scene recognition.Data collection: After a review of existing databases, it appeared that none fitted the criteria I fixed (long continuous records, multi-sources synchronized records necessarily including audio, relevant labels). Hence, I developed an Android application for collecting data. The application is called RecordMe and has been successfully tested on 10+ devices, running Android 2.3 and 4.0 OS versions. It has been used for 3 different campaigns including the one for scenes. This results in 500+ hours recorded, 25+ volunteers were involved, mostly in Grenoble area but abroad also (Dublin, Singapore, Budapest). The application and the collection protocol both include features for protecting volunteers privacy: for instance, raw audio is not saved, instead MFCCs are saved; sensitive strings (GPS coordinates, device ids) are hashed on the phone.Scene definition: The study of existing works related to the task of scene recognition, along with the analysis of the annotations provided by the volunteers during the data collection, allowed me to propose a definition of a scene. It is defined as a generalisation of a situation, composed of a place and an action performed by one person (the smartphone owner). Examples of scenes include taking a transportation, being involved in a work meeting, walking in the street. The composition allows to get different kinds of information to provide on the current scene. However, the definition is still too generic, and I think that it might be completed with additionnal information, integrated as new elements of the composition.Algorithmics: I have performed experiments involving machine learning techniques, both supervised and unsupervised. The supervised one is about classification. The method is quite standard: find relevant descriptors of the data through the use of an attribute selection method. Then train and test several classifiers (in my case, there were J48 and Random Forest trees ; GMM ; HMM ; and DNN). Also, I have tried a 2-stage system composed of a first step of classifiers trained to identify intermediate concepts and whose predictions are merged in order to estimate the most likely scene. The unsupervised part of the work aimed at extracting information from the data, in an unsupervised way. For this purpose, I applied a bottom-up hierarchical clustering, based on the EM algorithm on acceleration and audio data, taken separately and together. One of the results is the distinction of acceleration into groups based on the amount of agitation.

La réduction (« scaling ») continue des dimensions des transistors MOSFET nous a conduits à l'ère de la nanoélectronique. Le transistor à effet de champ multi-grilles (MultiGate FET, MuGFET) avec l'architecture «nanofil canal» est considéré comme un candidat possible pour le scaling des MOSFET jusqu'à la fin de la roadmap. Parallèlement au scaling des CMOS classiques ou scaling suivant la loi de Moore, de nombreuses propositions de nouveaux dispositifs, exploitant des phénomènes nanométriques, ont été faites. Ainsi, le transistor monoélectronique (SET), utilisant le phénomène de «blocage de Coulomb», et le transistor à atome unique (SAT), en tant que transistors de dimensions ultimes, sont les premiers dispositifs nanoélectroniques visant de nouvelles applications comme la logique à valeurs multiples ou l'informatique quantique. Bien que le SET a été initialement proposé comme un substitut au CMOS («Au-delà du dispositif CMOS»), il est maintenant largement considéré comme un complément à la technologie CMOS permettant de nouveaux circuits fonctionnels. Toutefois, la faible température de fonctionnement et la fabrication incompatible avec le procédé CMOS ont été des contraintes majeures pour l'intégration SET avec la technologie FET industrielle. Cette thèse répond à ce problème en combinant les technologies CMOS de dimensions réduites, SET et SAT par le biais d'un schéma d'intégration unique afin de fabriquer des transistors « Trigate » nanofil. Dans ce travail, pour la première fois, un SET fonctionnant à température ambiante et fabriqués à partir de technologies CMOS SOI à l'état de l'art (incluant high-k/grille métallique) est démontré. Le fonctionnement à température ambiante du SET nécessite une île (ou canal) de dimensions inférieures à 5 nm. Ce résultat est obtenu grâce à la réduction du canal nanofil ‘‘trigate'' à environ 5 nm de largeur. Une étude plus approfondie des mécanismes de transport mis en jeu dans le dispositif est réalisée au moyen de mesures cryogéniques de conductance. Des simulations NEGF tridimensionnelles sont également utilisées pour optimiser la conception du SET. De plus, la cointégration sur la même puce de MOSFET FDSOI et SET est réalisée. Des circuits hybrides SET-FET fonctionnant à température ambiante et permettant l'amplification du courant SET jusque dans la gamme des milliampères (appelé «dispositif SETMOS» dans la littérature) sont démontrés de même que de la résistance différentielle négative (NDR) et de la logique à valeurs multiples. Parallèlement, sur la même technologie, un transistor à atome unique fonctionnant à température cryogénique est également démontré. Ceci est obtenu par la réduction de la longueur de canal MOSFET à environ 10 nm, si bien qu'il ne comporte plus qu'un seul atome de dopant dans le canal (diffusée à partir de la source ou de drain). A basse température, le transport d'électrons à travers l'état d'énergie de ce dopant unique est étudié. Ces dispositifs fonctionnent également comme MOSFET à température ambiante. Par conséquent, une nouvelle méthode d'analyse est développée en corrélation avec des caractéristiques à 300K et des mesures cryogéniques pour comprendre l'impact du dopant unique sur l'échelle MOSFET à température ambiante. / Continuous scaling of MOSFET dimensions has led us to the era of nanoelectronics. Multigate FET (MuGFET) architecture with ‘nanowire channel' is being considered as one feasible enabler of MOSFET scaling to end-of-roadmap. Alongside classical CMOS or Moore's law scaling, many novel device proposals exploiting nanoscale phenomena have been made either. Single Electron Transistor (SET), with its unique ‘Coulomb Blockade' phenomena, and Single Atom Transistor (SAT), as an ultimately scaled transistor, are prime nanoelectronic devices for novel applications like multivalued logic, quantum computing etc. Though SET was initially proposed as a substitute for CMOS (‘Beyond CMOS device'), it is now widely considered as a compliment to CMOS technology to enable novel functional circuits. However, the low operation temperature and non-CMOS fabrication process have been major limitations for SET integration with FET. This thesis makes an effort at combining scaled CMOS, SET and SAT through a single integration scheme enabling trigate nanowire-FET, SET or SAT. In this work, for the first time, fabrication of room temperature operating SET on state-of-the-art SOI CMOS technology (featuring high-k/metal gate) is demonstrated. Room temperature operation of SET requires an island (or channel) with dimensions of 5 nm or less. This is achieved through reduction of trigated nanowire channel to around 5 nm in width. Further study of carrier transport mechanisms in the device is carried out through cryogenic conductance measurements. Three dimensional NEGF simulations are also employed to optimize SET design. As a step further, cointegration of FDSOI MOSFET and SET on the same die is carried out. Room temperature hybrid SET-FET circuits enabling amplification of SET current to micro-ampere range (proposed as ‘SETMOS device' in literature), negative differential resistance (NDR) and multivalued logic are shown. Alongside this, on the same technology, a Single Atom Transistor working at cryogenic temperature is also demonstrated. This is achieved through scaling of MOSFET channel length to around 10 nm that enables having a single dopant atom in channel (diffused from source or drain). At low temperature, electron transport through the energy state of this single dopant is studied. These devices also work as scaled MOSFETs at room temperature. Therefore, a novel analysis method is developed correlating 300 K characteristics with cryogenic measurements to understand the impact of single dopant on scaled MOSFET at room temperature.