Ce travail de recherche intitulé " Contribution à la modélisation de l'Intégrité des Alimentations dans les System-in-Package", effectué chez NXP semi-conducteurs, se propose d'étudier l'intégrité des alimentations et des signaux dans un système complexe tel que le System-in-Package(SiP), les System-on-Chip(SoC) ou autres (PoP,...). C'est-à-dire la générations de perturbations électromagnétiques conduites dues à l'activité d'un système complexe sur son environnement d'intégration. Un bilan de puissance statique et dynamique permet de considérer l’influence de l’activité des fonctions numériques sur le système SiP. L’activité dynamique est représentée sous forme de profils canoniques caractérisés par la technologie de conception des fonctions logiques. Cette représentation en base tient compte du cadencement multi fréquentiel (ou multi-harmonique) du système. Un logiciel a été développé permettant d'extraire un profil d'activité numérique définit suivant la géométrie de la fonction, sa technologie et ses fréquences d'activation. Les fonctions analogiques et le réseau passif d'interconnexions sont modélisés au travers de fonctions de transfert et validés par une approche expérimentale (domaine fréquentiel et temporel) et en simulation. Cette analyse a permis de souligner les potentialités de la modélisation BBS (Broad Band Spice Model). Ceci a permis une modélisation multi-port globale de l'environnement d'intégration modélisé depuis le PCB jusqu’aux fonctions actives (PCB-Boitier-interconnexions-circuits). Les modèles extraits sont utilisables dans un environnement SPICE où l’ensemble du système est modélisé dans un environnement unique. La CO-MODÉLISATION et la CO-SIMULATION GLOBALES permettent la proposition de règles de conception et l’optimisation du découplage souligné par le potentiel du substrat de report PICS (Passive Integrating Component Substrate). / This thesis, performed in NXP Semiconductors, presents an analysis on POWER INTEGRITY and SIGNAL INTEGRITY in complex systems (System-in-Package SiP, System-on-Chip SoC, PoP, etc). This subject takes in account the propagation and its effects of conducted electromagnetic interferences due to digital activities in power distribution network. A statement of static and dynamic power consumption allows to consider effects of digital activities through a multi-clock and multi harmonic model based on technologies, clocks and geometries of a dedicated functions, blocks or dices. A global distributed CO-SIMULATION/CO-MODELISATION methodology for concurrent/simultaneous analysis of passif distribution network have been successfully applied to a full complex system. An original "power signature" concept is used to model high speed digital modules temporal and spatial distribution of their power switching activity for analog-mixed-digital co-simulations. Analysis of coupling effects at systems level have been studied through access ports with and without active SiP modules. The measured coupling is validated with predicted simulation results based on electromagnetic simulations and broad band SPICE extractions. Correlations are validated between observed spurs in presence of SiP active modules and the behavioral response (transfer function) of the active die multiport, and multi-port de-embedding analysis. The full model of complex system, available in SPICE environnement, allows to analyse propagation and its effects of conducted electromagnetic interferences on dices, functions and system of the SiP. Thanks to this work, it will possible to supply new design rules and optimize of decoupling capacities values. A dedicated software was elaborated to generate a quick digital activity model easy-to-implement in SPICE environment.

Devant la forte demande mondiale en énergie électrique, les alternateurs à diodes tournantes constituent une solution largement répandue dans les installations de génération d’électricité de fortes puissances (hydraulique, fossile et éolien) ainsi que dans les applications îlotées sous forme de groupes électrogènes ou de petits alternateurs intégrés dans les systèmes embarqués. La renommée de ce type d’alternateur s’est construite sur leurs robustes constitutions mécanique et électrique et sur leur parfaite adaptabilité au type de charge alimentée. Néanmoins, l’utilisation de ces machines dans des conditions de fonctionnement très contraignantes, que cela soit à cause des fortes puissances demandées par les applications industrielles ou des contraintes environnementales dans lesquelles travaillent les alternateurs isolés, engendre une recrudescence de défauts, principalement de types électriques, à l’intérieur du système. L’apparition de ces défaillances est extrêmement délétère pour des applications à haut niveau de service et dont un arrêt intempestif peut engendrer des coûts de maintenance et d’immobilisation très élevés pour les opérateurs. Devant la nécessité de planifier de façon optimisée les opérations de maintenance à effectuer sur les alternateurs, il est possible de mettre en place des stratégies de diagnostic qui surveillent l’apparition des principales défaillances susceptibles de toucher ce type de machine. Bien que les modifications imprévisibles du point de fonctionnement liées à la charge compliquent la tâche, il est envisageable de mettre en lumière la présence de défauts de court-circuit dans les bobinages ainsi que des défaillances de diodes dans le pont redresseur triphasé en étudiant les modifications des formes d’ondes des signaux électriques générés. Ce travail est décrit dans la présente thèse. Face au manque d’antécédents sur le sujet, une grande partie des recherches s’est focalisée sur la conception et la mise en place d’un modèle numérique d’alternateur à diodes tournantes représentatif des formes d’ondes réelles en régimes sain et défaillant, tache non triviale étant donné le caractère saillant des pôles de l’alternateur. Pour répondre à ces attentes, un processus original de co-simulation a été mis en place présentant une identification des inductances de l’alternateur sous Flux2D et une estimation numérique des équations différentielles du système sous Matlab. Cette modélisation fiable a par la suite permis une sélection d’indicateurs de diagnostic par analyse fréquentielle des signaux électriques qui sont capables, sans ajout de capteurs supplémentaires, d’informer l’utilisateur sur la présence de défauts à l’intérieur du système. Afin de s’assurer une bonne compréhension des phénomènes, un grand soin a été apporté à la justification théorique des modifications spectrales introduites par les défauts dans les signaux électriques. Une importante campagne d’essais expérimentaux a permis la validation des modèles sain et défaillant grâce à la réalisation, par la société Nidec Leroy- Somer, d’un alternateur capable de simuler des défauts de court-circuit inter-spires stator. Ces essais ont mis au jour la possibilité de détecter les défauts dans de nombreuses configurations de court-circuit, mais également la difficulté de les prévoir de façon anticipée, ouvrant par là même de nombreuses perspectives de recherche. / Considering human.s huge needs in electrical energy, power alternators equipped with integrated rotating rectifiers represent a widely used solution. Indeed, this type of generator equips most of the industrial electrical power plants (hydro, fossil and wind) as well as isolated applications in the form of Diesel generators or onboard alternators. Due to their robustness and their electrical adaptability, power alternators have acquired a solid reputation and are therefore considered as an obvious solution when dealing with energy production activities. Nonetheless, the hard conditions to which they are constrained imply a dramatic deterioration of their mechanical and electrical components that can lead to serious damages, such as the loss of diodes or the emergence of short-circuits in the alternator.s coils. Such damages can make it impossible for the alternator either to fully deliver the expected power or to simply continue being operated, engendering in both cases a forced outage of the alternator and impacting dramatically the maintenance and exploitation costs. In order to avoid such issues, a setting up of diagnostic methods has been considered in this work. Even though the modifications of the electrical load is a big matter proper to electrical generation applications, a diagnostic method consisting in the monitoring of electrical signal spectra may be undertaken and can inform the user about the apparition of unintended faults. Due to the lack of knowledge on the electrical malfunctions of this kind of alternator, a great part of the thesis has been dedicated to the numerical modelling of the complete system, in healthy as well as in faulty operating conditions. Because of the salience of the rotor poles, an accurate representation of the alternator.s inductances constitutes a key point of a faithful simulation of the signals. waveforms. To offer a more convenient model, an original co-simulation process between Flux2D and Matlab has been developed. It is composed of an easy-to-use numerical model based on differential equations developed in Matlab and conserves the inductances accuracy thanks to an identification with the finite elements in Flux2D. This model could then be used to develop a diagnostic methodology based on the surveillance of several spectral components specific to different electrical signals. These components have proven themselves sensitive to the fault and offer by the way a clear view of the state of health of the system. Furthermore, a theoretical study has been undertaken to demonstrate the modifications of the fault indicators created by the occurrence of an electrical fault. In addition, a thorough test campaign has been realised in order to confirm the validity of both the numerical models and the diagnostic methodology. This campaign has become feasible thanks to the development of a special 27kVA alternator by Nidec Leroy-Somer, in which additional plugs have been inserted to give access to different turns of a stator coil, and thus to enable the realisation of stator inter-turn short-circuits. The campaign has brought valuable information about the opportunities to detect a short-circuit in a primitive phase and let the doors open to further researches in this domain.

Avec l'explosion de l'Internet des Objets (IoT), de nouveaux dispositifs permettant de tagguer les objets sont nécessaires afin de permettre non seulement leur identification mais aussi d'assurer des communications fiables et de nouvelles fonctionnalités comme la détection, la localisation ou la capture d'informations. Cette tendance s'appuie sur la technologie bien établie qu'est la radiofréquence par identification (RFID) et donc l'utilisation d'étiquettes (ou tags) faibles coûts et télé-alimentés. Dans ce contexte, de nombreux travaux au niveau de la couche d'application se tournent vers la mise au point de traitements logiciels complémentaires visant à produire de nouveaux types d'information. D'autres travaux visent à améliorer la couche physique avec l'objectif de miniaturiser encore le tag mais aussi de le doter de nouvelles capacités. Jusqu'à présent, il n'existe quasiment pas de travaux concernant la transmission du signal et aucun sur l'exploitation du comportement non-linéaire des puces RFID. Cette thèse vise à étudier les phénomènes non-linéaires produits lors d'une communication RFID.Dans la première partie, deux plateformes de mesure et de caractérisation spécifiques ont été développées : la première vise à observer les signaux au cours d'une communication RFID, et alors caractériser et analyser les effets liés aux phénomènes non linéaires ; la seconde permet d'effectuer différentes mesures directement sur les puces et les caractériser en termes d'impédance, production d'harmoniques et sensibilité. Ces plateformes ont permis : 1) de mettre en évidence que les fréquences harmoniques sont porteuses d'informations qui peuvent être exploitées et même offrir de nouvelles fonctionnalités ; 2) d'obtenir de nombreuses informations sur les propriétés des puces et d'en établir un modèle électrique précis ; 3) de déterminer des critères permettant d'évaluer la performance des tags dans le contexte étudié.Dans la deuxième partie, plusieurs nouveaux tags RFID ont été conçus, fabriqués, mesurés et évalués. Ces nouveaux tags fonctionnent non seulement dans la bande UHF mais aussi sont adaptés à la troisième harmonique dans la bande des microondes. Une méthodologie et des lignes directives d'aide à la conception de ce type de tags ont été établies et s'appuient sur les deux plateformes développées afin de caractériser les différents éléments. Dans un même temps, les effets liés à la fabrication ont aussi été étudiés et des études paramétriques ont permis de mettre en évidence l'effet sur les performances de la géométrie de l'antenne et du type de puce utilisée.Dans une troisième partie, les études se sont focalisées à exploiter les effets non-linéaires des dispositifs de redressement. L'idée générale est de coupler la RFID passive avec les dispositifs de transferts de puissance et de récupération d'énergie avec pour objectifs 1) de maximiser l'efficacité de conversion RF – continu 2) et d'augmenter la distance de lecture des tags passifs. Plusieurs prototypes ont été réalisés et leurs performances ont été démontrées.L'ensemble de ces travaux a mis en évidence un nouveau concept de communication RFID exploitant les non-linéarités générées par les puces RFID. Ce concept ouvre la voie à de nouvelles applications. et a fait l'objet d'une demande de brevet international. / Powered by the exploding popularity of the Internet-of-Things (IoT), the demand for tagged devices with labels capable to ensure a reliable communication with added functions beyond the identification, such as sensing, location, health-care, among others, is growing rapidly. Certainly this growing is headed by the well-established Radio Frequency Identification (RFID) technology, and the use of wireless low-cost self-powered tags, in other words passive RFID tags, is the most widespread used alternative. In the constant evolution on this field, usually new software treatments are offered at the application layer with the objective to processing data to produce some new information. Further works aimed at improving the physical layer around the tag antenna miniaturization and matching techniques. So far, little or no work had been done on the exploitation of the communication channel, and certainly none has been done on the exploitation of the non-linear behavior of RFID chips.After presenting the RFID technology and phenomena produced by Radio Frequency (RF) non-linear devices, and leaning in some nearby works on the field, the core of this thesis starts by exposing two characterization platforms for the evaluation of non-linear phenomena presented during the reader-tag communication. One is specialized in radiating measurements considering the whole tag (antenna and chip) under test. The other is specialized in conducted measurements directly over RFID chips, allowing performing different parametric studies (power dependency, impedance, harmonic production, sensitivity). The characterization results show that harmonic signals generated from the passive RFID chip carry information.By exploiting the characterization results and to verify the hypothesis of exploitation of non-linearities in RFID, i.e. the use of harmonic signals, the research is pursued by designing, fabricating, and measuring four different configurations of RFID tags. The new RFID tags operate at the fundamental frequency in the UHF band and at its $3^{rd}$ harmonic in the microwave band. Antenna design policies, fabrication details, and parametric studies on the performance of the new prototypes are presented. The parametric study takes special care in the antenna structure, kind of chip used, received power, and read range.Finally, some alternatives approaches for the exploitation of non-linear effects generated by rectifying devices are presented. Some theoretical aspects and experimental results are discussed linking the passive RFID technology to the theories of Wireless Power Transfer (WPT) and Electromagnetic Energy Harvesting (EEH). The solution takes advantage of the non-linear nature of rectifying elements in order to maximize the RF-to-DC conversion efficiency of EEH devices and increase the read range of passive RFID tags. The solution triggers on the design of a RF multi-device system. The design procedure and tests consider three non-linear phenomena: (1) the impedance power dependency, (2) the harmonic production, and (3) the rectifying dependence on the RF waveform.

Les systèmes d'entraînement de bandes flexibles sont utilisés dans la production d'une très grande variété de produits du quotidien mais également dans la métallurgie et dorénavant pour la production des nouvelles technologies. L'amélioration des systèmes industriels d'entraînement de bandes est un problème difficile car ils sont de grande dimension, non-linéaires, à paramètres variant et incertains. Ils possèdent un fort couplage entre les différentes parties (mécanique et commande) à cause de la bande qui relie les éléments. Il faut donc améliorer la chaîne de production par une approche pluridisciplinaire. Les objectifs sont de maîtriser les paramètres clés de ces systèmes afin de garantir les cadences de production et les précisions demandées de plus en plus importantes. Il faut également réduire les défauts les plus récurrents, notamment les plis de bande. Or jusqu'à présent seuls des modèles 1D étaient utilisés. Ils sont indispensables pour la synthèse de commande et les études fréquentielles mais ne permettent pas d'étudier des phénomènes complexes tels que les plis de bande. Une nouvelle approche d'étude de ces systèmes est développée. Dans un premier temps, des améliorations de structures de commandes sont proposées. Dans un second temps un modèle 3D par éléments finis utilisant un algorithme de dynamique multicorps flexibles est développé et utilisé pour étudier les plis de bande par comparaison à la théorie classique de prédiction de ces défauts. Dans un troisième temps un simulateur complet est développé comprenant le modèle 3D mécanique par élément finis couplé à la partie commande (co-simulation). / Roll-to-Roll systems are used in the manufacturing of a wide variety of everyday products as well as in metallurgy and for the manufacturing of new technologies. The improvement of Roll-to-Roll systems is a difficult problem because they are large, non-linear, with varying and uncertain parameters. They have a coupling between the different parts (mechanical and control) with the help of the web connecting the elements. It is therefore necessary to improve the process line through a multidisciplinary approach. The objectives are to master the key parameters of these systems in order to guarantee the manufacturing rates and the more important accuracies requested. It is also necessary to reduce or remove the most recurring defects such as web wrinkles. Until now, only 1D models were used. They are essential for control synthesis and frequency studies but they do not allow to study complex phenomena such as web wrinkles. A new approach for studying these systems is developed. First, improvements of control structures are proposed. Secondly, a 3D finite element model using a flexible multibody dynamics algorithm is developed, used in this work to study web wrinkles and compared to the classical prediction theory of these defects. Finally, a complete simulator is developed including the mechanical 3D model by finite element coupled to the control part (co-simulation).

In vielen Bereichen der Tagebautechnik spielt die Zerkleinerung von Material/ -strömen eine wesentliche Rolle, wobei sich je nach Material verschiedene Anforderungen an das Brechersystem ergeben. In Folge dessen werden Brecher auftragsspezifisch, meist für einen speziellen Gesteinstyp oder Einsatzort entwickelt oder modifiziert. Eine aussagekräftige Prognose der im Bruchprozess auftretenden Lasten auf den Brecher ist somit essentieller Bestandteil im Entwicklungsprozess. Ein viel versprechender Ansatz, um das Materialverhalten in der Lastprognose zu berücksichtigen, ist die numerische Simulation des Materialbruchverhaltens mit Hilfe der Diskreten-Elemente-Methode (DEM). Das Verhalten der sogenannten Partikel wird über Kontakt- und bond-Modelle beschrieben und soll das makroskopische Verhalten des jeweiligen Gesteins möglichst realitätsnah abbilden. Die Problematik ist, dass in SimulationX® keine Module zur DEM-Simulation vorhanden sind und umgekehrt in der DEM-Simulationsumgebung LIGGGHTSG® (LAMMPS improved for general granular and granular heat transfer simulations) keine derartige Maschinensimulation möglich ist. Der Ausweg ist die Co-Simulation zweier unterschiedlicher Simulationsumgebungen durch die Nutzung des ,,Functional Mock-Up Interface“-Standards (FMI). Berechnungsergebnis sind die dynamischen Lasten auf den Brecher unter Berücksichtigung des Materialverhaltens. Somit können früher in der Brecherentwicklung Prognosen zu auftretenden Lasten getroffen und Einflussuntersuchungen von Maschinenkonfigurationen zur Effizienzsteigerungen durchgeführt werden, was zuvor auf Grund des Einzelanfertigungscharakters nicht möglich oder nicht wirtschaftlich war.

L'objet de ces travaux de these est l'etude de la conception des systemes mixtes logiciels/materiels, et le prototypage de ces systemes sur des architectures multiprocesseurs (microprocesseur, asics, fpgas, etc..). Ce sujet de recherche fait partie de la synthese de systemes vlsi et de la conception mixte logicielle/materielle. Ces travaux traitent principalement des problemes de co-simulation, des architectures pour le co-design et de la communication logicielle/materielle. Afin d'atteindre ces objectifs, une methodologie permettant la co-simulation et la co-synthese du logiciel et du materiel dans un environnement unifie a ete developpee. Cette methodologie part d'une specification c-vhdl de haut niveau. Le modele c-vhdl est raffine au cours de plusieurs etapes de conception pour aboutir a un prototype fonctionnel valide sur une architecture multiprocesseurs modulaire et flexible. L'originalite de ce travail vient du fait que les memes specifications c-vhdl sont utilisees pour la co-simulation et la co-synthese. Cela est realise grace a un style de description independant de l'architecture cible. La combinaison de l'utilisation des outils de conception disponibles et de la methodologie proposee permet de concevoir des applications de plus en plus complexes. Cette methodologie est validee par la realisation d'une application d'un systeme de commande de moteur base sur la logique floue. La conception de cette application part d'une description c-vhdl. Ce systeme est valide en premier lieu par la co-simulation, puis par les differentes etapes de synthese pour aboutir finalement a un prototype fonctionnel. Ce prototype est transpose sur une plate-forme comportant des modules logiciels et materiels (microprocesseur plus des fpgas)

Concevoir un système embarqué implique de trouver un compromis algorithme/architecture en fonction des contraintes temps-réel. Thèse : pour concevoir un MPSoC et plus particulièrement avec les circuits reconfigurables modifiant le support d'exécution en cours de fonctionnement, la nécessaire validation des comportements fluctuants d'un système réactif impose une évaluation préalable que l'on peut réaliser par simulation (de haut niveau) tout en permettant l'exploration de l'espace de conception architectural, matériel mais aussi logiciel, au plus tôt dans le flot de conception. Le point de vue du gestionnaire de la plateforme est adopté pour explorer à haut niveau les réactions du système aux choix de partitionnement impactés par l'algorithmique des services du système d'exploitation et leurs implémentations possibles. Pour cela un modèle modulaire de services d'OS simule fonctionnellement et conjointement en SystemC le matériel, les tâches logicielles et le système d'exploitation, répartis sur plusieurs noeuds d'exécution hétérogènes communicants. Ce modèle a permis d'évaluer l'architecture temps-réel idéale d'une application dynamique de vision robotique conjointement à l'exploration des services de gestion d'une zone reconfigurable modélisée. Ce modèle d'OS a aussi été intégré dans un simulateur de MPSoC hétérogène d'une puissance estimé à un Tera opérations par seconde.

La estimación y verificación de las prestaciones de los diseños de sistemas embebidos de la forma más rápida posible al principio del proceso de diseño es un hito de gran importancia. Por ello, esta tesis propone una nueva solución basada en simulación por anotación de código fuente, que a costa de algo de precisión, permite realizar simulaciones muy rápidas con un mínimo esfuerzo de diseño. La primera tarea realizada en esta tesis ha sido extender el lenguaje SystemC para incluir primitivas de un sistema operativo de tiempo real(RTOS) que permiten la ejecución y el refinado de módulos software. La segunda parte de la tesis se ha centrado en la generación de una librería capaz de obtener datos dinámicamente sobre las prestaciones temporales de dichos sistemas a partir del código fuente, para poder verificar el cumplimiento de las características requeridas. Junto con los elementos SW se han desarrollado componentes SystemC de alto nivel capaces de modelar los elementos principales de un sistema embebido, como buses, memorias, redes de comunicaciones, etc. Por último se han desarrollado los componentes necesarios para poder incluir toda esta infraestructura en procesos de exploración automática del proceso de diseño, de forma que en base a descripciones iniciales del sistema en formato XML. La infraestructura de simulación y estimación de rendimiento ha sido desarrollada y probada en diversos proyectos europeos. / Estimating and verifying system performance of embedded designs at the beginning of the design process is a very important task. Fast estimation tools are required in order to evaluate different design possibilities, such as HW/SW partitioning or resource allocation, to verify the fulfillment of the system constraints, or to support design space exploration flows. In this context, the thesis proposes a tool capable of simulating embedded systems using source code annotation. As a consequence, fast estimations are obtained with minimal design effort, obtaining an adequate accuracy. For developing such tool several tasks has been performed. First, the SystemC language has been extended to provide the designer with a model of a real-time operating system. This model enables the correct simulation, scheduling and debugging of embedded SW. The second element added is an infrastructure capable of estimating and annotating performance information for each basic block in the source code. This infrastructure enables obtaining timed simulations of the SW. Additionally generic TLM elements have been developed to enable creating models of the HW platforms. Finally, additional components has been developed to use the proposed tool in a complete Design Space Exploration flow. The simulation infrastructure has been developed and checked in several European projects, and in collaboration with private companies.

Les systemes monopuce deviennent de plus en plus complexes, integrant composants a la fois logiciels et materiels dans le but de procurer une capacite de calcul croissante aux applications embarquees. L'interconnexion des composants devient un element crucial de la conception ; il fournit aux concepteursdes fonctionalites avancees telles qu'operations atomiques, transactions paralleles et primitives de communication permettant des systemes securises. Le concept de reseau sur puce s'impose comme element de communicationpour les architectures d'interconnexion des systemes de la prochaine generation. Le role des reseaux sur puce consiste a remplacer les bus partages dont la mise a l'echelle comporte de serieux problemes de conception et represente un goulot d'etranglement pour le systeme global. La modelisation d'un reseau sur puce est une tache extremement complexe ; ces modeles doivent etre a la fois rapides en terme d'execution, precis et il doivent exporter des interfaces standard an d'en ameliorer la reutilisation. Les principales contributions de cet ouvrage sont representees par : (1) le developpement d'un simulateur de reseaux sur puce complet, precis au cycle pres, base sur OCCN, un logiciel de simulation libre disponible sur sourceforge a l'adresse http://occn.sourceforge.net , (2) l'integration de plusieurs environnements de simulation heterogenes en plate-formes tres complexes utilisees pour etudier des systemes monopuce reels produits par STMicroelectronics et (3) une connaissance complete des concepts sous-jacents aux reseaux sur puce qui a apporte une contribution importante au developpement de STNoC., la nouvelle technologie d'interconnexion de STMicroelectronics developpee au sein du laboratoire Advanced System Technology (AST) de Grenoble. L'environnement de modelisation realise a ete utilise pour l'etude de deux systemes monopuce reels developpes par STMicroelectronics orientes vers la television numerique a tres haute denition (HDTV).

The continuous miniaturization of electronic systems using the three-dimensional (3D) integration technique has brought in new challenges for the computer-aided design and modeling of 3D integrated circuits (ICs) and systems. The major challenges for the modeling and analysis of 3D integrated systems mainly stem from four aspects: (a) the interaction between the electrical and thermal domains in an integrated system, (b) the increasing modeling complexity arising from 3D systems requires the development of multiscale techniques for the modeling and analysis of DC voltage drop, thermal gradients, and electromagnetic behaviors, (c) efficient modeling of microfluidic cooling, and (d) the demand of performing fast thermal simulation with varying design parameters. Addressing these challenges for the electrical/thermal modeling and analysis of 3D systems necessitates the development of novel numerical modeling methods. This dissertation mainly focuses on developing efficient electrical and thermal numerical modeling and co-simulation methods for 3D integrated systems. The developed numerical methods can be classified into three categories. The first category aims to investigate the interaction between electrical and thermal characteristics for power delivery networks (PDNs) in steady state and the thermal effect on characteristics of through-silicon via (TSV) arrays at high frequencies. The steady-state electrical-thermal interaction for PDNs is addressed by developing a voltage drop-thermal co-simulation method while the thermal effect on TSV characteristics is studied by proposing a thermal-electrical analysis approach for TSV arrays. The second category of numerical methods focuses on developing multiscale modeling approaches for the voltage drop and thermal analysis. A multiscale modeling method based on the finite-element non-conformal domain decomposition technique has been developed for the voltage drop and thermal analysis of 3D systems. The proposed method allows the modeling of a 3D multiscale system using independent mesh grids in sub-domains. As a result, the system unknowns can be greatly reduced. In addition, to improve the simulation efficiency, the cascadic multigrid solving approach has been adopted for the voltage drop-thermal co-simulation with a large number of unknowns. The focus of the last category is to develop fast thermal simulation methods using compact models and model order reduction (MOR). To overcome the computational cost using the computational fluid dynamics simulation, a finite-volume compact thermal model has been developed for the microchannel-based fluidic cooling. This compact thermal model enables the fast thermal simulation of 3D ICs with a large number of microchannels for early-stage design. In addition, a system-level thermal modeling method using domain decomposition and model order reduction is developed for both the steady-state and transient thermal analysis. The proposed approach can efficiently support thermal modeling with varying design parameters without using parameterized MOR techniques.