De nos jours, la conception des systèmes sur puce devient de plus en plus complexe, et requiert des densités de mémoire sans cesse grandissantes. Pour ce faire, une forte miniaturisation des nœuds technologiques s’opère. Les mémoires non-volatiles résistives, tels que les RRAM, PC-RAM ou MRAM se présentent comme des alternatives technologiques afin d'assurer à la fois une densité suffisante et des faibles contraintes en surface, en latence, et en consommation à l’échelle nanométrique. Cependant, la variabilité croissante de ces cellules mémoires ainsi que des circuits en périphérie, tels que des circuits de lecture, est un problème majeur à prendre en considération. Cette thèse consiste en une étude détaillée et une aide à la compréhension de la problématique de variabilité appliquée aux circuits de lecture pour mémoires résistives. Elle propose des solutions d’amélioration de la fiabilité de lecture de ces mémoires. Pour ce faire, diverses études ont été réalisées : revue générale des solutions existantes d’amélioration du rendement de lecture, au niveau circuit et système ; développement d’un modèle statistique évaluant la contribution à la marge de lecture de la variabilité de chaque composante du chemin de lecture de la mémoire résistive ; analyse, caractérisation, modélisation et optimisation de l’offset d’un amplificateur de lecture dynamique pour mémoires résistives ; proposition d’architecture d’amplificateur de lecture permettant un rapport signal à offset optimum. / Nowadays, Systems on chip (SoCs) conception is becoming more and more complex and demand an ever-increasing amount of memory capacity. This leads to aggressive bit cell technology scaling. Nonvolatile resistive memories (PC-RAM, RRAM, MRAM) are promising technologic alternatives to ensure both high density, low power consumption, low area and low latencies. However, scaling lead to significant memory cell and/or memory periphery variability. This thesis aims to address variability issues in read circuitries of resistive memories and propose solutions for read yield enhancement of these memories. To this end, several sub-studies were achieved: overall review of the existing solutions for read yield enhancement, at both circuit and system level; development of a statistical model evaluating the contributions to read margin of the variability of each component of the resistive memory sensing path; analysis, characterization modelling and optimization of the offset of one particular dynamic sense amplifier for resistive memories; proposal of a sense amplifier architecture that features an optimum signal to offset ratio.

Alors que les mémoires non-volatiles conventionnelles, telles que les mémoires flash à grille flottante, deviennent de plus en plus complexes à intégrer et souffrent de performances et d’une fiabilité de plus en plus réduite, les mémoires à variation de résistance (RRAM) telles que les OxRAM, CBRAM, MRAM ou PCM sont vues dans la communauté scientifique comme une alternative crédible. Cependant, les architectures de RRAM standard (telles que la 1Transistor-1RRAM) ne sont pas compétitives avec les mémoires flash sur le terrain de la densité. Ainsi, cette thèse se propose d’explorer le potentiel des architectures RRAM sans transistor que sont l’architecture Crosspoint et l’architecture VRRAM.Dans un premier temps, le positionnement des architectures Crosspoint et VRRAM dans la hiérarchie mémoire est étudié. De nouvelles problématiques, telles que les courant de sneakpath, la chute de tension dans les métaux ou la surface des circuits périphériques sont identifiées et modélisées. Dans un second temps, des solutions circuit répondant aux problématiques évoquées précédemment sont proposées. Finalement, cette thèse se propose d’explorer les opportunités ouvertes par l’utilisation de transistors innovants pour améliorer la densité ou les performances des architectures mémoires utilisant des RRAM. / While conventional non-volatiles memories, such as floating gate Flash memories, are becoming more and more difficult and costly to integrate and suffer of reduced performances and reliability, emerging resistive switching memories (RRAM), such as OxRAM, CBRAM, MRAM or PCM, are seen in the scientific community as a good way for tomorrow’s high-density memories. However, standard RRAM architectures (such as 1 Transistor-1 RRAM) are not competitive with flash technology in terms of density. Thereby, this thesis proposes to explore the opportunities opened by transistor-less RRAM architectures: Crosspoint and Vertical RRAM (VRRAM) architectures.First, the positioning of Crosspoint and VRRAM architectures in the memory hierarchy is studied. New constraints such as the sneakpath currents, the voltage drop through the metal lines or the periphery area overhead are identified and modeled. In a second time, circuit solutions answering to previously mentioned effects are proposed. Finally, this thesis proposes to explore new opportunities opened by the use of innovative transistors to improve the density or the performances of RRAM-based memory architectures.

L'évolution constante des applications et le besoin toujours croissant de performances imposent le développement de nouvelles architectures compétitives et évolutives au sein de systèmes reconfigurables dynamiquement sur puces. Ces contraintes ont amené à une complexification des architectures, de leurs mécanismes de reconfiguration et de leur conception. De manière à répondre efficacement à ce problème, des plate-formes de développement ont été conçues et permettent ainsi d'automatiser certains processus constituant la chaîne de conception d'une architecture. Cela est rendu possible par l'intermédiaire d'un langage de description haut niveau (ADL) qui permet, par une spécification rapide de certains paramètres matériels, de procéder rapidement à la génération d'une architecture et de ses outils de développement adaptés tels que des outils de simulation, de compilation ou encore de synthèse. Cette thèse se place dans le contexte de la modélisation haut niveau des architectures ainsi que dans le contexte de l'aide à la conception et à l'exploration d'architectures reconfigurables dynamiquement. Ce document présente la plate-forme de développement Mozaïc dont l'objectif est de permettre la conception d'architectures reconfigurables dynamiquement par l'introduction automatique de ressources matérielles dédiées et adaptées. Dans une première partie, nous détaillons les concepts de reconfiguration dynamique qui ont été développés et mis en oeuvre dans Mozaïc. Dans une deuxième partie, nous présentons le langage de description haut niveau xMAML qui permet la spécification de l'architecture et de l'exploitation efficace des mécanismes précédemment présentés. Ce langage est basé sur l'ADL MAML développé à l'université d'Erlangen, auquel nous avons ajouté certains paramètres de spécifications nécessaires à la mise en oeuvre de la reconfiguration dynamique ainsi qu'à la spécification d'architectures hétérogènes. Enfin, dans un dernier chapitre, nous présentons les différentes phases de développement, et les outils associés, de deux architectures reconfigurables dynamiquement que sont les FPGAs et le processeur reconfigurable DART. Cette présentation inclut les phases d'exploration et l'implémentation d'un décodeur WCDMA par reconfiguration dynamique sur le FPGA modélisé par xMAML.

Cette thèse explore les possibilités algorithmiques offertes par la synthèse de haut niveau de circuits dans le cadre de la logique synchrone et à destination d'une Mémoire Active Programmable. Une chaîne de compilation expérimentale permettant de générer automatiquement un circuit reconfigurable à partir d'une spécification de haut niveau y est présentée. Le langage de haut niveau est DSL (Design Source Language). DSL est basé sur le langage fonctionnel Jazz. DSL permet de décrire tout type de circuit dans le modèle de la logique synchrone, d'en faire la simulation et la synthèse, puis de l'exécuter sur une Mémoire Active Programmable. Le compilateur procède par étapes successives pour synthétiser un circuit à partir de son code-source de haut niveau. Chacune des étapes de la compilation génère des annotations qui précisent les propriétés du circuit jusqu'à une forme synthétisable. Les annotations sont pour la plupart ajoutées automatiquement par le compilateur mais sont partie intégrante de la syntaxe de DSL et peuvent ainsi être précisées par le concepteur. DSL prend en charge la génération automatique de l'ensemble des routines systèmes qui permettent au circuit de communiquer avec son hôte. Ce système de prototypage et d'accélération matérielle automatique sur PAM est testé sur des circuits variés, comme des algorithmes de tramage, d'estimation de mouvement et de détection des points de Harris.

La Non-Linéarité-Différentielle (NLD) et la Non-Linéarité-Intégrale (NLI) sont les performances statiques les plus importantes des Convertisseurs Analogique-Numérique (CAN) qui sont mesurées lors d'un test de production. Ces deux performances indiquent la déviation de la fonction de transfert du CAN par rapport au cas idéal. Elles sont obtenues en appliquant une rampe ou une sinusoïde lente au CAN et en calculant le nombre d'occurrences de chacun des codes du CAN.Ceci permet la construction de l'histogramme qui permet l'extraction de la NLD et la NLI. Cette approche requiert lacollection d'une quantité importante de données puisque chacun des codes doit être traversé plusieurs fois afin de moyenner le bruit et la quantité de données nécessaire augmente exponentiellement avec la résolution du CAN sous test. En effet,malgré que les circuits analogiques et mixtes occupent une surface qui n'excède pas généralement 5% de la surface globald'un System-on-Chip (SoC), leur temps de test représente souvent plus que 30% du temps de test global. Pour cette raison, la réduction du temps de test des CANs est un domaine de recherche qui attire de plus en plus d'attention et qui est en train deprendre de l'ampleur. Les CAN de type pipeline offrent un bon compromis entre la vitesse, la résolution et la consommation.Ils sont convenables pour une variété d'applications et sont typiquement utilisés dans les SoCs destinés à des applicationsvidéo. En raison de leur façon particulière du traitement du signal d'entrée, les CAN de type pipeline ont des codes de sortiequi ont la même largeur. Par conséquent, au lieu de considérer tous les codes lors du test, il est possible de se limiter à un sous-ensemble, ce qui permet de réduire considérablement le temps de test. Dans ce travail, une technique pour l'applicationdu test à code réduit pour les CANs de type pipeline est proposée. Elle exploite principalement deux propriétés de ce type deCAN et permet d'obtenir une très bonne estimation des performances statiques. La technique est validée expérimentalementsur un CAN 11-bit, 55nm de STMicroelectronics, obtenant une estimation de la NLD et de la NLI pratiquement identiques àla NLD et la NLI obtenues par la méthode classique d'histogramme, en utilisant la mesure de seulement 6% des codes.

Le travail présenté dans cette thèse est centré sur l'étude du bruit hyperfréquence lorsque les composants et circuits actifs sont soumis à de forts signaux. Ceci peut être le cas des amplificateurs faible bruit utilisés dans les récepteurs large bande qui seront désensibilisés. Les mélangeurs et les oscillateurs sont aussi à considérer. La première partie de cette thèse est consacrée à la présentation d'un modèle comportemental permettant de prévoir notamment l'interaction entre un signal sinusoïdal et un bruit blanc. Le modèle théorique est confronté avec des mesures effectuées pour différentes conditions de fonctionnement et l'accord obtenu est satisfaisant. Plusieurs amplificateurs sont ainsi comparés et le modèle comportemental est utilisé pour étudier leur bruit propre. La seconde partie aborde les techniques de mesure développées au cours de nos travaux pour mesurer le facteur de bruit et les paramètres de bruit de dispositifs micro-ondes en présence d'un fort signal. Nous proposons ensuite une méthode originale permettant de déterminer les quatre paramètres de bruit de transistors et d'amplificateurs fonctionnant en régime non-linéaire. Les résultats obtenus sont comparés de manière indirecte avec des mesures de bruit de phase résiduel. La dernière partie concerne la conception d'amplificateurs faible bruit en régime de fonctionnement non-linéaire. Différents transistors bipolaires sur silicium ont ainsi été caractérisés et un facteur de mérite a été trouvé de manière à choisir le meilleur composant en terme de facteur de bruit et de linéarité. Finalement les résultats de simulation démontrent l'intérêt de concevoir des circuits faible bruit qui fonctionnent en régime fortement non-linéaire.

Cette thèse discute le problème de test de production en grand volume des circuits radio-fréquences (RF) et à ondes millimétriques (mm-wave). Le test des fonctionnalités RF et à ondes millimétriques est très onéreux. Le test intégré est une alternative prometteuse pour faciliter la procédure et réduire les couts, mais il est difficile à mettre en œuvre car il ne faut en aucun cas qu'il réduit la performance du circuit sous test (CUT). Dans cette thèse, nous étudions une technique du test intégré qui repose sur l'utilisation de capteurs non-intrusifs qui prend en compte la variabilité du procédé de fabrication. Cette technique est extrêmement intéressante pour les concepteurs des circuits RF et mm-wave car il leur permet de dissocier le test de la conception. Les capteurs non-intrusifs sont constitués d'étages analogiques triviaux et de composants simples qui sont copiés de la topologie du CUT et sont placés sur la puce à proximité du CUT. Ils offrent simplement une "image" des variations du procédé de fabrication, ce qui leur permet de suivre les variations de performance du CUT. En substance, cette technique tire parti des phénomènes non désirés de variabilité de procédé de fabrication. Le paradigme du test alternatif est utilisé pour estimer les performances du CUT à partir des mesures des capteurs non intrusifs, afin de remplacer les tests standards qui mesurent les performances directement. Ce principe de test est appliqué à deux différents CUTs, nommément un amplificateur à bas bruit à 2.4GHz réalisé en CMOS 65nm et un amplificateur à bas bruit large bande à 60GHz réalisé en CMOS 65nm. Nous démontrons qu'en ajoutant quelques capteurs non-intrusifs sur la puce, qui n'engendrent pratiquement pas de surcout de surface, et en obtenant de ces capteurs non-intrusifs certaines mesures dans le domaine continu et à basse fréquence, nous sommes capable de suivre les variations de toutes les performances du CUT avec une erreur de prédiction moyenne inférieure à l’écart-type de la performance, et une erreur de prédiction maximum qui est inférieure ou au moins comparable aux erreurs de mesure dans un équipement de test automatisé conventionnel. / This thesis addresses the high-volume production test problem for RF and millimeter-wave (mm-wave) circuits. Testing the RF/mm-wave functions of systems-on-chip (SoCs) incurs a very high cost. Built-in test is a promising alternative to facilitate testing and reduce costs, but it is challenging since it should by no means degrade the performance of the Circuit Under Test (CUT). In this work, we study a built-in test technique which is based on non-intrusive variation-aware sensors. The non-intrusive property is very appealing for designers since the sensors are totally transparent to the design and, thereby, the test is completely dissociated from the design. The non-intrusive sensors are dummy analog stages and single layout components that are copied from the topology of the CUT and are placed on the die in close physical proximity to the CUT. They simply offer an “image” of process variations and by virtue of this they are capable of tracking variations in the performances of the CUT. In essence, the technique capitalizes on the undesired phenomenon of process variations. The alternate test paradigm is employed to map the outputs of the non-intrusive sensors to the performances of the CUT, in order to replace the standard tests for measuring the performances directly. The proposed test idea is applied to two different CUTs, namely a 2.4GHz CMOS 65nm inductive degenerated Low-Noise Amplifier (LNA) and a wide-band mm-wave 60GHz CMOS 65nm 3-stage LNA. We demonstrate that by adding on-chip a few non-intrusive sensors of practically zero area-overhead and by obtaining on these non-intrusive sensors DC or low-frequency measurements, we are able to track variations in all performances of the CUT with an average prediction error lower than one standard deviation of the performance and a maximum prediction error that is lower or at least comparable to the measurement and repeatability errors in a conventional Automatic Test Equipment (ATE) environment.

Grace aux récents développements des technologies d’intégration, il est aujourd’hui possible d’envisager la réalisation de circuits et systèmes intégrés sur Silicium fonctionnant à des fréquences auparavant inatteignables. Par conséquence, depuis quelques années, on assiste à la naissance de nouvelles applications en bande millimétrique, comme la communication sans fil à haut-débit à 60GHz, les radars automobiles à 76-77 et 79-82GHz, et l’imagerie millimétrique à 94GHz.Cette thèse vise, en premier lieu, à la définition d’une méthodologie de conception des circuits intégrés en bande millimétrique. Elle est par la suite validée au travers de son application à la conception des amplificateurs faible-bruit en technologie BiCMOS SiGe. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée au développement d’une stratégie de conception et de modélisation des inductances localisées. Plusieurs exemples d’amplificateurs faible-bruit ont été réalisés, à un ou deux étages, employant des composants inductifs localisés ou distribués, à 60, 80 et 94 GHz. Tous ces circuits présentent des caractéristiques au niveau de l’état de l’art dans le domaine, ainsi en confirmant l’exactitude de la méthodologie de conception et son efficacité sur toute la planche de fréquence considérée. En outre, la réalisation d’un récepteur intégré pour applications automobiles à 80GHz est aussi décrite comme exemple d’une possible application système, ainsi que la co-intégration d’un amplificateur faible-bruit avec une antenne patch millimétrique intégrée sur Silicium. / The interest towards millimeter waves has rapidly grown up during the last few years, leading to the development of a large number of potential applications in the millimeter wave band, such as WPANs and high data rate wireless communications at 60GHz, short and long range radar at 77-79GHz, and imaging systems at 94GHz.Furthermore, the high frequency performances of silicon active devices (bipolar and CMOS) have dramatically increased featuring both fT and fmax close or even higher than 200GHz. As a consequence, modern silicon technologies can now address the demand of low-cost and high-volume production of systems and circuits operating within the millimeter wave range. Nevertheless, millimeter wave design still requires special techniques and methodologies to overcome a large number of constraints which appear along with the augmentation of the operative frequency.The aim of this thesis is to define a design methodology for integrated circuits operating at millimeter wave and to provide an experimental validation of the methodology, as exhaustive as possible, focusing on the design of low noise amplifiers (LNAs) as a case of study.Several examples of LNAs, operating at 60, 80, and 94 GHz, have been realized. All the tested circuits exhibit performances in the state of art. In particular, a good agreement between measured data and post-layout simulations has been repeatedly observed, demonstrating the exactitude of the proposed design methodology and its reliability over the entire millimeter wave spectrum. A particular attention has been addressed to the implementation of inductors as lumped devices and – in order to evaluate the benefits of the lumped design – two versions of a single-stage 80GHz LNA have been realized using, respectively, distributed transmission lines and lumped inductors. The direct comparison of these circuits has proved that the two design approaches have the same potentialities. As a matter of fact, design based on lumped inductors instead of distributed elements is to be preferred, since it has the valuable advantage of a significant reduction of the circuit dimensions.Finally, the design of an 80GHz front-end and the co-integration of a LNA with an integrated antenna are also considered, opening the way to the implementation a fully integrated receiver.

Ces travaux de thèse portent sur l'accélération de calculs de la cryptographie sur courbes elliptiques (ECC) grâce à une représentation peu habituelle des nombres, appelée représentation modulaire des nombres (ou RNS pour residue number system). Après un état de l'art de l'utilisation du RNS en cryptographie, plusieurs nouveaux algorithmes RNS, plus rapides que ceux de l'état de l'art, sont présentés. Premièrement, nous avons proposé un nouvel algorithme d'inversion modulaire en RNS. Les performances de notre algorithme ont été validées via une implantation FPGA, résultant en une inversion modulaire 5 à 12 fois plus rapide que l'état de l'art, pour les paramètres cryptographiques testés. Deuxièmement, un algorithme de multiplication modulaire RNS a été proposé. Cet algorithme décompose les valeurs en entrée et les calculs, afin de pouvoir réutiliser certaines parties lorsque c'est possible, par exemple lors du calcul d'un carré. Il permet de réduire de près de 25 % le nombre de pré-calculs à stocker et jusqu'à 10 % le nombre de multiplications élémentaires pour certaines applications cryptographiques (p. ex. le logarithme discret). Un algorithme d'exponentiation reprenant les mêmes idées est aussi présenté, réduisant le nombre de multiplications élémentaires de 15 à 22 %, contre un surcoût en pré-calculs à stocker. Troisièmement, un autre algorithme de multiplication modulaire RNS est proposé, ne nécessitant qu'une seule base RNS au lieu de 2 pour l'état de l'art, et utilisable uniquement dans le cadre ECC. Cet algorithme permet, pour certains corps bien spécifiques, de diviser par 2 le nombre de multiplications élémentaires et par 4 les pré-calculs à stocker. Les premiers résultats FPGA donnent des implantations de notre algorithme jusqu'à 2 fois plus petites que celles de l'algorithme de l'état de l'art, pour un surcoût en temps d'au plus 10 %. Finalement, une méthode permettant des tests de divisibilités multiples rapides est proposée, pouvant être utilisée en matériel pour un recodage de scalaire, accélérant certains calculs pour ECC. / The main objective of this PhD thesis is to speedup elliptic curve cryptography (ECC) computations, using the residue number system (RNS). A state-of-art of RNS for cryptographic computations is presented. Then, several new RNS algorithms, faster than state-of-art ones, are proposed. First, a new RNS modular inversion algorithm is presented. This algorithm leads to implementations from 5 to 12 times faster than state-of-art ones, for the standard cryptographic parameters evaluated. Second, a new algorithm for RNS modular multiplication is proposed. In this algorithm, computations are split into independant parts, which can be reused in some computations when operands are reused, for instance to perform a square. It reduces the number of precomputations by 25 % and the number of elementary multiplications up to 10 %, for some cryptographic applications (for example with the discrete logarithm). Using the same idea, an exponentiation algorithm is also proposed. It reduces from 15 % to 22 % the number of elementary multiplications, but requires more precomputations than state-of-art. Third, another modular multiplication algorithm is presented, requiring only one RNS base, instead of 2 for the state-of-art. This algorithm can be used for ECC and well-chosen fields, it divides by 2 the number of elementary multiplications, and by 4 the number of precomputations to store. Partial FPGA implementations of our algorithm halves the area, for a computation time overhead of, at worse, 10 %, compared to state-of-art algorithms. Finally, a method for fast multiple divisibility tests is presented, which can be used in hardware for scalar recoding to accelerate some ECC computations.

Cette thèse vise à développer des stratégies permettant d'augmenter la puissance du calcul séquentiel et des systèmes distribués, elle traite en particulier, la décomposition séquentielle des opérations ainsi que des systèmes d'édition collaboratifs décentralisés. La croissance rapide de l'utilisation des nouvelles technologies informatiques résulte de la nécessité d'avoir des performances élevées, dans tout domaine lié au calcul informatique. Une telle quête de performances a abouti à une plus grande complexité dans les architectures informatiques, conduisant à un stress non négligeable dans la technologie des compilateurs. De puissants microprocesseurs se trouvent au cœur de toute machine informatique, allant des serveurs et ordinateurs personnels, aux ordinateurs portables, jusqu'aux téléphones cellulaires " iPhone ". En effet, l'augmentation incessante des performances constitue un défi permanent dans les sciences informatiques. Par ailleurs, le développement rapide des réseaux informatiques a conduit à un progrès vers une édition collaborative en temps réel (RCE). Cette dernière permet à des groupes d'utilisateurs l'édition simultanée de documents partagés résidant dans des sites physiques dispersés, mais interconnectés par un réseau informatique. Dans de tels systèmes distribués, les conflits liés aux communications sont un défi à relever. De ce fait, la communication indexée devient une nécessité absolue. Nous introduisons, une méthode d'indexage avec précision contrôlée. Celle-ci permet la génération d'identifiants uniques utilisés dans l'indexage des communications dans les systèmes distribués, plus particulièrement dans les systèmes d'édition collaboratifs décentralisés. Ces identifiants sont des nombres réels avec un motif de précision contrôlé. Un ensemble fini d'identifiants est conservé pour permettre le calcul de cardinalités locales et globales. Cette propriété joue un rôle prépondérant dans la gestion des communications indexées. De plus, d'autres propriétés incluant la préservation de l'ordre sont observées. La méthode d'indexage a été testée et vérifiée avec succès. Ceci a permis la conception d'un système d'édition collaboratif décentralisé. Aussi, nous explorons les stratégies existantes, relatives a la décomposition séquentielle d'opérations, que nous étendons à de nouvelles stratégies. Ces stratégies mènent à une optimisation (processeur, compilateur, mémoire, code). Ces styles de décomposition portent un intérêt majeur à la communauté scientifique. Des recherches et des implémentations de plus en plus rapides résultent de la conception d'unité arithmétique.