La technologie de réseau cellulaire de 5ème génération (5G) sera le réseau supportant l'Internet des objets (IoT). Elle a introduit une fonctionnalité majeure, communications appareil-à-appareil (D2D), que permettent communications sans fil à consommation d'énergie restreinte en interagissant à proximité et à puissance d'émission plus faible. La coopération entre appareils suscit donc un intérêt considérable pour l'énergie, et peut être utilisé en conjonction avec la récupération d'énergie pour prolonger la durée de vie des appareils. Les programmes de coopération renforcent la mise en réseau d'un appareil à l'autre, ce qui accroît la nécessité d'exécuter des mécanismes de sécurité pour assurer la protection des données et les relations de confiance entre les nœuds du réseau.Ces mécanismes sont fondamentaux pour la protection contre les attaques malveillantes mais elles représentent aussi une importante consommation d'énergie, souvent négligée en raison de l'importance de la protection des données. L'établissement d'un canal securisé peut être coûteux en termes d'utilisation du CPU, la mémoire et la consommation d'énergie, surtout si les appareils sont limités en ressources. La confidentialité et l’intégrité des données ont un faible coût énergétique, mais sont utilisées en permanence. Il est donc nécessaire de quantifier la consommation d'énergie engendrée par la sécurité d'un appareil. Un modèle énergétique basé sur la sécurité est proposé pour répondre à cet objectif.Dans les réseaux composés d'équipements d'utilisateurs (UE), la mobilité est une caractéristique clé. Elle peut agir sur la connexion à proximité d'objets IoT, étendant la couverture 5G vers l'IoT via les UEs. Une solution d'authentification légère est présentée qui permet par l'authentification directe et des communications UE-IoT, d'étendre la couverture et réaliser des économies d'énergie potentielles importantes. Cette approche peut être particulièrement utile en cas de catastrophe où l'infrastructure réseau peut ne pas être disponible.La condentialité et l'authentification des données sont une source de consommation d'énergie importante. Les appareils équipés avec équipements de collecte d'énergie (EH) peuvent avoir un excédent ou un déficit d'énergie. La sécurité appliquée peut donc être ajustée en fonction de l'énergie disponible d'un appareil, en introduisant l'établissement de canal sécurisé qui tient compte de la consommation d'énergie. Après avoir étudié en profondeur les normes 5G, il a été constaté que les réseaux d'UE D2D utilisant ce type de norme dépenseraient une quantité importante d'énergie et seraient généralement moins sûr. Un mécanisme léger de recléage est donc proposé pour réduire les coûts liés cette adaptation. Pour compléter le concept de canal sécurisé prenant en compte l'énergie et le mécanisme de recléage, une méthode de bootstrapping des paramètres de sécurité est également présentée. Le méthode désigne le cœur du réseau (CN) comme responsable de la politique de sécurité, rend l'ensemble du réseau plus sûr et aide à prévenir les pannes de communication. L'adaptation susvisé requiert l'étude du compromis entre l’énergie et sécurité. À cette fin, un processus décisionnel de Markov (MDP) modélisant un canal de communication est présenté lorsqu'un agent choisit les éléments de sécurité à appliquer aux paquets transmis. Ce problème d'optimisation du contrôle stochastique est résolu par plusieurs algorithmes de programmation dynamique et d’apprentissage par le renforcement (RL). Les résultats montrent que l'adaptation susvisé peut prolonger de manière significative la durée de vie de l'équipement et de la batterie, et améliore la fiabilité des données tout en offrant des fonctions de sécurité. Une étude comparative est présentée pour les différents algorithmes RL. Puis une approche d'apprentissage Q-profond (DQL) est proposé que améliore la vitesse d'apprentissage de l'agent et la fiabilité des données. / The 5th Generation Cellular Network Technology (5G) will be the network supporting the Internet of Things (IoT) and it introduced a major feature, Device-to-Device (D2D) communications. D2D allows energy-constrained wireless devices to save energy by interacting in proximity at a lower transmission power. Cooperation and device-assisted networking therefore raise signicant interest with respect to energy saving, and can be used in conjunction with energy harvesting to prolong the lifetime of battery-powered devices. However, cooperation schemes increase networking between devices, increasing the need for security mechanisms to be executed to assure data protection and trust relations between network nodes. This leads to the use of cryptographic primitives and security mechanisms with a much higher frequency.Security mechanisms are fundamental for protection against malicious actions but they also represent an important source of energy consumption, often neglected due to the importance of data protection. Authentication procedures for secure channel establishment can be computationally and energetically expensive, especially if the devices are resource constrained. Security features such as condentiality and data authentication have a low energetic cost but are used constantly in a device engaged in data exchanges. It is therefore necessary to properly quantify the energy consumption due to security in a device. A security based energy model is proposed to achieve this goal.In User Equipment (UE) D2D networks, mobility is a key characteristic. It can be explored for connecting directly in proximity with IoT objects. A lightweight authentication solution is presented that allows direct UE-IoT communications, extending coverage and potentially saving signicant energy amounts. This approach can be particularly useful in Public Protection and Disaster Relief (PPDR) scenarios where the network infrastructure may not be available.Security features such as condentiality or data authentication are a significant source of consumption. Devices equipped with Energy Harvesting (EH) hardware can have a surplus or a deficit of energy. The applied security can therefore be adjusted to the available energy of a device, introducing an energy aware secure channel. After in depth analysis of 5G standards, it was found that D2D UE networks using this type of channel would spend a signicant amount of energy and be generally less secure. A lightweight rekeying mechanism is therefore proposed to reduce the security overhead of adapting security to energy. To complete the proposed rekeying mechanism, a security parameter bootstrapping method is also presented. The method denes the Core Network (CN) as the security policy maker, makes the overall network more secure and helps preventing communication outages.Adapting security features to energy levels raises the need for the study of the energy/security tradeoff. To this goal, an Markov Decision Process (MDP) modeling a communication channel is presented where an agent chooses the security features to apply to transmitted packets. This stochastic control optimization problem is solved via several dynamic programming and Reinforcement Learning (RL) algorithms. Results show that adapting security features to the available energy can signicantly prolong battery lifetime, improve data reliability while still providing security features. A comparative study is also presented for the different RL learning algorithms. Then a Deep Q-Learning (DQL) approach is presented and tested to improve the learning speed of the agent. Results confirm the faster learning speed. The approach is then tested under difficult EH hardware stability. Results show robust learning properties and excellent security decision making from the agent with a direct impact on data reliability. Finally, a memory footprint comparison is made to demonstrate the feasibility of the presented system even on resource constrained devices.

La récupération d'énergie mécanique de vibration à l’aide de transducteurs à capacité variable mène à l’étude de systèmes non linéaires complexes, mais présente des perspectives applicatives très prometteuses. Notre travail a porté sur l’étude d’une nouvelle famille de circuits d'interface pour transducteurs capacitifs. Entre autres avantages, ces circuits sont réalisables avec des rendements élevés à très basse puissance, typiquement dès quelques dizaines de nano-watts de puissance moyenne, ce qui les distingue des solutions présentées dans de l’état de l’art. De plus, Les circuits étudiés dans cette thèse ne contiennent aucun composant magnétique, ce qui constitue un atout considérable en termes de miniaturisation et d’intégration et permet eu outre la compatibilité avec l’imagerie par résonance magnétique. Les différentes structures qui constituent la famille de circuits proposés permettent de répondre à différentes contraintes imposées par le transducteur capacitif, en particulier le rapport des capacités maximale et minimale Cmax/Cmin. A partir d’une tension de sortie donnée, la tension appliquée sur le transducteur capacitif peut être modifiée en utilisant différents circuits ou en utilisant un circuit unique dont la topologie est modifiée à l’aide d’un interrupteur électronique. Les modèles théoriques développés prennent en compte le couplage électromécanique du transducteur de manière à décrire le comportement global des systèmes étudiés. Les circuits étudiés ont été validés expérimentalement avec deux transducteurs capacitifs de structure différente. En pratique, le rendement de ces circuits est proche de 80% pour des puissances converties aussi basses que la centaine de nano watts. / The mechanic vibration energy harvesting using variable capacitance transducers leads to the study of complex nonlinear systems but has very promising application perspectives. Our work focused on the study of a new family of interface circuits for capacitive transducers. Among all the advantages, these circuits are achievable with high efficiencies at very low power, typically a few tens of nanowatts average power, which distinguishes them from the solutions presented in the state of the art. Moreover, the circuits studied in this thesis do not contain any magnetic components, which is a considerable asset in terms of miniaturization and integration and also allows compatibility with magnetic resonance imaging. The various structures which constitute the family of circuits proposed make it possible to satisfy various constraints imposed by the capacitive transducer, in particular, the ratio of the maximum and minimum capacities Cmax / Cmin. For a given output voltage, the voltage applied to the capacitive transducer can be varied by using different circuits or by using a single circuit whose topology is modified by the operation of an electronic switch. In order to describe the overall behavior of the studied systems, the electromechanical coupling of the transducer is taken into account in the developed theoretical models. The studied circuits have been validated experimentally with two capacitive transducers of different structure. In practice, the output of these circuits is close to 80% for converted powers as low as the hundred nanowatts.

Ce travail de recherche porte sur le développement et la mise au point d'un récupérateur d'énergie vibratoire MEMS à transduction capacitive dédié aux applications biomédicales et plus particulièrement aux stimulateurs cardiaques sans sondes autonomes. Cette application impose une miniaturisation poussée (volume inférieur à 1 cm³), une puissance de sortie dans la gamme allant de 1 à 10 µW et une compatibilité vis-à-vis des systèmes d'Imagerie à Résonance Magnétique (IRM). Ces contraintes ainsi que l'effet de la gravité ont été pris en compte sur tout le flot de conception afin d'obtenir un dispositif innovant en technologie MEMS silicium capable de fournir une puissance de sortie suffisante quelle que soit son orientation une fois implanté. Afin de convertir efficacement les battements cardiaques ayant un spectre étendu (de 1 à 50 Hz) pour une amplitude d'accélération faible (inférieure à 1 g), le système emploie des bras de suspension ayant une raideur non-linéaire ce qui permet d'étendre notablement la bande passante effective du système. Cette non-linéarité est ici induite de manière originale en faisant en sorte que la forme initiale des bras de suspension soit une combinaison linéaire des modes de déformée propre d'une poutre doublement encastrée. Un soin particulier a été apporté afin de modéliser ceci dans le but de prédire la réponse mécanique du système quels que soient les stimuli imposés. Afin de réaliser les différents dispositifs de test, une technologie MEMS de type SOG (Silicon-On-Glass) a été développée. Cette technologie permet d'obtenir des structures en silicium monocristallin avec un fort rapport d'aspect tout en limitant le budget thermique et se montre donc compatible avec une éventuelle industrialisation. Ceci a été prouvé via la réalisation de multiples véhicules de test qui se sont montrés totalement fonctionnels. Ainsi la pertinence des modèles théoriques permettant de prédire le comportement non-linéaire des ressorts employés a été prouvée de manière expérimentale. De même, les récupérateurs d'énergie réalisés ont été testés en régime harmonique mais également via des stimuli cardiaques et ont montré une large bande passante avec une puissance de sortie équivalente à celle donnée dans l'état de l'art et ce, quelle que soit leur orientation par rapport à la gravité. / Present work addresses question of MEMS capacitive vibrational energy harvesting for biomedical applications, and notably for powering an autonomous leadless pacemaker system. Such an application imposes several critical requirements upon the energy harvesting system, notably the sufficient miniaturization (<1cm³), power output in range of 1-10 µW, compatibility with Magnetic Resonant Imaging (MRI). This work addresses a problematic of MEMS energy harvester design, simulation, fabrication and characterization fulfilling such a requirement. Moreover, a gravity effect is studied and taken into account in the conception of the device to ensure the power output at various orientations of the harvester. To attain a heartbeat frequencies (1-50 Hz) and acceleration amplitudes (<1g), the use of nonlinear springs is proposed. A nonlinear stiffness is implemented in original way of introducing a natural bending mode shapes in the initial beam form. A mechanical description of bending mode coupling along with its impact on a reaction force of the suspension springs is presented. An innovative clean room technology based on silicon-on-glass (SOG) wafers is developed for the fabrication of the innovative energy harvesters with high width-to-depth aspect ratio. A straightforward and rapid low-temperature process with the possibility of future industrialization is validated by multiple experimental realizations of miniaturized MEMS energy harvesters. Fabricated microsystems are tested mechanically and electrically. Proposed theoretical model of the curved beam is validated with reactive force measurements of the MEMS springs. Energy harvesting experiments are performed for both harmonic and heartbeat mechanical excitations, which demonstrate the large bandwidth in low frequencies domain and a sufficiently large state-of-the-art power output for envisaged application under different orientations with respect to the gravity.

L'autonomie énergétique est un verrou majeur au déploiement massif de réseau de capteurs sans fil dans nombreuses applications. La récupération d'énergie et son stockage constituent une voie pour améliorer cette autonomie. Dans certaines applications en environnement sévère ou nécessitant des durées de vie élevées, l'utilisation de batteries pour le stockage est prohibée. On a alors recours à du stockage sur supercondensateurs. Ce type de stockage présente des inconvénients nécessitant un compromis entre 3 facteurs : la charge rapide des supercondensateurs (capacité faible), l'énergie maximale stockée (capacité forte) et la maximisation de l'usage de l'énergie stockée (tension résiduelle basse). Pour répondre à ces critères apparemment contradictoires, nous avons proposé trois architectures de stockage auto-adaptatif. La première est composée d'une matrice de quatre supercondensateurs identiques, interconnectés par des interrupteurs, dont la capacité équivalente s'adapte à l'énergie stockée. Les deuxième et troisième architectures sont constituées de deux supercondensateurs, l'une de capacité faible et l'autre de capacité grande, la différence entre les deux architectures étant liée au nombre et type d'interrupteurs utilisés. Les architectures de stockage auto-adaptatif que nous avons proposées incluent une circuiterie de contrôle appropriée autoalimentée et permettant de faire varier la capacité apparente du dispositif. De plus, chaque architecture permet un démarrage à froid avec des supercondensateurs complètement vides. Ces trois architectures ont d'abord été optimisées en simulation puis validées expérimentalement en composants discrets. Finalement, nous avons implémenté l'architecture de stockage auto-adaptatif à deux supercondensateurs au sein d'un système de mesure sans fil complet utilisant une source de récupération d'énergie et son électronique associée pour son alimentation et montré la pertinence de cette approche de stockage reconfigurable. En termes d'efficacité d'usage de l'énergie, elles permettent d'atteindre jusqu'à 94,7% en composants discrets, valeur qui pourrait être encore améliorée en version intégrée sur silicium à la fois pour la circuiterie de contrôle et les supercondensateurs. / Energy autonomy is a major challenge in the massive deployment of wireless sensor networks in numerous applications. Energy harvesting and storage can serve as solutions to the autonomy issues. However, the harsh environment of certain applications requires a long lifetime since the use of batteries for storage is prohibited. We then resort to storage on ultra-capacitors. This type of storage has disadvantages that require a compromise between 3 factors: the fast charge of ultra-capacitors (low capacity), the maximum energy storage (strong capacity), and the maximization of stored energy utilization (low residual voltage). To meet these seemingly contradictory criteria, we propose three self-adaptive storage architectures. The first consists of a matrix of four identical ultra-capacitors, interconnected by switches, whose equivalent capacity adapts to the stored energy. The second and third architectures consist of two ultra-capacitors, one of low capacity and the other of large capacity, the difference between the two architectures being related to the number and type of switches used. The self-adaptive storage architectures that we propose include a suitable self-powered control circuitry to vary the apparent capacity of the device. In addition, each architecture allows a cold start with completely empty ultra-capacitors. These three architectures were first optimized through simulation, and then validated experimentally with discrete components. Finally, we implemented the self-adaptive storage architecture with two ultra-capacitors in a completely wireless measurement system, using an energy harvesting source and its associated electronics for its power supply, and demonstrated the relevance of this approach of reconfigurable storage. In conclusion, we deduce that the topologies can reach an efficiency of energy usage of up to 94.7% by employing discrete components, a value that could be further improved through the exploitation of a silicon integrated version for both the control circuitry and the ultra-capacitors.

Au cours des dernières années, la croissance des architectures de réseaux de télécommunication a rapidement augmenté pour suivre un trafic en plein essor. En outre, leur consommation d'énergie est devenue un enjeu Important, tant pour son impact économique qu'écologique. De multiples approches ont été proposées pour la réduire. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'approche Energy Aware Routing (EAR) qui consiste à fournir un routage valide tout en diminuant le nombre d'équipements réseau actifs. Cependant, les réseaux actuels ne sont pas adaptés au déploiement de politiques vertes globales en raison de leur gestion distribuée et de la nature fermée des périphériques réseau actuels. Les paradigmes de Software Defined Network (SDN) et de Network Function Virtualization (NFV) promettent de faciliter le déploiement de politiques vertes. En effet, le premier sépare le plan de contrôle et de données et offre donc une gestion centralisée du réseau. Le second propose de découpler le logiciel et le matériel des fonctions réseau et permet une plus grande flexibilité dans la création et la gestion des services réseau. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les défis posés par ces paradigmes pour le déploiement de politiques EAR. Nous consacrons les deux premières parties aux SDNs. Nous étudions d'abord les contraintes de taille de table de routage causées par la complexité accrue des règles, puis le déploiement progressif de périphériques SDN dans un réseau actuel. Nous concentrons notre attention sur NFV dans la dernière partie, et plus particulièrement nous étudions les chaines de fonctions de services. / In the recent years, the growth of the architecture of telecommunication networks has been quickly increasing to keep up with a booming traffic. Moreover, the energy consumption of these infrastructures is becoming a growing issue, both for its economic and ecological impact. Multiple approaches were proposed to reduce the networks' power consumption such as decreasing the number of active elements. Indeed, networks are designed to handle high traffic, e.g., during the day, but are over-provisioned during the night. In this thesis, we focus on disabling links and routers inside the network while keeping a valid routing. This approach is known as Energy Aware Routing (EAR). However current networks are not adapted to support the deployment of network-wide green policies due to their distributed management and the black-box nature of current network devices. The SDN and NFV paradigms bear the promise of bringing green policies to reality. The first one decouples the control and data plane and thus enable a centralized control of the network. The second one proposes to decouple the software and hardware of network functions and allows more flexibility in the creation and management of network services. In this thesis, we focus on the challenges brought by these two paradigms for the deployment of EAR policies. We dedicated the first two parts to the SDN paradigm. We first study the forwarding table size constraints due to an Increased complexity of rules. We then study the progressive deployment of SDN devices alongside legacy ones. We focus our attention on the NFV paradigm in the last part, and more particularly, we study the Service Function Chaining problem.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La déamidation est la modification post-traductionnelle de l'asparagine (Asn) et de la glutamine (Glu). Elle est communèment observée dans les peptides et les protéines. Il a été démontré que la déamidation limite la durée de vie de ces macromolécules. Dans ce travail, la déamidation de l'asparagine dans des petits peptides et dans l'enzyme triosephosphate isomérase a été modélisée. La déamidation dans la triosephosphate isomérase de mammifères a été observée sur deux sites distincts: Asn15 et Asn71. Asn71 a une vitesse de déamidation plus élevée que Asn15 et moins grande que pour un petit peptide. Il a été suggéré que la déamidation de Asn15 se produit sous l'influence de la déamidation de Asn71. Pour expliquer ces résultats expérimentaux, des simulations de dynamiques moléculaires classiques à l'échelle de la microseconde et des calculs d'énergie libre, de type umbrella sampling, à l'aide de méthodes combinées mécanique quantique/mécanique moléculaire ont été réalisés. Nous montrons que la déamidation séquentielle dans la triosephosphate isomérase est due à la fois à des effets locaux et globaux. Ces résultats apporte une nouvelle perspective sur l'impact de l'ordre structurel sur la vitesse de déamidation Nous avons également déterminé la voie la plus plausible de cette reaction ainsi que l'influence de la variation du pKa, dans la chaîne principale, de la partie amide du résidu adjacent de l'asparagine sur la vitesse de déamidation. En regard de l'importance des variations de pKa dans l'environnement protéique, nous avons élaboré un protocole informatique permettant d'évaluer de manière rapide et précise des pKa . Ce protocole a été appliqué à des petites molécules organiques et nous avons montré qu'il était également applicable à des études relatives à la prédiction de pKa dans les protéines / Deamidation is the posttranslational modification of asparagine (Asn) and glutamine (Glu) residues, which is observed in several proteins and peptides. It has been shown that deamidation limits the lifetime of these macromolecules. In this work, deamidation of asparagine in small peptides and in the enzyme triosephosphate isomerase has been modeled. Deamidation in mammalian triosephosphate isomerase has been observed at two distinct deamidation sites: Asn15 and Asn71. Asn71 deamidates faster than Asn15 and slower than a small peptide. It has been suggested that, deamidation at Asn15 occurs with the influence of deamidated Asn71. In order to explain these experimental findings, microsecond long classical molecular dynamics simulations and free energy calculations using quantum mechanics/molecular mechanics tools combined with umbrella sampling technique have been performed. The sequential deamidation in triosephosphate isomerase has been shown to be related with both global and local effects. These results bring a new perspective to the impact of the high-order structure on deamidation rate. The most plausible route of this reaction was also determined. The pKa shift of backbone amide of the residue adjacent to asparagine has been found to be one of the most crucial factor determining the rate of deamidation. Considering the importance of pKa shifts in protein environment, a computational protocol was suggested in order to obtain accurate and fast pKa predictions. This protocol was applied to small organic molecules, and it has been shown to be applicable to studies concerning aminoacid pKa predictions

L'objectif de cette thèse est la mise en place et l'étude d'un transfert d'énergie électronique réversible (REET), à la suite d’une excitation lumineuse, entre des sous-composants moléculaires au sein d’architectures nanométriques de type rotaxane. Dans un système bichromophorique, lorsque les états excités du chromophore les plus bas sont quasi-isoénergétiques et que la cinétique du transfert interchromophore est rapide, le REET peut être instillé en modifiant les propriétés de l'état excité. Des dérivés du pyrène et du tris(bipyridine)ruthénium(II) ont été choisis comme chromophores appariés. La formation de rotaxane a été catalysée par du cuivre (réactions de Huisgen et Cadiot-Chodkiewicz) au sein d’un macrocycle doté de pyrène, couplant des demi-fils moléculaires comprenant des groupements terminaux volumineux - dont Ru(bpy)32+. Des durées de vie de luminescence prolongée (jusqu'à 14 μs), comparées au parent Ru(bpy)32+, indiquent que des processus de transfert d'énergie électroniques réversibles ont été établis dans une série de rotaxanes de structure variable, sont étudiés par spectroscopies stationnaire et résolue dans le temps. / The focus of this thesis is the establishment and study of reversible electronic energy transfer (REET), following light excitation, between molecular subcomponents within ring-on-thread rotaxane nanometric architectures. When the lowest-lying chromophore excited states are quasi-isoenergetic and kinetics of interchromophore transfer are rapid, REET can be instilled - changing excited-state properties. Pyrene and ruthenium(II) tris(bipyridine) derivatives were chosen as matched chromophores. Rotaxane formation was based on active template copper catalysis (Huisgen and Cadiot-Chodkiewicz reactions) within a pyrene-decorated macrocycle, coupling half threads comprising bulky stopper groups - one of which being Ru(bpy)32+. Prolonged luminescence lifetimes (up to 14 μs), compared to parent Ru(bpy)32+, indicated that reversible electronic energy transfer processes were instilled in a series of rotaxanes of varying structure, which were studied by state-state and time-resolved spectroscopies.

Ce travail de thèse traite différents aspects de la conception basse consommation. Tout d’abord, le concept du calcul réversible, considéré comme le premier essai pour un calcul sans dissipation, est présenté. Puis, je me suis intéressée aux dissipations des circuits complémentaires MOS puisque c’est la logique la plus couramment utilisée dans les circuits numériques. J’ai proposé deux approches pour réduire la consommation de ces circuits numériques. La première approche porte sur la réduction de la dissipation due aux glitchs. J’ai proposé une nouvelle méthode qui consiste à adapter les tensions de seuil des transistors pour assurer un filtrage optimal de ces glitchs. Les résultats de simulation montrent que nous obtenons jusqu’à16% de réduction des glitchs, ce qui représente une amélioration de 18% par rapport à l’état de l’art sur la base des circuits de référence ISCAS85. La deuxième approche porte sur la réduction de la dissipation obtenue en faisant fonctionner les transistors MOS en régime d’ inversion faible (sous-seuil). Les circuits fonctionnant dans ce régime représentent une solution idéale pour les applications ultra-basse-consommation. Par contre, l’une des préoccupations majeures est qu’ils sont plus sensibles aux dispersions des processus de fabrication, ce qui peut entraîner des problèmes de fiabilité. Je propose un modèle compact qui détermine le point d’énergie minimum de façon analytique, donc sans recourir à une simulation type SPICE, tout en étant suffisamment précise vis-à-vis de la variabilité(due à la dispersion). L’écart de résultat entre le modèle compact et un modèle SPICE complet est de 6%. / This thesis focuses on different aspects of ”Low Energy Design”. First, reversible logic, as it is the first attempt for low energy computing, is briefly dis- cussed. Then, we focus on dynamic energy saving in the combinational part of CMOS circuits. We propose a new method to reduce glitches based on dual threshold voltage technique. Simulation results report more than 16% average glitch reduction. We also show that combining dual-threshold to gate-sizingtechnique is very interesting for glitch filtering as it brings up to 27 % energy savings. In the third part of this dissertation, we have been interested in sub-threshold operation where the minimum energy can be achieved using a reduced supply voltage. Sub-threshold operation has been an efficient solution for energy-constrained applications with low speed requirements. However, it is very sensitive to process variability which can impact the robustness and effective performance of the circuit. We propose a model valid in sub and near threshold regions in order to correctly estimate the circuit performance in a variability aware analysis. We provide an analytical solution for the optimum supply voltage that minimizes the total energy per operation while considering variability effects. Spice simulations matches the analytical result to within 6%.

La demande énergétique de l’humanité augmente rapidement et ne montre aucun signe de ralentissement. Parallèlement à cette problématique, l'utilisation abusive de combustibles fossiles est l'une des principales causes d'augmentation de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère. Ces problèmes doivent être résolus en termes de limitation des émissions de CO₂ et de recherche de sources d'énergie renouvelables pour remplacer les combustibles fossiles. De nos jours, l’énergie solaire est l’une des sources d’énergie renouvelables les plus efficaces. La conversion de l'énergie de la lumière solaire en électricité dans le photovoltaïque ou en énergie chimique par le biais de processus photocatalytiques implique invariablement un transfert d'énergie photo-induit et un transfert d'électrons. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'étudier les processus photo-induits dans les photosystèmes moléculaires utilisant la photolyse par flash laser. Le premier thème de cette thèse porte sur l’étude du transfert monoélectronique dans des systèmes de dyades donneur-accepteur en vue d’optimiser l’efficacité de la séparation des charges et de son application dans la cellule solaire organique photovoltaïque. Le deuxième thème de cette thèse porte sur l’étude de deux systèmes modèles de photosynthèse artificielle étudiés pour la possibilité d’une accumulation de charge par étapes. Ensuite, différents systèmes photocatalytiques, développés pour la photoréduction du CO₂, ont été étudiés. La compréhension des processus photo-induits devraient permettre l’amélioration de l'efficacité de la réduction du CO₂ dans les systèmes photocatalytiques pratiques. / The energy demand of humanity is increasing rapidly, and shows no signs of slowing. Alongside this issue, abuse using fossil fuels is one of the main reasons which leads to an increase in atmospheric CO₂ concentration. These problems have to be solved in terms of both limiting CO₂ emission and finding renewable energy sources to replace fossil fuels. Nowadays, solar energy appears as one of the most effective renewable energy sources. Conversion of solar light energy to electricity in photovoltaics or to chemical energy through photocatalytic processes invariably involves photoinduced energy transfer and electron transfer. In this context, the aim of the thesis focuses on studying photoinduced processes in molecular photosystems using laser flash photolysis. The first theme of this thesis focus on studying single electron transfer in Donor-Acceptor Dyad systems towards optimization efficiency of charge separation and application in the photovoltaic organic solar cell. In the second theme of this thesis, two model systems of artificial photosynthesis were investigated to assess the possibility of stepwise charge accumulation on model molecules. A fairly good global yield of approximately 9% for the two charge accumulation on MV²⁺ molecule was achieved. Then, different photocatalytic systems, which have developed for CO₂ reduction, were studied. Understanding of the photoinduced processes is an important step toward improving the efficiency of reduction of CO₂ in practical photocatalytic systems.