Dans cette thèse, nous proposons un flot de conception pour le développement d'applications de traitement du signal systématique implémentées sur FPGA. Nous utilisons une approche Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) pour la mise en oeuvre de ce flot de conception, dont la spécification des applications est décrite en UML. La première contribution de cette thèse réside dans la création d'un métamodèle isolant les concepts utilisés au niveau RTL. Ces concepts sont extraits d'implémentations matérielles dédiées de tâches à fort parallélisme de données. Par ailleurs, ce métamodèle considère la technologie d'implémentation FPGA et propose différents niveaux d'abstractions d'un même FPGA. Ces multiples niveaux d'abstractions permettent un raffinement des implémentations matérielles.<br /><br />La seconde contribution est le développement d'un flot de compilation permettant la transformation d'une application modélisée à haut niveau d'abstraction (UML) vers un modèle RTL. En fonction des contraintes de surfaces disponibles (technologie FPGA), le flot de conception optimise le déroulement des boucles et le placement des tâches. Le code VHDL produit est directement simulable et synthétisable sur FPGA. À partir d'applications modélisées en UML, nous produisons automatiquement un code VHDL.<br /><br />Le flot de conception proposé a été utilisé avec succès dans le cadre de sécurité automobile ; un algorithme de détection d'obstacles a été automatiquement généré depuis sa spécification UML.

Cette dissertation montre que des applications embarquées complexes peuvent tirer partie efficacement de plateformes MP-SoC hétérogènes tout en respectant les critères de flexibilité, mise à l'échelle, portabilité et time-to-market. Elle fait la description d'un flot de conception de logiciel embarqué amélioré combinant un générateur de code, GECKO, et un environnement logiciel innovant, APES, afin d'obtenir un haut niveau d'efficacité. La contribution ainsi présentée est double : 1) un flot de conception de logiciel embarqué amélioré avec un ensemble d'outils permettant la construction automatique d'objets binaires minimaux pour une application donnée ciblant une plateforme MP-SoC donnée, et 2) un ensemble de composants logiciels modulaire et portable incluant des mécanismes de systèmes d'exploitations traditionnels ainsi que le support de multiples processeurs.

La biologie synthétique est une science issue du rapprochement entre les biotechnologies et les sciences pour l'ingénieur. Elle consiste à créer de nouveaux systèmes biologiques par une combinaison rationnelle d'éléments biologiques standardisés, découplés de leur contexte naturel. L'environnement, l'agroalimentaire et la santé figurent parmi ses principaux domaines d'application. Cette thèse s'est focalisée sur les aspects liés à la conception ex-vivo de ces biosystèmes artificiels. A partir des analogies réalisées entre les processus biologiques et certaines fonctions électroniques, l'accent a été mis sur la réutilisation et l'adaptation des outils de conception numériques, supportant l'approche de conception " top-down ". Ainsi, une adaptation complète des méthodes de CAO de la microélectronique a été mise en place pour la biologie synthétique. Dans cette optique, les mécanismes biologiques élémentaires ont été modélisés sous plusieurs niveaux d'abstraction, allant de l'abstraction numérique à des modèles flux de signal et des modèles conservatifs. Des modèles en logique floue ont aussi été développés pour faire le lien entre ces niveaux d'abstraction. Ces différents modèles ont été implémentés avec deux langages de description matérielle et ont été validés sur la base de résultats expérimentaux de biosystèmes artificiels parmi les plus avancés. Parallèlement au travail de formalisation des modèles destinés au flot de conception, leur amélioration a aussi été étudiée : la modélisation des interactions entre plusieurs molécules a été rendue plus réaliste et le développement de modèles de bruits biologiques a également été intégré au processus. Cette thèse constitue donc une contribution importante dans la structuration et l'automatisation d'étapes de conception pour les biosystèmes synthétiques. Elle a permis de tracer les contours d'un flot de conception complet, adapté de la microélectronique, et d'en mettre en évidence les intérêts.

Les circuits cryptographiques, parce qu'ils contiennent des informations confidentielles, font l'objet de manipulations frauduleuses, appelées communément attaques, de la part de personnes mal intentionnées. Plusieurs attaques ont été répertoriées et analysées. Parmi elles, les attaques DPA (Differential Power Analysis), DEMA (Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behavior Analysis) et les attaques en probing forment la classe des attaques par corrélation et sont considérés comme les plus redoutables car elles permettent de retrouver, à moindre coût, les clefs de chiffrement des algorithmes cryptographiques. Les concepteurs de circuits sécurisés ont été donc amené à ajouter des parades, appelées contre-mesures, afin de protéger les circuits de ces attaques. Ces contremesures doivent impacter au minimum les performances et le coût du circuit. Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps aux attaques par corrélation, le principe de ces attaques est décrit ainsi que les principales contre-mesures pour y parer. Un formalisme décrivant de manière unique ces attaques est aussi proposé. Dans un deuxième temps, nous étudions les outils d'évaluation sécuritaires qui permettent d'estimer la résistance des circuits intégrés face aux attaques par corrélation. Après un état de l'art sur les outils existants, nous décrivons notre outil basé sur une recherche de corrélations entre le modèle du concepteur et le modèle qui peut être prédit par un attaquant. L'analyse de corrélations permet de déterminer les bits les plus sensibles pour mener à bien une attaque. Cet outil est intégré dans le flot de conception permettant ainsi d'évaluer la résistance des algorithmes cryptographiques au niveau RTL (Register Transfer Level) et portes. / The cryptographic circuits, because they contain confidential information, are subject to fraudulent manipulations called attacks from malicious people. Several attacks have been identified and analyzed. Among them DPA (Differential Power Analysis), DEMA (Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behaviour Analysis) and probing attacks form the class of correlation attacks and are considered as the most dangerous because they allow to retrieve, at lower cost, secret keys of cryptographic algorithms. Designers of secure circuits have thus added counter-measures to protect their circuits from these attacks. Counter-measures overhead got to have a minimum of impact on circuit’s cost and performances. In this thesis, we first focus on correlation attacks; the principle of these attacks is described as well as the main counter-measures to address them. A formalism describing these attacks is also proposed. Second, we study the safe evaluation tools to estimate the resistance of integrated circuits towards correlation attacks. After a state of the art on the existing tools, we describe our tool based on a search of correlations between the designer's model and the model which can be predicted by an attacker. The analysis of the correlations determines the most sensitive bits to complete an attack. This tool is integrated into the design flow to asses the strength of cryptographic algorithms at RTL (Register Transfer Level) and gate levels. An application of our flow on several models of the algorithm AES (Advanced Encryption Standard) with and without counter-measures is proposed. The obtained results have demonstrated the effectiveness of our technique.Les circuits cryptographiques, parce qu'ils contiennent des informations confidentielles, font l'objet de manipulations frauduleuses, appelées communément attaques, de la part de personnes mal intentionnées. Plusieurs attaques ont été répertoriées et analysées. Parmi elles, les attaques DPA (Differential Power Analysis), DEMA (Differential Electromagnetic Analysis), DBA (Differential Behavior Analysis) et les attaques en probing forment la classe des attaques par corrélation et sont considérés comme les plus redoutables car elles permettent de retrouver, à moindre coût, les clefs de chiffrement des algorithmes cryptographiques. Les concepteurs de circuits sécurisés ont été donc amené à ajouter des parades, appelées contre-mesures, afin de protéger les circuits de ces attaques. Ces contremesures doivent impacter au minimum les performances et le coût du circuit. Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps aux attaques par corrélation, le principe de ces attaques est décrit ainsi que les principales contre-mesures pour y parer. Un formalisme décrivant de manière unique ces attaques est aussi proposé. Dans un deuxième temps, nous étudions les outils d'évaluation sécuritaires qui permettent d'estimer la résistance des circuits intégrés face aux attaques par corrélation. Après un état de l'art sur les outils existants, nous décrivons notre outil basé sur une recherche de corrélations entre le modèle du concepteur et le modèle qui peut être prédit par un attaquant. L'analyse de corrélations permet de déterminer les bits les plus sensibles pour mener à bien une attaque. Cet outil est intégré dans le flot de conception permettant ainsi d'évaluer la résistance des algorithmes cryptographiques au niveau RTL (Register Transfer Level) et portes.

Avec les avancées technologiques et la miniaturisation, le réseau d'interconnexions est devenu de plus en plus dense et complexe. Pour les domaines qui utilisent des applications à forts courants, comme l'automobile, les très fortes densités de courant dans les lignes métalliques peuvent conduire à des phénomènes comme l'électromigration, le voltage drop ou encore les surcharges électriques. La conception des circuits doit donc être réalisée en prenant en compte ces contraintes et en adaptant la largeur des lignes aux courants. Ce travail de thèse a eu comme objectif de développer des solutions pour la prise en compte des contraintes en courant lors de la phase de routage de blocs analogiques fort courants. Après une présentation des phénomènes impliqués et de l'état de l'art, une approche algorithmique pour l'aide au routage est introduite. Une méthode de caractérisation du courant est définie, un algorithme exhaustif de routage est présenté, puis utilisé pour effectuer des recherches de critères d'une bonne topologie. Deux algorithmes sont ensuite étudiés et comparés, un algorithme glouton, servant de référence, et un « Divide & Conquer » original. Il présente une amélioration d'environ 10% pour l'aire, et presque 27% en temps CPU par rapport à l'algorithme glouton. La section suivante s'intéresse à la correction du current crowding, avec une méthode basée sur un ensemble de modèles mathématiques. Enfin, un flot basé sur les solutions développées durant la thèse est présenté et validé. / In deep submicron VLSI circuits, excessive current density in interconnects is a major concern for analog high current application. If current over maximum density is not effectively mitigated, this can lead to phenomena like electromigration, voltage drop and electrical overload. It is a hot topic of interest in modern circuits due to the decrease of metal track sizes while high currents are necessary in automotive or mobile applications. This thesis had as goal to develop solutions for the consideration of the constraints in the current phase of routing analog blocks strong currents. After a presentation of the phenomena and the state of the art, an algorithmic approach to current driven net generation is introduced. A method to characterize the current is defined. Then an exhaustive routing algorithm is presented and used to search criteria for a good topology. Next, two algorithms are studied and compared, first a greedy algorithm, used as a reference, and a "Divide & Conquer" original algorithm. It shows results improved on average by about 10% for area and almost 27% for CPU time compared with existing solution. The next section focuses on current crowding correction, with a method based on a set of mathematical models. Finally, a conception flow based on the developed solutions is introduced and validated.

Les travaux de cette thèse apportent une contribution à l'automatisation du flot de conception analogique et mixte, en termes de méthodologies de réutilisation. Des méthodologies de développement et d'exploration de bibliothèques d'IPs (Intellectual Property) analogiques sont développées : définition et caractérisation d'un IP analogique, création et exploration d'une base de données d'IPs, aide à la réutilisation destinée au concepteur. Le circuit utilisé pour l'application de ces méthodologies est un système neuromimétique c'est-à-dire qu'il reproduit l'activité électrique de neurones biologiques. Ces applications montrent à travers trois exemples, l'efficacité et la souplesse de notre méthodologie. Ces travaux proposent également une méthodologie de redimensionnement de circuits analogiques CMOS lors d'une migration technologique.

L'étude des circuits asynchrones est un secteur dans lequel de nombreuses recherches ont été effectuées ces dernières années. Les circuits asynchrones ont démontré plusieurs caractéristiques intéressantes comme la robustesse, l'extensibilité, la faible consommation ou le faible rayonnement électromagnétique. Parmi les différentes classes de circuits asynchrones, les circuits quasi-insensibles aux délais (QDI) ont montré des caractéristiques extrêmement intéressantes en termes de faible consommation et de robustesse aux variations PVT (Process, Voltage, Temperature). L'usage de ces circuits est notamment bien adapté aux applications fonctionnant dans un environnement sévère et pour lesquelles la consommation est un critère primordial. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans ce cadre et visent la conception et la synthèse de machines à états asynchrones (QDI) faiblement consommantes. Une méthode de synthèse dédiée à des contrôleurs asynchrones à faible consommation a donc été développée. Cette technique s'est montrée particulièrement efficace pour synthétiser les contrôleurs de grande taille. La méthode s'appuie sur une modélisation appropriée des contrôleurs et une technique de synthèse dirigée par la syntaxe utilisant des composants spécifiques appelés séquenceurs. Les circuits obtenus ont été vérifiés formellement afin de s'assurer de leurs propriétés en termes de robustesse et de correction fonctionnelle. A cette occasion, une méthode de vérification formelle a été mise en place pour valider les contrôleurs d'une part, et plus généralement, n'importe quel circuit asynchrone d'autre part. Cette technique fait appel à une modélisation hiérarchique des circuits asynchrones en PSL et à un outil de vérification formelle (RAT).

Les systèmes intégrés sont aujourd’hui de plus en plus fréquemment confrontés à des contraintes de faible consommation ou d’efficacité énergétique. Ces problématiques se doivent d’être intégrées le plus en amont possible dans le flot de conception afin de réduire les temps de design et d’éviter de nombreuses itérations dans le flot. Dans ce contexte, le projet collaboratif HiCool, partenariat entre les laboratoires LIRMM et TIMA, les sociétés Defacto, Docea et ST Microelectronics, a mis en place une stratégie et un flot de conception pour concevoir des systèmes intégrés faible consommation tout en facilitant la réutilisation de blocks matériels (IPs) existants. L’approche proposée dans cette thèse s’intègre dans cette stratégie en apportant une petite dose d’asynchronisme dans des systèmes complètement synchrones. En effet, la réduction de la consommation est basée sur le constat que l’activation permanente de la totalité du circuit est inutile dans bien des cas. Néanmoins, contrôler l’activité avec des techniques de « clock gating » ou de « power gating » nécessitent usuellement d’effectuer un re-design du système et d’ajouter un organe de commande pour contrôler l’activation des zones effectuant un traitement. Le travail présenté dans ce manuscrit définit une stratégie basée sur des contrôleurs d’horloge et de domaine d’alimentation, asynchrones, distribués et facilement insérables dans un circuit avec un coût de re-design des plus réduit. / Today integrated systems are increasingly faced with the constraints of low consumption or energy efficiency. These issues need to be integrated as far upstream as possible in the design flow to reduce design time and avoid much iteration in the flow. In this context, the collaborative project HiCool, between LIRMM and TIMA laboratories, Defacto, Docea and ST Microelectronics companies, has set up a strategy and design flow to design integrated low power systems while facilitating the reuse of existing hardware blocks (IPs). The approach proposed in this thesis fits into this strategy by bringing a small dose of asynchrony in completely synchronous systems. Indeed, the reduction in consumption is based on the observation that permanent activation of the entire circuit is unnecessary in many cases. However, controlling the activity with techniques of "clock gating" or "power gating" usually need to perform a re-design of the system and to add a control device for controlling activation of areas effecting treatment. The work presented in this manuscript provides a strategy based clock controllers and power domain, asynchronous, distributed and easily insertable into a circuit with a low cost design.

La biologie synthétique est une science issue du rapprochement entre les biotechnologies et les sciences pour l’ingénieur. Elle consiste à créer de nouveaux systèmes biologiques par une combinaison rationnelle d’éléments biologiques standardisés, découplés de leur contexte naturel. L’environnement, l’agroalimentaire et la santé figurent parmi ses principaux domaines d’application. Cette thèse s’est focalisée sur les aspects liés à la conception ex-vivo de ces biosystèmes artificiels. A partir des analogies réalisées entre les processus biologiques et certaines fonctions électroniques, l’accent a été mis sur la réutilisation et l’adaptation des outils de conception numériques, supportant l’approche de conception « top-down ». Ainsi, une adaptation complète des méthodes de CAO de la microélectronique a été mise en place pour la biologie synthétique. Dans cette optique, les mécanismes biologiques élémentaires ont été modélisés sous plusieurs niveaux d’abstraction, allant de l’abstraction numérique à des modèles flux de signal et des modèles conservatifs. Des modèles en logique floue ont aussi été développés pour faire le lien entre ces niveaux d’abstraction. Ces différents modèles ont été implémentés avec deux langages de description matérielle et ont été validés sur la base de résultats expérimentaux de biosystèmes artificiels parmi les plus avancés. Parallèlement au travail de formalisation des modèles destinés au flot de conception, leur amélioration a aussi été étudiée : la modélisation des interactions entre plusieurs molécules a été rendue plus réaliste et le développement de modèles de bruits biologiques a également été intégré au processus. Cette thèse constitue donc une contribution importante dans la structuration et l’automatisation d’étapes de conception pour les biosystèmes synthétiques. Elle a permis de tracer les contours d’un flot de conception complet, adapté de la microélectronique, et d’en mettre en évidence les intérêts. / Synthetic biology is a science derived from the rapprochement between biotechnology and engineering science. It aims to create new biological systems through a rational combination between standardized biological elements which are disconnected from their natural context. Its main areas of application are the environment, the food-processing industry and the health sector. This thesis focuses on the ex vivo design aspects of these artificial biosystems. Thanks to analogies between biological processes and some electronic functions, the emphasis was put on reusing and adapting digital design tools that are fitting the top-down design approach. Thus, microelectronics CAD methods have been completely adapted to synthetic biology. In this regard, basic biological mechanisms have been modelled with various levels of abstraction, from digital abstraction to signal flow and conservative models. Fuzzy logic models have also been developed as a link between these levels of abstraction. These models have been implemented with two hardware description languages. They have been proven correct thanks to experimental results from state-of-the-art artificial biosystems. Concurrently to their formalization, improvements of design flow models have been studied: the modelling of interactions between several molecules have been made more realistic and the development of models for biological noise have been integrated to the process. This thesis is an important contribution to the structuring and the automation of some design steps for synthetic biosystems. It has made possible to highlight and to trace the outlines of a complete design flow, adapted from microelectronics.

Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie de co-conception des systèmes dynamiquement reconfigurables basés sur FPGA. Notre méthodologie s'appuie sur l'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) pour la mise en oeuvre de notre flot de conception, dont la spécification des modèles est décrite avec le profil standard UML MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems). Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à garantir la flexibilité, la réutilisabilité et l'automatisation afin de faciliter le travail du concepteur et d'améliorer sa productivité. La première contribution de cette thèse réside dans la modélisation à haut-niveau d'abstraction permettant de cacher un grand nombre de détails d'implémentation. Nous avons donc défini un flot de conception pour la modélisation des FPGAs dynamiquement reconfigurables, basé sur l'IDM afin d'assurer l'automatisation de la génération de code. Suivant ce flot, plusieurs modèles sont créés moyennant principalement les concepts du profil MARTE. Cependant, la modélisation de certains concepts de la reconfiguration dynamique des FPGAs a nécessité des extensions dans MARTE que nous avons identifiées et intégrées dans un nouveau profil qui étend MARTE baptisé RECOMARTE (Reconfigurable MARTE). La seconde contribution est l'automatisation de la chaîne de transformations et la validation expérimentale. Afin d'assurer l'automatisation de notre flot de conception vers la génération du code, une chaîne de transformations a été utilisée. Le modèle final en MARTE résultant du flot de conception est donné comme entrée à cette chaîne. Nous passons ainsi d'un modèle MARTE/RecoMARTE vers une description intermédiaire selon le standard IP-XACT afin de générer finalement des fichiers décrivant le système complet dans l'environnement XPS de Xilinx. Cette automatisation permet d'accélérer la phase de conception et éviter les erreurs dues à la manipulation directe des détails. Enfin, un exemple d'application de traitement d'image a été élaboré afin de démontrer et valider notre méthodologie. Ceci a fait apparaître les avantages de nos contributions en termes de réutilisabilité de la conception et l'automatisation