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Ce sujet de recherche a pour principaux objectifs la réalisation d'une bibliothèque de fonctions électroniques analogiques intégrées réalisant les opérations mathématiques présentes dans les modèles des canaux ioniques des neurones et l'évaluation des éléments de cette même bibliothèque. Ce travail se poursuit par la conception d'un système démonstrateur basé sur un circuit intégré analogique neuromimétique utilisant la bibliothèque d'opérateurs pour que ce même circuit intégré puisse être utilisé dans de nouvelles expériences mettant en oeuvre la technique hybride. En fonction des performances du circuit, il a été aussi étudié la faisabilité de son utilisation pour le développement d'un outil d'extraction des paramètres d'une cellule nerveuse, voire même d'un mini-réseau composé de moins d'une dizaine de neurones, par la technique d'optimisation.

Ce mémoire de thèse s'intéresse aux problèmes posés par l'intégration dans les technologies silicium des synthétiseurs de fréquence dans la gamme 1-5 GHz. Il est montré que l'intégration des architectures classiques n'est pas envisageable car la consommation excessive et le bruit de phase obtenus sont incompatibles avec les spécifications des applications radiofréquences modernes. Dans ce mémoire, un oscillateur original capable de se verrouiller sur l'harmonique d'un signal d'entrée basse fréquence appelé Oscillateur Synchrone (OS) est présenté. Une étude théorique permettant de prévoir la plage de synchronisation de l'OS est proposée rendant ainsi possible une conception optimisée. D'autre part elle confirme les propriétés attendues des OS, en particulier la recopie du bruit de phase du signal de synchronisation, au facteur de multiplication près. Deux prototypes d'OS, intégrés dans une technologie BiCMOS 0,8 μm, sont décrits. Le premier oscille aux alentours de 2,4 GHz et est synchronisé par un signal de fréquence voisine de 400 MHz.. Sa plage de synchronisation de 12 MHz . Le deuxième prototype est une version optimisée, à partir de la théorie développée, oscillant aux alentours de 2 GHz. Il est synchronisé par un signal de fréquence voisine de 330 MHz. Sa plage de synchronisation est de 112 MHz environ permettant de couvrir la plage de réception ou d'émission de l'application UMTS2000. Ces deux prototypes confirment les avantages de l'OS dans une architecture de synthétiseur à boucle double par le report des contraintes de bruit de phase sur la boucle basse fréquence et par sa consommation bien moins élevée qu'une boucle à verrouillage de phase fonctionnant à la même fréquence. Un dernier prototype implanté dans la technologie CMOS 0,25 μm de STMicroelectronics est ensuite décrit. Cet OS oscille à 5,2 GHz et présente une plage de synchronisation de 160 MHz lorsqu'un signal à 900 MHz est appliqué sur son entrée (6ème sous harmonique).

La conception d'une plate-forme matérielle pour un noeud de réseaux de capteurs (RdC) est un véritable défi car elle est soumise à des contraintes sévères. La consommation d'énergie est souvent considérée comme la contrainte la plus forte donnée la petite taille et les besoins d'autonomie d'un noeud. De nos jours, les noeuds s'appuient sur des microcontrôleurs (MCUs) faible consommation disponibles dans le commerce. Ces MCUs ne sont pas adaptés au contexte de RdC car ils sont basés sur une structure de calcul généraliste et ils consomment trop d'énergie par rapport au budget d'énergie d'un noeud. Dans cette thèse, nous proposons un flot de conception complet, depuis le niveau système, se basant sur le concept de micro-tâches matérielles avec coupure de la tension d'alimentation (Power Gating). Dans cette approche, l'architecture d'un noeud est constituée d'un ensemble de micro-tâches matérielles qui sont activées selon un principe événementiel, chacune étant dédiée à une tâche spécifique du système (ex. la couche MAC, le routage, etc.). Ces micro-tâches sont gérées par un ordonnanceur matériel (System Monitor) qui est automatiquement généré à partir d'une description système, dans un langage spécifique (DSL), du graphe des tâches d'un noeud de RdC. En combinant la spécialisation du matériel et la technique du power gating, nous réduisons considérablement les énergies dynamique et statique d'un noeud de RdC. Les résultats montrent que des gains en énergie dynamique de 1 à 2 ordres de grandeur sont possibles par rapport aux mises en oeuvre à base des MCUs (ex. le MSP430). De plus, des gains de 1 ordre de grandeur en énergie statique sont également obtenus grâce à l'utilisation du power gating.

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Dans un contexte où l'usage de circuits neuromimétiques se généralise au sein des neurosciences, nous étudions ici leur intégration au sein de réseaux adaptatifs. Les circuits mis en oeuvre se basent sur un modèle proche de la biologie résolu en continu et en temps réel. Les calculs relatifs à l'adaptation du réseau sont réalisés en numérique temps réel, logiciel et/ou matériel. La partie logicielle est assurée par un ordinateur interfacé à travers le bus PCI, tandis que la partie matérielle utilise des EPGAS. Trois générations sont présentés avec une analyse critique sur leur utilisation comme système de simulation de réseau neuronal.

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.

Avec la mondialisation du marché des semi-conducteurs, l'intégrité des circuits intégrés (CI) est devenue préoccupante... On distingue deux menaces principales : les chevaux de Troie matériel (CTM) et les contrefaçons. La principale limite des méthodes de vérification de l’intégrité proposées jusqu'à maintenant est le biais induit par les variations des procédés de fabrication. Cette thèse a pour but de proposer une méthode de détection embarquée de détection de CTM et de contrefaçons. À cette fin, une caractérisation de l'impact des modifications malveillantes sur un réseau de capteurs embarqué a été effectuée. L'addition malicieuse de portes logiques (CTM) ou la modification de l'implémentation du circuit (contrefaçons) modifie la distribution de la tension à la l'intérieur du circuit. Une nouvelle approche est proposée afin d'éliminer l'influence des variations des procédés. Nous posons que pour des raisons de cout et de faisabilité, une infection est faite à l'échelle d'un lot de production. Un nouveau modèle de variation de performance temporelle des structures CMOS en condition de design réel est introduit. Ce modèle est utilisé pour créer des signatures de lots indépendantes des variations de procédé et utilisé pour définir une méthode permettant de détecter les CTMs et les contrefaçons.Enfin nous proposons un nouveau distingueur permettant de déterminer, avec un taux de succès de 100%, si un CI est infecté ou non. Ce distingueur permet de placer automatiquement un seuil de décision adapté à la qualité des mesures et aux variations de procédés. Les résultats ont été expérimentalement validés sur un lot de cartes de prototypage FPGA. / Due to the trend to outsourcing semiconductor manufacturing, the integrity of integrated circuits (ICs) became a hot topic. The two mains threats are hardware Trojan (HT) and counterfeits. The main limit of the integrity verification techniques proposed so far is that the bias, induced by the process variations, restricts their efficiency and practicality. In this thesis we aim to detect HTs and counterfeits in a fully embedded way. To that end we first characterize the impact of malicious insertions on a network of sensors. The measurements are done using a network of Ring oscillators. The malicious adding of logic gates (Hardware Trojan) or the modification of the implementation of a different design (counterfeits) will modify the voltage distribution within the IC.Based on these results we present an on-chip detection method for verifying the integrity of ICs. We propose a novel approach which in practice eliminates this limit of process variation bias by making the assumption that IC infection is done at a lot level. We introduce a new variation model for the performance of CMOS structures. This model is used to create signatures of lots which are independent of the process variations. A new distinguisher has been proposed to evaluate whether an IC is infected. This distinguisher allows automatically setting a decision making threshold that is adapted to the measurement quality and the process variation. The goal of this distinguisher is to reach a 100\% success rate within the set of covered HTs family. All the results have been experientially validated and characterized on a set of FPGA prototyping boards.

Ce mémoire de maîtrise présente le développement d'une technologie NMOS utilisée en enseignement au 1er et 2e cycle et comme preuve de concepts en recherche à l'Université de Sherbrooke. Le développement est basé sur la technologie JOPE à 6 masques utilisée en enseignement depuis les années 90. Le but de ce projet est d'optimiser ce procédé pour augmenter la reproductibilité des circuits et la densité d'intégration. Les problèmes de JOPE sont une forte résistivité de couche du polySi, une grande résistivité des contacts aluminium/polySi et aluminium/zone active ainsi qu'une grande fluctuation de la tension de seuil des transistors. Le procédé de fabrication JOPE a été optimisé pour créer JOPE2 afin d'améliorer les propriétés physiques des composantes et atteindre les objectifs fixés. Des circuits ont été fabriqués contenant des structures de caractérisations et des circuits numériques et analogiques conçus avec une règle de longueur de grille minimale de 2 [micro]m. La résistivité du polySi de JOPE2 est diminuée d'un facteur 5 en augmentant la température de déposition de la couche par LPCVD et en ajoutant une implantation ionique dédiée en plus de celle déjà prévue avec le procédé autoaligné pour les sources/drains. De cette façon, la résistivité des contacts aluminium à polySi est diminuée d'un facteur 10. La résistivité des contacts aluminium à zone active est diminuée d'un facteur 20 en augmentant la dose d'implantation ionique des sources/drains. JOPE2, tout comme JOPE, présente une variation importante de la tension de seuil causée par les charges d'interfaces Si/SiO[indice inférieur 2] et la variation de la résistivité du substrat utilisée (1 à 10 [oméga]-cm). Le faible rendement du procédé, évalué à 47 %, est causé par la faible stabilité des contacts, la grande densité de défauts et les limitations en ce qui a trait à l'alignement des masques. Pour faire suite à ce projet, un procédé NMOS à 3 [micro]m est recommandé afin d'augmenter le rendement en diminuant l'impact des défauts, améliorant la stabilité des contacts et en augmentant la qualité de l'alignement. De plus, pour augmenter la stabilité de la tension de seuil il est recommandé d'utiliser des tranches hautes résistivité. Le procédé recommandé devrait permettre de fabriquer des circuits complexes basés sur des transistors NMOS avec un rendement de 80 %.

La mesure de temps de vol de photons et/ou de temps de propagation d’ondes RF et ultra large bande est devenue une technique essentielle et indispensable pour de nombreuses applications telles qu’en géolocalisation en intérieur, en détection LASER et en imagerie biomédicale, notamment en tomographie optique diffuse (TOD) avec des mesures dans le domaine temporel (DT). De telles mesures nécessitent des convertisseurs temps-numérique aptes à mesurer des intervalles de temps très courts avec grande précision, et ce, à des résolutions temporelles allant de quelques picosecondes à quelques dizaines de picosecondes. Les scanners TOD-DT ont généralement recours à des cartes électroniques de comptage de photons uniques intégrant essentiellement des convertisseurs temps-numérique hybrides (un mixte de circuits monolithiques et non-monolithiques). Dans le but de réduire le temps d’acquisition de ces appareils et d’augmenter leur précision, plusieurs mesures à différentes positions et longueurs d’ondes doivent pouvoir être effectuées en parallèle, ce qui exige plusieurs cartes de comptage de photons. L’implémentation de tels dispositifs en technologie CMOS apporte de multiples avantages particulièrement en termes de coût, d’intégration et de consommation de puissance. Cette thèse apporte une solution architecturale d’un convertisseur temps-numérique à 10-bits dédié aux applications de TOD-DT. Le convertisseur réalisé en technologie CMOS 0,13 μm d’IBM et occupant une surface en silicium de 1,83 x 2,23 mm[indice supérieur 2] incluant les plots de connexion, présente une résolution temporelle de 12 ps sur une fenêtre de 12 ns pour une consommation en courant de 4,8 mA. Les avantages de l’architecture proposée par rapport à d’autres réalisations rapportées dans la littérature résident dans son immunité face aux variations globales du procédé de fabrication, l’indépendance de la résolution temporelle vis-à-vis de la technologie ciblée et la faible gigue temporelle qu’il présente. Le circuit intégré réalisé trouvera plusieurs champs d’applications autres que la TOD notamment dans les tomographes d’émission par positrons, les boucles à verrouillage de phase numériques et dans les systèmes de télédétection et d’imagerie 3D.