Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Un nœud d'un réseau de capteurs sans fil traite dans ses unités de calcul les signaux issus de plusieurs types de capteurs et effectue différentes tâches liées aux protocoles de communication. Devant exécuter plusieurs types de contrôle, sa flexibilité est un paramètre très important. Les solutions à base de microcontrôleurs ou de FPGA ont été proposées pour aborder le besoin de flexibilité, mais au prix d'une efficacité énergétique réduite. Dans cette thèse, des contrôleurs flexibles à ultra-faible énergie basés sur un contexte de micro-tâches reconfigurables sont explorés comme alternative. Des architectures modulaires pour des machines d'états finis (FSM) et des chemins de données (DP) reconfigurables sont proposées. Les techniques de coupure de l'alimentation (PG pour power gating) sont utilisées pour adapter la consommation aux besoins et réduire la puissance statique. Dans un premier temps, des modèles pour l'estimation des paramètres clés d'un circuit avec PG sont proposés au niveau porte. Ensuite, les opportunités des techniques PG sont déterminées sur les FSM et DP reconfigurables pour en réduire l'énergie. Dans les chemins de données, la reconfiguration fait varier la précision des opérateurs et le PG permet d'éteindre les blocs logiques inutilisés. Une gestion de l'alimentation au niveau lookup table (LUT) est proposée pour réduire les courants de fuite en mode actif et en veille dans les FSM reconfigurables. Des résultats montrent les très bonnes performances des architectures proposées par rapport aux processeurs et FPGA. / A wireless sensor network (WSN) node may need to process signals from various sensors and perform different transceiver tasks apart from being able to change its functions dynamically. A controller in the node is therefore required to execute different control tasks to manage its resources implying that flexibility is a key concern. Microcontrollers and FPGAs have been proposed to address the need for flexibility at the cost of reduced energy efficiency. In this thesis, ultra-low power flexible controllers for WSN nodes based on reconfigurable microtasks are explored. A reconfigurable microtask is a digital control unit with a reconfigurable finite state machine (FSM) and datapath. Scalable architectures for reconfigurable FSMs along with variable precision adders in datapath are proposed for flexible controllers in this work. Power gating is considered for FSMs and adders for low power operation. First, the design issues in power gating are studied extensively. Models for estimation of key design parameters of power-gated circuits are derived at gate level. Next, power gating opportunities are determined in reconfigurable adders and FSMs proposed for microtasks. In adders, reconfigurability is used for varying the precision of operation and saving energy by power-gating unused logic. Power gating at the level of lookup table logic is proposed to achieve active leakage power reduction in reconfigurable FSMs. The proposed models are then applied to analyze energy savings in logic clusters due to power gating. Power estimation results show good performance of proposed architectures with respect to different metrics relative to others in the design space of controllers.

No description available.

Cette thèse est consacrée à l’étude des mécanismes d’interaction laser-matière en régime femtoseconde pour l’analyse de circuits intégrés par stimulation photoélectrique non-linéaire. Cette technique permet d’accroitre la résolution pour répondre à la miniaturisation des composants électroniques. Les milieux étudiés dans ce travail sont plus particulièrement le silicium, matériau constitutif des circuits intégrés, et la silice pour le transport des impulsions laser dans une fibre optique. En effet, l’émergence de cette technique d’analyse en milieu industriel requiert l’utilisation de systèmes compacts, fiables et sécuritaires. Les simulations réalisées montrent la génération de charges dans le silicium et la propagation des impulsions dans des fibres photoniques à cœur creux identifiées pour limiter les effets non-linéaires. Des expérimentations sur composants permettent de les confronter aux simulations et de valider l’utilisation de ce type de fibres.Enfin, ce travail a permis de déterminer les paramètres optiques et laser essentiels ainsi que les technologies compatibles avec les contraintes industrielles en analyse de circuits intégrés. / This thesis is dedicated to the study of laser-matter interaction mechanisms in femtosecond regime for the analysis of integrated circuits by nonlinear photoelectric laser stimulation. This technique improves the resolution in order to deal with the miniaturization of electronic components. The materials studied in this work are silicon, a major chemical component in semiconductor electronics, and silica used for transporting laser pulses in optical fibers. Indeed, the emergence of this analysis technique in industrial environments needs the use of compact, reliable and safe systems. The performed simulations show charge generation in silicon and propagation of pulses in photonic fibers identified for limiting nonlinear effects. Some experiments on components allow a comparison with simulations and validation of the use of this type of fibers. Finally, this work was able to identify key optical and laser parameters along with technologies compatible with industrial constraints in integrated circuit analysis.

Depuis plusieurs dizaines d'années, les matériaux hybrides organiques-inorganiques constituent une classe de matériaux particulièrement bien adaptée aux applications en optique intégrée. Le réseau minéral, élaboré par procédé sol-gel, confère au matériau la tenue mécanique. Quant au réseau organique, qui est réticulable par voie photochimique, il permet la formation des systèmes guidants. Des travaux antérieurs réalisés au sein de notre laboratoire ont montré le potentiel d'un matériau à base d'un précurseur hybride 2-(3,4 epoxycyclohexylethyltrimethoxysilane) (EETMOS) pour l'application en optique intégrée. Bien que la qualité des composants réalisés à 1,31µm se soit révélée satisfaisante, un problème subsiste : une trop forte atténuation à 1,55 µm. La transmission optique autour de ces longueurs d'ondes est limitée par la présence des groupements OH et CH aliphatiques.L'objectif principal de ce travail est de développer une nouvelle génération de matériaux hybrides avec une très grande réactivité et de diminuer la quantité de groupements impliqués dans l'atténuation. Nous avons choisi la fonction vinyl éther comme fonction organique grâce à sa grande réactivité par voie cationique en comparaison avec la fonction époxyde. Nous avons étudié la double fonctionnalité de polymérisation du nouveau matériau hybride à base d'un vinyl éther silane. En premier lieu, les réactions d'hydrolyse et de polycondensation du sol ont été suivies par la spectroscopie RMN liquide du Si-29 en fonction du temps, de la température et du pH de l'eau impliquée dans l'hydrolyse. Le but était d'obtenir le plus haut taux d'oligomère multifonctionnel possible et le minium de groupement OH. La photopolymérisation de type cationique de la fonction vinyl éther a ensuite été étudiée, en utilisant la spectroscopie d'absorption dans l'infrarouge moyen. En présence du photoamorceur diaryliodonium, la photopolymérisation a été étudiée en suivant l'évolution de la bande d'absorption de la double liaison vinyl éther avant et après irradiation. La photopolymérisation cationique est rapidement initiée dès le début de l'exposition aux UV, ce qui prouve la réactivité important de la fonction vinyl éther. En utilisant la spectroscopie d'absorption dans le proche infrarouge, les résultats montrent des niveaux d'atténuation très prometteurs pour l'utilisation de ce matériau en optique intégré à 1,31 et 1,55 µm. / In the last few years, organic-inorganic hybrid materials were particularly attractive for integrated optical circuits. Hybrid network could be prepared by the formation of inorganic and organic network simultaneously through sol-gel technique and photopolymerization process.A composition based on [2-(3, 4 epoxycyclohexylethyltrimethoxysilane)] has already allowed the fabrication of optical integrated devices. The organic polymerization is on a cationic way. Results show the contributions of OH and aliphatic CH groups to the attenuation in the third telecommunication window located at 1,55 µm.The main objective of this work is to remove this difficulty by developing a new generation of hybrid materials with a very high reactivity and low amount of groups involved in the attenuation. We have chosen vinyl ether function as an organic part because of their well known high polymerization rates via cationic way which are faster than the epoxide function and which lead to no OH groups generation and a very low aliphatic CH groups introduction.In this work, we study the dual functional structure of a new vinyl ether alkoxysilane hybrid precursor. Firstly, hydrolysis and polycondensation of vinyl ether based solution are followed by liquid and solid Si-NMR spectroscopy. The kinetic reaction is followed as a function of time, temperature and pH of the water involved in the hydrolysis, in order to obtain the highest reactive multifunctional oligomer and the lowest OH groups. Secondly, results of the cationic photopolymerization of vinyl ether- based monomers are also reported, using middle infrared spectroscopy. In the presence of diaryliodonium photoinitator, the photopolymerization is studied by monitoring the absorption band of vinyl ether double bond before and after irradiation. The cationic photopolymerization occurs rapidly upon UV-exposure and vinyl ether monomers proved to be very effective monomers. Using near infrared spectroscopy, results show promising attenuation for the use of this material in integrated optic at 1,31 µmand 1,55 µm.

L’électrophysiologie est l’étude des signaux électriques et électrochimiques générés par certaines cellules spécifiques tout comme par des organes entiers. Elle donne aux médecins l’opportunité de suivre le fonctionnement d’un seul neurone mais aussi de l’intégralité du cerveau. L’enregistrement de ces activités est essentiel pour le diagnostic de pathologies aussi diverses que les arythmies cardiaques, l’épilepsie ou la dégénération musculaire. Dans cette thèse, nous étudions différents types d’électrodes cutanées à base de matériaux organiques, de leur conception à leur évaluation préclinique. Notre approche est basée sur l’utilisation du polymère conducteur PEDOT :PSS et de gels ioniques, qui réduisent l’impédance de l’interface électrode-peau. De plus, nos électrodes sont conçues avec différents substrats fins et souples, plastiques ou textiles. Ceci appelle de nouvelles techniques de fabrications adaptées à ces substrats et aux matériaux organiques. Les électrodes sont caractérisées puis testées sur des volontaires afin de démontrer leurs excellentes performances par rapport aux électrodes médicales usuelles. L’évaluation de leur capacité à réduire le bruit et de leur stabilité sur plusieurs jours est effectuée sur des signaux venant des activités musculaires, cardiaques et cérébrales. Nous présentons également une électrode microscopique dite « active », basée sur le transistor organique électrochimique. Celui-ci permet d’amplifier et de filtrer in situ le signal. Parce que nos électrodes organiques cutanées possèdent un important potentiel industriel et clinique, nous étudions maintenant leur intégration dans des dispositifs médicaux de pointe. / Electrophysiology is the study of electrical and electrochemical signals generated by specific cells or whole organs. It gives doctors the opportunity to track the physiological behavior of a single neuron, as well as the integral brain. The recording of these activities is essential to diagnose and better understand diseases like cardiac arrhythmias, epilepsy, muscular degeneration and many more. In this thesis, we study different types of cutaneous electrodes based on organic materials, from conception to pre-clinical evaluation. Our approach is based on the usage of PEDOT:PSS conducting polymer and ionic gels in order to reduce impedance at the skin-electrode interface. Moreover, the substrate of our electrodes is made with different materials such as thin and conformable plastics and textiles. Our devices are then flexible, motion resistant and can be integrating into clothes. We developed new fabrication processes, considering the different substrates and organic materials specifics. The electrodes were characterized and then tested on human volunteers to show their excellent performance in comparison to standard medical electrodes. The evaluation of noise reduction capabilities and possibilities to perform long-term recordings were established on signals coming from muscles, heart and brain. Furthermore, we present a hundred micrometer-small “active” electrode, based on the organic electrochemical transistor. It enables in situ amplification and filtering of recorded signals. The wearable organic electrodes developed in this work are of great industrial and clinic interest. Future work will aim to integrate these technologies into state-of-the-art medical devices.

L'optique intégrée est une technique très prometteuse pour une fabrication de masse de circuits optiques pour les télécommunications et/ou l'instrumentation.<br />La technologie sol-gel a déjà démontré son potentiel. Un nouveau matériau sol-gel hybride à polymérisation cationique de type Epoxy a été développé dans le but de la simplification de la synthèse et de l'amélioration des performances en particulier l'adhérence.<br />Ce travail a pour objectif le développement d'un banc d'écriture laser UV dans une couche Epoxy et l'établissement du protocole de fabrication associé. Ce procédé de polymérisation locale est une alternative prometteuse aux techniques lithographiques par masque.<br />Ce nouveau banc utilise un laser pulsé travaillant à faible longueur d'onde pour une meilleure résolution et une meilleure polymérisation.<br />Ce travail a montré la faisabilité de circuits complexes de type multiplexeurs WDM avec un procédé d'inscription à faible coût. Nous avons réalisé les premiers prototypes de circuits dédiés à la sélection multiple de longueurs d'onde pour le (dé)codage du CDMA optique spectral.

Comme la complexité des circuits VLSI croit, la tache de vérification des masques devient de plus en plus longue. L'utilisation des descriptions hiérarchiques permet le développement de méthodes d'analyse hiérarchique plus efficaces. Cette thèse explore une méthode de recherche géométrique par hiérarchie de Quadtrees et l'utilisation hiérarchique de l'algorithme d'équivalence union-find pour la recherche et la mise à jour des équivalences électriques. Des algorithmes hiérarchiques et géométriques utilisables pour l'édition, la vérification géométrique et topologique (connectique) de conceptions VLSI sont présentés. L'intérêt de telles méthodes dans la vérification et le compactage de ces conceptions est aussi aborde. Des quadtrees adaptatifs particuliers (mixed-quadtrees) ont été conçus et testés pour optimiser les outils conventionnels d'extraction et de vérification de la description géométrique des masques de conceptions non structurées et pour permettre une édition rapide de conceptions structurées. Ce document présente les arguments qui ont contribue à la conception d'un tel sous-systeme de recherche géométrique et topologique, le sous-système lui-même et certains algorithmes hiérarchiques. Les méthodes hiérarchiques, géométriques et topologiques ainsi explorées, sont applicables à un grand nombre de taches, comme l'extraction des conceptions, leur vérification, leur édition et leur compactage et sur des descriptions symboliques ou réelles. Ces méthodes permettent l'utilisation interactive d'un certain nombre d'algorithmes d'extraction, de vérification et d'adaptation des conceptions éditées à un ensemble de règles technologiques. Un extracteur et vérificateur géométrique et topologique de conceptions structurées est actuellement réalisé dans le but d'évaluer hiérarchiquement l'efficacité de tels algorithmes. Un aperçu des problèmes qui peuvent être résolus plus rapidement ou dans un mode interactif est également présenté

La méthode de conception logique de cellules MOS tient compte des problèmes d'implantation (diffusion, dépôt métallique (AL) et masquage) en technologies NMOS et CMOS dans l'ordonnancement optimise des variables. La forme arborescente série-parallèle est simplifiée par compactage des transistors. Étapes de minimisation. Application aux portes complexes NMOS et CMOS et aux macro-cellules les utilisant pour des fonctions logiques. Fonctions réalisées en logique de transfert se prêtant à l'implantation automatisée. Application à la conception de circuits complexes : circuit d'extraction de racine carrée et multiplicateur. Problèmes de synchronisation et temporisation.

L'évolution de la technologie VLSI permet aux systèmes sur puce (SoCs) d'intégrer de nombreuses fonctions hétérogènes dans une seule puce et demande, en raison de contraintes économiques, une unique mémoire externe partagée (SDRAM). Par conséquent, la conception du système de mémoire principale, et plus particulièrement l'architecture du contrôleur de mémoire, est devenu un facteur très important dans la détermination de la performance globale du système. Le choix d'un contrôleur de mémoire qui répond aux besoins de l'ensemble du système est une question complexe. Cela nécessite l'exploration de l'architecture du contrôleur de mémoire, puis la validation de chaque configuration par simulation. Bien que l'exploration de l'architecture du contrôleur de mémoire soit un facteur clé pour une conception réussite d'un système, l'état de l'art sur les contrôleurs de mémoire ne présente pas des architectures aussi flexibles que nécessaire pour cette tâche. Même si certaines d'entre elles sont configurables, l'exploration est restreinte à des ensembles limités de paramètres tels que la profondeur des tampons, la taille du bus de données, le niveau de la qualité de service et la distribution de la bande passante. Plusieurs classes de trafic coexistent dans les applications réelles, comme le trafic de service au mieux et le trafic de service garanti qui accèdent à la mémoire partagée d'une manière concurrente. En conséquence, la considération de l'interaction entre le système de mémoire et la structur d'interconnexion est devenue vitale dans les SoCs actuels. Beaucoup de réseaux sur puce (NoCs) fournissent des services aux classes de trafic pour répondre aux exigences des applications. Cependant, très peu d'études considèrent l'accès à la SDRAM avec une approche système, et prennent en compte la spécificité de l'accès à la SDRAM dans les systèmes sur puce à base de réseaux intégrés. Cette thèse aborde le sujet de l'accès à la mémoire dynamique SDRAM dans les systèmes sur puce à base de réseaux intégrés. Nous introduisons une architecture de contrôleur de mémoire totalement configurable basée sur des blocs fonctionnels configurables, et proposons un modèle de simulation associé relativement précis temporellement et à haut niveau d'abstraction. Ceci permet l'exploration du sous-système de mémoire grâce à la facilité de configuration de l'architecture du contrôleur de mémoire. En raison de la discontinuité de services entre le réseau sur puce et le contrôleur de mémoire, nous proposons également dans le cadre de cette thèse un protocole de contrôle de flux de bout en bout pour accéder à la mémoire à travers un contrôleur de mémoire multiports. L'idée, simple sur le principe mais novatrice car jamais proposée à notre connaissance, se base sur l'exploitation des informations sur l'état du contrôleur de mémoire dans le réseau intégré. Les résultats expérimentaux montrent qu'en contrôlant l'injection du trafic de service au mieux dans le réseau intégré, notre protocole augmente les performances du trafic de service garanti en termes de bande passante et de latence, tout en préservant la bande passante moyenne du trafic de service au mieux.