Dans le domaine du calcul générique, les circuits FPGA sont très attrayants pour leur performance et leur faible consommation. Cependant, leur présence reste marginale, notamment à cause des limitations des logiciels de développement actuels. En effet, ces limitations obligent les utilisateurs à bien maîtriser de nombreux concepts techniques. Ils obligent à diriger manuellement les processus de synthèse, de façon à obtenir une solution à la fois rapide et conforme aux contraintes des cibles matérielles visées.Une nouvelle méthodologie de génération basée sur la synthèse d'architecture est proposée afin de repousser ces limites. L'exploration des solutions consiste en l'application de transformations itératives à un circuit initial, ce qui accroît progressivement sa rapidité et sa consommation en ressources. La rapidité de ce processus, ainsi que sa convergence sous contraintes de ressources, sont ainsi garanties. L'exploration est également guidée vers les solutions les plus pertinentes grâce à la détection, dans les applications à synthétiser, des sections les plus critiques pour le contexte d'utilisation réel. Cette information peut être affinée à travers un scénario d'exécution transmis par l'utilisateur.Un logiciel démonstrateur pour cette méthodologie, AUGH, est construit. Des expérimentations sont menées sur plusieurs applications reconnues dans le domaine de la synthèse d'architecture. De tailles très différentes, ces applications confirment la pertinence de la méthodologie proposée pour la génération rapide et autonome d'accélérateurs matériels complexes, sous des contraintes de ressources strictes. La méthodologie proposée est très proche du processus de compilation pour les microprocesseurs, ce qui permet son utilisation même par des utilisateurs non spécialistes de la conception de circuits numériques. Ces travaux constituent donc une avancée significative pour une plus large adoption des FPGA comme accélérateurs matériels génériques, afin de rendre les machines de calcul simultanément plus rapides et plus économes en énergie. / In the field of high-performance computing, FPGA circuits are very attractive for their performance and low consumption. However, their presence is still marginal, mainly because of the limitations of current development tools. These limitations force the user to have expert knowledge about numerous technical concepts. They also have to manually control the synthesis processes in order to obtain solutions both fast and that fulfill the hardware constraints of the targeted platforms.A novel generation methodology based on high-level synthesis is proposed in order to push these limits back. The design space exploration consists in the iterative application of transformations to an initial circuit, which progressively increases its rapidity and its resource consumption. The rapidity of this process, along with its convergence under resource constraints, are thus guaranteed. The exploration is also guided towards the most pertinent solutions thanks to the detection of the most critical sections of the applications to synthesize, for the targeted execution context. This information can be refined with an execution scenarion specified by the user.A demonstration tool for this methodology, AUGH, has been built. Experiments have been conducted with several applications known in the field of high-level synthesis. Of very differen sizes, these applications confirm the pertinence of the proposed methodology for fast and automatic generation of complex hardware accelerators, under strict resource constraints. The proposed methodology is very close to the compilation process for microprocessors, which enable it to be used even by users non experts about digital circuit design. These works constitute a significant progress for a broader adoption of FPGA as general-purpose hardware accelerators, in order to make computing machines both faster and more energy-saving.

La photonique au silicium est une technologie émergente considérée comme l'une des solutions clés pour les interconnexions sur puce de génération future, offrant plusieurs avantages potentiels tels qu'une faible latence de transmission et une bande passante élevée. Cependant, elle reste confrontée à des défis en matière d'efficacité énergétique. Différentes topologies, layout et architectures offrent diverses options d'interconnexion. Ceci conduit à une grande variation des pertes optiques, qui est l'un des facteurs prédominants dans la consommation d'énergie. De plus, les composants photoniques au silicium sont très sensibles aux variations de température. Sous une activité de puces donnée, ceci conduit à une réduction de l’efficacité des lasers et à une dérive des longueurs d'onde des composants optiques, ce qui entraîne un «Bit Error Ratio (BER)» plus élevé et réduit par conséquent l'efficacité énergétique des interconnexions optiques. Dans cette thèse, nous travaillons sur des méthodologies de conception pour les interconnexions photoniques sur silicium économes-en-énergie et prenant en compte la topologie / le layout, la variation thermique et l'architecture. / Silicon photonics is an emerging technology considered as one of the key solutions for future generation on-chip interconnects, providing several prospective advantages such as low transmission latency and high bandwidth. However, it still encounters challenges in energy efficiency. Different topologies, physical layouts, and architectures provide various interconnect options for on-chip communication. This leads to a large variation in optical losses, which is one of the predominant factors in power consumption. In addition, silicon photonic devices are highly sensitive to temperature variation. Under a given chip activity, this leads to a lower laser efficiency and a drift of wavelengths of optical devices (on-chip lasers and microring resonators (MRs)), which in turn results in a higher Bit Error Ratio (BER) and consequently reduces the energy efficiency of optical interconnects. In this thesis, we work on design methodologies for energy-efficient silicon photonic interconnects on chip related to topology/layout, thermal variation, and architecture.

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) avec pour application le véhicule électrique. Dans une première partie, nous avons abordé du contexte de l'étude et de la problématique du dimensionnement. A l'occasion, nous avons montré qu'il est nécessaire d'adopter une méthodologie de design appropriée en fonction de l'avancement de chaque projet dans le cadre du processus de conception. Nous avons alors proposé différents niveaux de modélisation afin de repérer la machine optimale face au cahier des charges pour ensuite la caractériser plus finement et l'optimiser. La seconde partie du rapport traite donc de la modélisation et de l'optimisation de la MSAP. En premier lieu, un modèle analytique permet d'évaluer les performances globales des centaines de machines très rapidement. Ce premier calcul permet de sélectionner les meilleures machines à l'application pour ensuite les optimiser. Puis, le second niveau de modélisation se base sur les réseaux de réluctances. Ce niveau plus fin permet d'une part de retrouver les performances affinées des MSAP et également de procéder à l'optimisation. Enfin, la dernière partie du rapport est consacrée à l'optimisation de la MSAP en vue d'améliorer grandement les performances et de satisfaire au mieux au cahier des charges. / The works of this thesis concern the design methodology of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) for an electric vehicle application. The first part of this report introduces the context of the study and the problem of design. Then, we have shown that it is necessary to adopt an appropriate design methodology based on the progress of each project in the design process. Thus, we proposed different levels of modeling to identify the optimal machine against the specifications, and then characterize it more finely and optimize. The second part of the report deals with the modeling and optimization of the PMSM. First, an analytical model is employed to evaluate the overall performance of hundreds of machines very quickly. The first calculation is used to select the best machine for the application and then optimize them. Then, the second level of modeling is based on reluctance networks. This model allows finer resolution of the PMSM and also permits to perform optimization. The last part of the report is devoted to the optimization of the PMSM in order to greatly improve performances and meet the specifications.

Les processus de prise de décision dans la conception demandent aux concepteurs de prioriser les spécifications et les variables afin de développer des solutions plus proches des objectifs du produit. Néanmoins, la taille des informations est souvent volumineuse et difficile à comprendre : garder la trace de la liste des variables dépendantes, des variables indépendantes et des objectifs de conception est une tâche complexe, avec potentiellement des retraitements et perte de temps, surtout lorsqu'il est nécessaire d'identifier quand une modification sur une variable peut avoir un impact sur les performances du produit.L'objectif de cette thèse est de proposer une méthode qui permettant d'obtenir un trade-off entre les objectifs de conception. Ce trade-off est basé sur deux aspects : i) le développement d'un modèle de traçabilité, gérant les informations à partir des exigences du produit (dans le domaine linguistique) jusqu'à la définition des variables (dans le domaine des nombres réels). ii) un cadre d’amélioration de la conception, fondé sur la définition des fonctions de désirabilité des objectifs de conception. La propagation de ces fonctions jusqu’à les variables de conception permettent de calculer la combinaison de valeurs qui maximisent l’index global de désirabilité de la solution.La proposition de thèse peut être comprise comme une approche hybride, comprenant une partie exploratoire interactive et une partie interactive inductive. Sur la partie exploratoire, les concepteurs peuvent modifier les variables à l'aide d'outils visuels afin de comprendre en temps réel l'impact de ces modifications sur les objectifs de conception. Sur la partie inductive, les concepteurs utilisent une méthode de pré-dimensionnement proposée, qui calcule les valeurs des variables qui maximisent la désirabilité des objectifs de conception. Cette méthode fonctionne sur un environnement de conception multidisciplinaire, avec des problèmes convexes ou non-convexes. / Preliminary design decision-making processes are related to the prioritisation of design specifications and variables in order to develop solutions that are closer to product's requirements. Nevertheless, the size of the information is often large and hard to understand: keeping in track the list of dependent variables, independent variables and design objectives is a challenging task, with potentially reprocessing and loss of time, especially when it is necessary to identify how a modification on a variable might impact the performance of the product.The objective of this thesis is to generate a method that can obtain a trade-off among the design objectives desirability. This trade-off process is supported on two aspects: i) the development of a traceability model, managing information from the input requirements (in the linguistic field) up to the variables definition (in the real numbers field). ii) A design amelioration framework, based on the definition of the design objectives desirability functions; the propagation of these functions until design variables allow to calculate the combinations of values that maximise the global desirability of the solution.The proposal of the thesis can be understood as a hybrid approach, including an interactive exploratory part and an inductive interactive part. On the exploratory part, designers can modify the variables using visual tools in order to understand in real time how these modifications have an impact on the design objectives. On the inductive part, designers make use a proposed pre-sizing method that calculates the values of the variables that maximise the desirability of the design objectives. This proposal is developed to perform on a multidisciplinary design environment, facing, either convex and non-convex problems.

La recherche dans le domaine des Environnements Virtuels (EV) pour la formation s'est souvent attachée aux aspects techniques, sans proposer une réelle démarche de conception centrée sur les utilisateurs (formés et formateurs). Pour concevoir un EV efficace, utilisable et utile pour la formation, nous proposons une méthodologie de conception prenant en compte divers aspects. En effet, dans un premier temps, il est essentiel de s'interroger sur les objectifs pédagogiques des formateurs et sur les capacités sensori-motrices et cognitives des formés. Ensuite, les capacités technologiques doivent être étudiées. Enfin, l'EV et les fonctionnalités utiles peuvent être spécifiées. Notre méthodologie de conception est basée sur trois composantes fondamentales dans les EV : l'immersion et l'interaction sensori-motrices (i.e. les interactions physiques des utilisateurs avec le système), l'immersion et l'interaction cognitives (i.e. les raisonnements et les comportements des utilisateurs) et l'immersion et l'interaction fonctionnelles (i.e. l'apprentissage et le transfert de la tâche).<br />La réalité virtuelle (RV) est souvent utilisée comme moyen technique pour immerger un formé dans des environnements le plus proche possible de la réalité. Les limitations technologiques actuelles ne permettent pas de s'approcher parfaitement de la réalité. De plus, les formateurs ont souvent besoin de fournir des explications s'appuyant sur des situations éloignées du réel afin d'aider les formés à prendre du recul et à mieux comprendre cette réalité. Les nombreuses potentialités de la RV permettent de proposer différents niveaux de réalisme.<br />Pour gérer ces niveaux de réalisme et optimiser les fonctionnalités offertes par la RV en fonction de objectifs pédagogiques et des difficultés des formés, nous proposons un Agent Pédagogique Intelligent (HAL : Help Agent for Learning)<br />HAL a été conçu pour aider les formateurs à construire un discours pédagogique en environnement virtuel en proposant deux types de stratégies pédagogiques adaptatives. Les premières modifient des aspects du scénario (pannes, conditions météorologiques, etc.). Les secondes fournissent des aides pour la compréhension de la situation (suggérer où le formé peut trouver la connaissance, expliquer une règle, montrer la conséquence de ses erreurs, etc.). Ces stratégies peuvent être mise en œuvre grâce à différentes formes d'assistance pédagogique gérant différents niveaux de réalisme (enrichissement, visualisation de mécanismes cachés, modélisation de concepts abstraits, etc.) HAL est basé sur un système multi-agent permettant de décrire une architecture modulaire et distribuée.<br />Une application professionnelle et industrielle réelle nous a permis de mettre en œuvre notre méthodologie de conception basée sur les aspects cognitifs, d'exploiter un grand nombre de potentialités de la RV et de mettre en évidence l'apport de HAL pour gérer ces fonctionnalités. L'objectif de cette application est de former des conducteurs de TGV à l'intervention sur Lignes à Grande Vitesse (descente sur les voies et manipulation d'appareils de voie.)

Dans ce mémoire de synthèse d'habilitation à diriger des recherches, je présente les travaux en simulation multi-agents que j'ai menés au sein de l'équipe SMAC (LIFL, Université Lille 1) depuis le début de ma carrière d'enseignant-chercheur en 2002. Ceux-ci portent sur la conception et la mise en application de méthodes et d'outils de simulation destinés à faciliter la modélisation de systèmes complexes à large échelle. Dans ce but, j'ai développé avec mes collègues une approche " orientée interactions " caractérisée par une unification des concepts utilisés dans le domaine des SMA. Elle a donné lieu à une importante élaboration méthodologique et algorithmique (la méthode IODA) dans laquelle toute entité du modèle est représentée par un agent, et tout comportement par une règle appelée interaction. Cette méthode s'appuie sur une séparation entre déclaratif et procédural qui facilite l'acquisition de l'expertise auprès des thématiciens. Par ailleurs de nombreux outils logiciels sont nés de ces recherches (dont la plateforme JEDI et une extension IODA pour la plateforme NetLogo), ainsi que diverses applications dans des domaines variés (biologie cellulaire, serious games, marketing, cartographie). Pour conclure, je présente mon projet de recherche pour les prochaines années qui se propose d'articuler des problématiques issues de travaux récents, d'une part sur la simulation multi-niveaux (qui vise à définir un cadre opérationnel permettant le changement d'échelle d'observation ou de point de vue sur les sous-systèmes d'un système complexe), et d'autre part sur la recherche automatique d'informations dans des données réelles pour augmenter le réalisme comportemental des populations d'agents. Par ailleurs une collaboration avec l'IGN sur l'utilisation de ces techniques pour la généralisation cartographique permet également d'envisager la transposition de ces méthodes de simulation à la résolution de problèmes.

La prise en compte des enjeux environnementaux est aujourd'hui un point essentiel dans la stratégie de développement durable des entreprises. La revue de la littérature montre que l'écoconception n'est pas simple à intégrer du fait de ses spécificités. Malgré le nombre important d'outils et de méthodes existantes, les entreprises rencontrent encore souvent des difficultés à intégrer l'écoconception dans leur processus de conception.Ces recherches proposent donc une solution couplant une méthodologie et une plateforme logicielle. La méthodologie guide l'équipe de conception à travers une série d'étapes à réaliser dans le processus de conception. Et pour gérer les activités d'écoconception, nous avons défini la structure d'une plateforme logicielle rassemblant les outils nécessaires à l'équipe de conception : des outils pour la conception du cycle de vie du produit, un outil d'évaluation des impacts coût et environnement, un outil d'aide à base de règles de conception et d'études de cas, un outil de suivi des indicateurs projet et des bases de données en relation avec le modèle produit et son cycle de vie.Les résultats de deux expérimentations industrielles démontrent la validité de notre proposition. Cependant, une limite de la plateforme a été identifiée lors du second cas d'étude. Une troisième expérimentation a donc été réalisée lors d'un atelier pendant une conférence internationale pour solutionner ce point. / Today the consideration of environmental issues is essential in relation to companies' sustainability policy. The literature review reveals that ecodesign is not an easy viewpoint to integrate due to its specificities. Despite the great number of existing tools and methods, companies still encounter difficulties for implementing ecodesign in their design process.This research work aims at providing a combined solution including a methodology supported by a software platform. The methodology guides the design team through a series of steps to realize in the design process. And, to manage ecodesign activities, we defined the structure of a software platform gathering the necessary tools for the design team: tools for the design of the product life cycle, an assessment tool for the cost and the environmental impacts, a guidance tool based on ecodesign rules and case studies, a monitoring tool for the project indicators, and databases in relation with the model of the product and its life cycle.The results of two industrial experiments demonstrate the validity of our proposition. However, a limit of the platform has been identified during the second case study. A third experiment has therefore been realised during a workshop in an international conference to tackle this point.

Le transport et la distribution de l'énergie électrique sont traditionnellement réalisés en alternatif (50 Hz ou 60 Hz), un des éléments-clés de ces infrastructures est le transformateur de puissance. Ce dernier est utilisé depuis plus d'un siècle et donc sa conception est maîtrisée (avec des rendements très élevés, supérieurs à 99 %). Depuis quelques années, la part des énergies renouvelables est en constante augmentation. Bien souvent, la production des énergies renouvelables est éloignée des centres de consommation. Or, le transport en courant continu sous haute tension (HVDC) sur de grandes distances est plus rentable. Dans ce cas, nous avons besoin de convertisseurs de puissance fonctionnant pour certains avec des Transformateurs Moyennes Fréquences (TMF) entre 1 kHz et quelques dizaines de kilohertz. Dans ces applications, la recherche du rendement maximal est primordiale. L'augmentation de la fréquence de fonctionnement a pour effet bénéfique de diminuer l'encombrement d'un transformateur. Cependant un certain nombre de problèmes vont apparaître avec cette augmentation. Nous pouvons citer : les pertes dans les conducteurs et dans le circuit magnétique sont liées à la fréquence ; le type de bobinages (fil de Litz et feuillard) et les matériaux magnétiques (ferrites et nanocristallins) en moyennes fréquences sont différents de ceux utilisés en 50 Hz ; le refroidissement est plus complexe car la densité de puissance volumique est plus élevée... Ainsi dans cette thèse, nous avons mis en place une méthodologie de conception afin de maîtriser au mieux le dimensionnement d'un TMF avec un compromis précision et coût de calculs. Nous avons identifié les modèles (analytiques et numériques) susceptibles d'être utilisés pour estimer les performances d'un TMF. Deux TMF d'une puissance de 180 kVA et de 1 kVA ont été dimensionnés, fabriqués et testés afin de mettre en évidence le domaine de validité et d'ajuster les différents modèles. Ce travail nous a permis de mettre en place une méthodologie de conception allant des spécifications du convertisseur jusqu'à la simulation de celui-ci avec le modèle du transformateur dimensionné. Nous avons mis en évidence : l'influence de paramètres technologiques sur l'élévation de la résistance pour des bobinages de type feuillard et l'influence de paramètres technologiques sur les propriétés magnétiques des matériaux nanocristallins. Ce travail de thèse a été réalisé avec le groupe « Matériaux du Génie Electrique » du laboratoire Ampère et financé par l'institut pour la transition énergétique SuperGrid Institute / The transmission and distribution of electric power is normally made by ac networks (50 Hz or 60 Hz), where one of the key elements of this infrastructure is the power transformer; used for more than a century, its design is very well understood, with a level of operating efficiency normally greater than 99%. In recent years, the share of renewable energy has been increasing. Often times the energy generated from renewable sources is produced far from consumption centers, and so transportation in the form of high voltage direct current (HVDC) over long distances is more profitable, due to the lower losses seen than with HVAC after a certain length of transmission line. In this case, we need power converters operating with Medium Frequency Transformers (MFT) from 1 kHz to tens of kilohertz. For these applications, the research of their maximum efficiency in operation is paramount. Increasing the transformer operating frequency has the beneficial effect of reducing its size. However, a number of problems will appear with this frequency increase, such as: the increase in the losses in the conductors and the magnetic circuit that are related to the frequency; the less well understood winding type (Litz wire and foil) and magnetic materials (ferrites and nanocrystalline) in the MF that are different from those used at 50 Hz; the cooling is more complex because the power density is higher, etc. In this thesis, a design methodology was developed in order to optimise the design of MFTs with respect to the compromise between accuracy and the length of calculations. In addition, analytical and numerical models were identified that can be used to accurately estimate the performance of an MFT. Furthermore, two MFTs (apparent power: 180 kVA and 1 kVA, respectively) were sized, manufactured and tested in order to demonstrate the domain of validity of the models, and also for optimisation of the different models. This work has enabled the development of a design methodology using the converter specifications and build a simulation with complete model of the transformer, which can then be used to validate an MFT design. We have highlighted: the influence of the technological parameters on the rise of resistance in the foil coils and the influence of the technological parameters on the magnetic properties of nanocrystalline materials. This work was performed with the group "Materials for Electrical Engineering" Ampère laboratory and funded by the Institute for Energy Transition SuperGrid Institute.

L'objet de la thèse est la modélisation de systèmes hétérogènes intégrant différents domaines de la physique et à signaux mixtes, numériques et analogiques (AMS). Une étude approfondie de différentes techniques d'extraction et de calibration de modèles comportementaux de composants analogiques à différents niveaux d'abstraction et de précision est présentée. Cette étude a mis en lumière trois approches principales qui ont été validées par la modélisation de plusieurs applications issues de divers domaines: un amplificateur faible bruit (LNA), un capteur chimique basé sur des ondes acoustiques de surface (SAW), le développement à plusieurs niveaux d'abstraction d'un capteur CMOS vidéo, et son intégration dans une plateforme industrielle. Les outils développés sont basés sur les extensions AMS du standard IEEE 1666 SystemC mais les techniques proposées sont facilement transposables à d'autres langages tels que VHDL-AMS ou Verilog-AMS utilisés en conception de dispositifs mixtes.

Les applications grand public comme la téléphonie mobile ou les cartes bancaires manipulent des données confidentielles. A ce titre, les circuits qui les composent font de plus en plus l'objet d'attaques qui présentent des menaces pour la sécurité des données. Les concepteurs de systèmes sur puce (SoC) doivent donc proposer des solutions sécurisées, tout en limitant le coût et la complexité globale des applications. L’analyse des attaques existantes sur les circuits numériques nous a orienté vers celles se basant sur la tension d'alimentation, dans des nœuds technologiques avancés.Dans un premier temps, nous avons déterminé la signature électrique d’un circuit en phase de conception. Pour cela, un modèle électrique a été proposé, prenant en compte la consommation en courant et la capacité de la grille d'alimentation. L'extraction de ces paramètres ainsi que l'évaluation du modèle sont présentées. L’utilisation de ce modèle a permis de mesurer la vulnérabilité d’un circuit mais aussi d’évaluer quantitativement des contremesures, notamment celle utilisant des capacités de découplage. Ensuite, l’étude se consacre à l’injection de fautes par impulsions de tension d’alimentation. Les mécanismes d’injection de fautes sur des circuits numériques ont été étudiés. Dès lors, des solutions de détection d’attaques ont été proposées et évaluées à la fois en simulation et par des tests électriques sur circuit. Les résultats ont permis de confirmer les analyses théoriques et la méthodologie utilisée.Ce travail a ainsi montré la faisabilité de solutions à bas coût contre les attaques actives et passives en tension, utilisables dans le cadre d’un développement industriel de produits. / General use products as mobile phones or smartcards manipulate confidential data. As such, the circuits composing them are more and more prone to physical attacks, which involve a threat for their security. As a result, SoC designers have to develop efficient countermeasures without increasing overall cost and complexity of the final application. The analysis of existing attacks on digital circuits leads to consider power attacks, in advanced technology nodes.First of all, the power signature of a circuit was determined at design time. To do so, an electrical model was suggested based on the current consumption and the overall power grid capacitance. The methodology to extract these parameters, as well as the evaluation of the model are presented. This model allows designers to anticipate information leakage at design time and to quantify the protection of countermeasures, as the use of integrated decoupling capacitors. Then, the study was dedicated to power glitch attacks. The different fault injection mechanisms were analyzed in details. From then on, a set of detection circuits were suggested and evaluated at design time and on silicon by electrical tests. Both the theoretical analysis and the given methodology were confirmed by the test campaigns.This work demonstrated that the design of low-cost solutions against passive and active power attacks can be achieved, and used in a large scale product development.