Cette thèse, effectuée dans le cadre du projet Européen MEDEA+, PICS, porte sur la conception d'imageurs CMOS destinés aux applications de sécurité automobile et de surveillance. Le travail s'est focalisé sur l'amélioration de la dynamique de fonctionnement des imageurs CMOS tout en conservant des valeurs de bruit spatial fixe, une consommation et une surface de pixel minimales. Plusieurs solutions ont été explorées, les pixels à compresseur logarithmique, les pixels à temps d'intégration et les pixels intégrant une adaptation aux conditions lumineuses. Ces études ont abouties à la conception et la fabrication de quatre imageurs CMOS. Ces capteurs ont été testés et ont permis de valider les approches choisies.

ETUDE DU BRUIT DE FOND DE TRANSISTORS BIPOLAIRES COMPORTANT 4 PARTIES: ETUDE THEORIQUE DE LA ZONE ACTIVE DU COMPOSANT EN PRENANT EN COMPTE LES EFFETS DE LA DEFOCALISATION DES LIGNES DE COURANT EMETTEUR, PRISE EN COMPTE DES ZONES PASSIVES ET DES ELEMENTS PARASITES, DESCRIPTION DES TECHNIQUES D'IDENTIFICATION DES PARAMETRES DU MODELE ET DES METHODES DE MESURE DU FACTEUR DE BRUIT, CONFRONTATION DES RESULTATS THEORIQUES ET EXPERIMENTAUX.

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La technologie de fabrication actuelle permet l'intégration d'un système multiprocesseur complexe sur une seule pièce de silicium (MPSoC pour Multiprocessor System-on-Chip). Une façon de maîtriser la complexité croissante de ces systèmes est d'augmenter le niveau d'abstraction et d'aborder la conception au niveau système. Cependant, l'augmentation du niveau d'abstraction peut engendrer un fossé entre les concepts au niveau système et ceux utilisés pour l'implémentation de l'architecture Matériel/Logiciel du MPSoC. L'objectif de cette thèse est de combler le gap entre les deux niveaux d'abstractions utilisés en proposant une passerelle efficace entre les outils d'aide au développement d'algorithmes (Matlab\Simulink) et les outils de conception des architectures (ROSES et macro-Cell builder). Ceci est accompli : - En définissant un modèle intermédiaire transactionnel dans l'environnement Simulink. Ce modèle intermédiaire combine l'algorithme et l'architecture. Il permet la définition précoce de la plateforme d'implémentation et établit une continuité entre le modèle fonctionnel et le modèle architectural. - En automatisant le passage entre le niveau système et le niveau architectural, dans le but d'accélérer la procédure de la conception des MPSoCs et de réduire la quantité des erreurs provoquées par le travail manuel dans un environnement unifié. La pertinence de ce travail a été évaluée par son application à la conception du décodeur MP3 présenté dans ce mémoire.

Nous proposons une nouvelle méthodologie de simulation symbolique, permettant la vérification des circuits séquentiels décrits à des niveaux d'abstraction différents. Nous avons utilisé un outil automatique de vérification formelle afin de montrer l'équivalence entre une description structurelle précisant les détails de réalisation et sa spécification comportementale. Des descriptions au niveau portes logiques issues d'un outil de synthèse commercial ont été comparées à des spécifications comportementales et structurelles au niveau transfert des registres. Cependant, il n'est pas nécessaire que la spécification soit synthésable ni qu'elle soit équivalente à la réalisation à chaque cycle d'horloge. Ultérieurement cette méthode pourra aussi s'appliquer à la vérification des propriétés. La simulation symbolique est exécutée en suivant des chemins dont l'outil garantit la cohérence logique. Nous obtenons un bon compromis entre précision et vitesse en détectant des équivalences grâce à un ensemble extensible de techniques. Nous utilisons des diagrammes de décisions binaires (OBDD) pour détecter les équivalences dans certains cas particuliers. Nous évitons l'explosion combinatoire en utilisant les résultats des autres techniques de détection et en ne représentant qu'une petite partie du problème à vérifier par des diagrammes de décisions. La coopération de toutes les techniques, et la génération de traces permettant la correction d'erreurs, ont été rendues possibles par le fait que nous associons des relations à des classes d'équivalence, au lieu de manipuler des expressions symboliques.

La micro-électronique est considérée comme une technologie révolutionnaire compte-tenu de la dynamique qu'elle a insufflée à l'économie mondiale depuis l'invention du circuit intégré dans les années 50. Jusqu'à récemment, les défis technologiques relevés ont consisté à conserver une ligne directrice de développement fondée sur une simple réduction des dimensions du transistor MOS, faisant basculer la micro-électronique dans l'ère de la nanoélectronique. Industriels et chercheurs tentent aujourd'hui de repousser les limites physiques imposées par la réduction d'échelle en agissant sur différents leviers technologiques, afin d'améliorer les performances des dispositifs sans avoir à en réduire les dimensions. Les travaux présentés résument mon activité de recherche menée au CEA-Léti depuis 2001, dans le contexte général du développement des technologies CMOS pour les noeuds avancés (i.e. le 65nm pour le début des années 2000, le 14nm et en deçà à l'heure actuelle), avec un focus plus particuliers sur l'étude du transport dans le canal des transistors MOS. Trois voies principales ont été explorées, et seront analysées et commentées : * les nouveaux matériaux de grille, avec l'introduction des oxydes à forte permittivité (high-κ) et des grilles métalliques. * l'ingénierie de la mobilité, avec entre autres l'utilisation de matériaux à plus forte mobilité comme les alliages SiGe, ou encore l'exploitation des contraintes. * les nouvelles architectures de transistor, avec la réalisation de films minces et de transistors multi-grilles ou à grille enrobante.

Lors du développement d'un nouvel avion, la phase précédant l'obtention du certificat de navigabilité est basée sur de nombreux essais au sol ou en vol. L'une des formes d'essai les plus délicates est la mesure de la pression de l'air autour de l'aile. Ces mesures permettent à la fois d'évaluer les deux composantes fondamentales de l'aérodynamisme que sont la portance et la trainée, de valider les résultats de simulation, et d'améliorer les données d'entrée des souffleries virtuelles pour les futurs développements. Dans le domaine spatial, le lancement est l'une des phases les plus critiques pour les systèmes. En effet, les structures doivent faire face à un stress mécanique et à des vibrations importantes qui ne doivent endommager ni le satellite ni les instruments embarqués. Des essais sol particulièrement rigoureux sont donc réalisés préalablement au lancement afin de vérifier que la charge utile ne sera pas endommagée. Des milliers de capteurs de pression ou de jauges de contrainte sont utilisés par les industriels du secteur pour ce type d'essais. Tous ces éléments sont aujourd'hui connectés entre eux par des fils. La première difficulté liée à cette forme d'installation est le poids supplémentaire imposé à la structure. Ce poids représentant une préoccupation importante en aéronautique, il est très délicat d'alourdir l'avion en ajoutant, le temps de l'essai, une quantité importante de câbles sur l'aile dans le seul but de connecter des capteurs entre eux. D'autres contraintes sont également associées au déploiement de ces réseaux de capteurs. La mise en place ces systèmes de mesure filaire engendre en effet un cout important, tant en raison du prix des câbles que de la très longue immobilisation de l'appareil nécessaire à l'installation du système. Cette dernière contrainte financière, très lourde, est de plus en plus difficile à supporter pour les industriels. Le remplacement des réseaux de mesure classiques par des réseaux de capteurs sans fil est une solution évidente aux différents problèmes soulevés. Cela permettrait également d'augmenter le nombre de points de mesure. Malgré le grand intérêt porté à la question des réseaux de capteur sans fil, les verrous technologiques sont encore très nombreux et il n'existe aujourd'hui aucun protocole permettant de répondre aux attentes et besoins des professionnels de l'aéronautique. Les protocoles classiques comme ZigBee ou Bluetooth ne permettent en effet d'atteindre, ni le débit nécessaire (plus de 100Mbits/s) ni le nombre de nœuds du réseau (plus de 800). Les travaux présentés dans cette thèse ont ainsi vocation à répondre aux besoins d'un canal de communication très haut débit, basse consommation, à faible puissance d'émission, fiable et autorisant un grand nombre de nœuds. Des mesures en conditions réelles effectuées à l'aide de circuits commerciaux reposant sur le protocole MB-OFDM/Wimedia, le standard le plus approchant du besoin exprimé, ont servi à la définition des bases de l'étude et ont permis de choisir des pistes de développement. Les mesures effectuées ayant démontré la spécificité de l'environnement de propagation, et n'ayant pas permis de définir un modèle de propagation suffisamment fiable, il est apparu nécessaire de recourir à un flot de conception utilisant des outils de synthèse de code automatique. Ce mode de développement, relativement original dans un contexte de recherche, a permis d'identifier précisément les besoins matériels nécessaires à la conception du démonstrateur, et de réduire considérablement le délai entre le choix des algorithmes et leurs tests en conditions réelles. La couche physique développée est basée sur un système OFDM ultra large bande permettant d'atteindre un débit de plus de 150 Mbits/s. Un démonstrateur parfaitement fonctionnel, implémenté sur FPGA et composé de quatre nœuds communicants a été réalisé et a permis de valider la couche physique. Enfin sont présentées des pistes pour le développement d'un ASIC numérique permettant d'atteindre l'objectif de faible consommation.

Dans le contexte des Sciences de l'Information et de la Technologie, un des challenges est de créer des systèmes de plus en plus petits embarquant de plus en plus d'intelligence au niveau matériel et logiciel avec des architectures communicantes de plus en plus complexes. Ceci nécessite des méthodologies robustes de conception afin de réduire le cycle de développement et la phase de prototypage. Ainsi, la conception et l'optimisation de la couche physique de communication est primordiale. La complexité de ces systèmes rend difficile leur optimisation notamment à cause de l'explosion du nombre des paramètres inconnus. Les méthodes et outils développés ces dernières années seront à terme inadéquats pour traiter les problèmes qui nous attendent. Par exemple, la propagation des ondes dans une cabine d'avion à partir des capteurs ou même d'une antenne, vers le poste de pilotage est grandement affectée par la présence de la structure métallique des sièges à l'intérieur de la cabine, voir les passagers. Il faut, donc, absolument prendre en compte cette perturbation pour prédire correctement le bilan de puissance entre l'antenne et un possible récepteur. Ces travaux de recherche portent sur les aspects théoriques et de mise en oeuvre pratique afin de proposer des outils informatiques pour le calcul rigoureux de la réflexion des champs électromagnétiques à l'intérieur de très grandes structures . Ce calcul implique la solution numérique de très grands systèmes inaccessibles par des ressources traditionnelles. La solution sera basée sur une grille de calcul et un supercalculateur. La modélisation électromagnétique des structures surdimensionnées par plusieurs méthodes numériques utilisant des nouvelles ressources informatiques, hardware et software, pour dérouler des calculs performants, représente le but de ce travail. La modélisation numérique est basée sur une approche hybride qui combine la méthode Transmission-Line Matrix (TLM) et l'approche modale. La TLM est appliquée aux volumes homogènes, tandis que l'approche modale est utilisée pour décrire les structures planaires complexes. Afin d'accélérer la simulation, une implémentation parallèle de l'algorithme TLM dans le contexte du paradigme de calcul distribué est proposé. Le sous-domaine de la structure qui est discrétisé avec la TLM est divisé en plusieurs parties appelées tâches, chacune étant calculée en parallèle par des processeurs différents. Pour accomplir le travail, les tâches communiquent entre elles au cours de la simulation par une librairie d'échange de messages. Une extension de l'approche modale avec plusieurs modes différents a été développée par l'augmentation de la complexité des structures planaires. Les résultats démontrent les avantages de la grille de calcul combinée avec l'approche hybride pour résoudre des grandes structures électriques, en faisant correspondre la taille du problème avec le nombre de ressources de calcul utilisées. L'étude met en évidence le rôle du schéma de parallélisation, cluster versus grille, par rapport à la taille du problème et à sa répartition. En outre, un modèle de prédiction a été développé pour déterminer les performances du calcul sur la grille, basé sur une approche hybride qui combine une prédiction issue d'un historique d'expériences avec une prédiction dérivée du profil de l'application. Les valeurs prédites sont en bon accord avec les valeurs mesurées. L'analyse des performances de simulation a permis d'extraire des règles pratiques pour l'estimation des ressources nécessaires pour un problème donné. En utilisant tous ces outils, la propagation du champ électromagnétique à l'intérieur d'une structure surdimensionnée complexe, telle qu'une cabine d'avion, a été effectuée sur la grille et également sur le supercalculateur. Les avantages et les inconvénients des deux environnements sont discutés.