Pour accroître l'autonomie des systèmes embarqués tels que les téléphones ou les ordinateurs portables, de nombreuses recherches sur la conception de circuits intégrés ont été réalisées en vue de réduire la consommation d'énergie. Ces travaux de thèse ont pour but de proposer au concepteur des moyens de concevoir des circuits intégrés numériques à faible consommation d'énergie. Trois étapes importantes vers la réduction de la consommation d'énergie ont été proposées. L'utilisation de la logique asynchrone représente le premier pas vers la réduction de la consommation d'énergie. En effet, de nombreux travaux réalisés ces dernières années ont montré que les circuits asynchrones présentent la propriété intrinsèque de consommer moins d'énergie que les circuits implémentés en logique synchrone. Le second pas important est d'offrir au concepteur des outils lui permettant d'obtenir des informations sur l'activité et la consommation d'énergie du circuit lors de la conception de celui-ci. Nous avons spécifié un estimateur d'activité et un estimateur de la consommation d'énergie qui permettent au concepteur de collecter des informations pertinentes sur la répartition de l'activité et de la consommation d'énergie d'un circuit lors d'une simulation donnée. Enfin, des techniques d'optimisation sont proposées pour réduire la consommation d'énergie des circuits. La méthodologie d'estimation et les techniques d'optimisation de la consommation d'énergie ont été appliquées à la réalisation d'un processeur, les résultats ont montré une réduction de la consommation d'énergie de 24%.

Les systèmes embarqués multiprocesseur monopuces (Multi-Processor System-on-Chip, MPSoC) visent l'intégration des sous-systèmes variés, matériels et logiciels, sur une seule puce. Ainsi, l'hétérogénéité et les contraintes imposées pour la mise sur le marché rendent l'analyse en vue de l'évaluation des performances et de l'optimisation de ces systèmes très complexes. L'évaluation des performances est une étape clef dans n'importe quel flot de conception. En se basant sur les résultats de l'évaluation des performances, il est possible de prendre des décisions et de réaliser des compromis pour l'optimisation du système global. La littérature prouve qu'une grande partie du temps de conception est passée dans l'évaluation des performances. De plus, les itérations dans le flot de conception deviennent prohibitives pour des systèmes complexes. Par conséquent, la réalisation des MPSoCs à rendement élevé est un défi. La solution est fortement liée à la disponibilité des méthodes rapides et précises pour l'évaluation des performances. Dans cette thèse, le terme « performances » est limité aux performances des temps d'exécution pour la réalisation finale du système. L'aspect temporel est intensivement analysé pour la validation des systèmes temps-réel et l'optimisation des sous-ensembles d'interconnexion. Nous avons également considéré la vitesse de la méthode proposée d'évaluation des performances, car les temps d'évaluation peuvent devenir prohibitifs pour des systèmes MPSoC complexes. Notre principale contribution est de définir une méthodologie globale d'évaluation des performances pour les systèmes MPSoC. Nous avons également orienté notre recherche vers les performances de l'exécution du logiciel. On a considéré l'évaluation des performances pour un modèle de haut niveau d'abstraction, afin d'avoir une vitesse élevée d'évaluation. De plus, on a inclus des annotations des temps d'exécution, afin d'avoir une bonne précision d'évaluation.

Une étude bibliographique sur les supercondensateurs a permis de faire le bilan des technologies développées et des applications potentielles, d'expliquer le principe de fonctionnement et la physique assez particulière de ces dispositifs et surtout de dégager un modèle théorique équivalent, tenant compte des différents phénomènes liés aux caractéristiques de la couche double électrique et aux procédés et matériaux entrant dans la fabrication de ces composants. En se basant sur cette théorie, nous avons pu élaboré un modèle équivalent de supercondensateurs, avec pour objectif un degré de complexité ne pénalisant ni la fidélité (précision du modèle), ni l'accessibilité (détermination et mesure des paramètres du modèle), ni l'exploitation (utilisation et intégration du modèle dans les outils et supports de simulation). Une procédure expérimentale bien déterminée a été établie pour l'identification des paramètres du modèle et un travail expérimental et de simulation conséquent a permis de valider le modèle proposé.

À seulement quinze ans après leur découverte par Sumio Iijima, les nanotubes de carbone sont devenus un des piliers de la nanotechnologie. La géométrie parfaite et la nature unidimensionnelle confère aux nanotubes des propriétés structurelles, mécaniques, électroniques et optiques exceptionnelles. En conséquence, on s'attend à ce que les nanotubes envahissent des applications clef telles que les écrans à émission de champ, le stockage d'énergie, les composites structuraux, la nanoélectronique, les capteurs et les actuateurs, etc. <br />Cette thèse porte sur l'application de nanotubes de carbone dans le captage biochimique. Son but principal est d'utiliser et d'étendre les outils théoriques des nanotubes pour la conception des dispositifs de captage. Dans cette thèse nous proposons deux architectures différentes de captage. Le premier implique un principe électromécanique et peut être employé dans la mesure des forces faibles (~piconewtons) ou la détection des supramolécules (~zeptogrammes). Le deuxième capteur est basé sur le changement de conductance d'un nanotube de carbone exposé aux acides aminés aromatiques. La validation de ces deux architectures différentes est réalisée à l'aide de la modélisation et de la simulation.<br />L'effort principal de cette thèse a été concentré sur le développement de méthodes de simulation très efficaces par rapport au grand nombre d'atomes employés. Un problème récurrent que nous avons rencontré est le scaling cubique dans le nombre d'atomes, du calcul de la conductance quantique. Nous sommes parvenus à rendre le calcul de la conductance linéaire par des techniques d'espace réel.

Ces dernières années, la complexité des puces a augmenté exponentiellement. La possibilité d'intégrer plusieurs processeurs sur la même puce représente un gain important, et amène au concept du système multiprocesseur hétérogène sur puce (MP-SoC). Cet aspect a permis d'amplifier de manière significative la puissance de calcule fourni par ce type de puce. Il est même devenu possible d'intégrer des applications complexes sur une seule puce, applications qui nécessitent beaucoup de calculs, de communications et de mémoires. Dans cette catégorie, on peut trouver les applications de traitement vidéo MPEG4. Pour obtenir de bonnes implémentations en termes de performances, (1) un algorithme de l'encodeur MPEG4 flexible a été réalisé, pouvant être facilement adapté pour différents types de paramètres d'algorithme, mais également différents niveaux de parallélisme/pipeline. Puis, (2) une modélisation flexible a été utilisée, pour représenter différents models d'algorithme et d'architecture contenant 2 SMP. Utilisant ces models, (3) une exploration d'algorithme et d'architecture à un haut niveau d'abstraction a été proposé, en vue de trouver les configurations correctes d'algorithme et d'architectures, nécessaires pour différents applications. A partir de ces configurations, (4) un flot automatique d'implémentation d'architectures RTL a été utilisé. En utilisant ces aspects, l'encodeur MPEG4 a été implémenté avec succès dans plusieurs architectures spécifiques MP-SoC au niveau RTL. La même approche a été utilisée pour l'implémentation de l'encodeur MPEG4 sur une architecture quadri-processeurs existante, pour différentes résolutions, frame-rate, bitrates, etc.

L'analyse des flots de conception classiques montre que les causes d'un tel coût de développement peuvent être ramenées, en grande partie, à l'intégration tardive des parties logicielles et matérielles d'un système multiprocesseurs mono puces (MPSoC). Les travaux de cette thèse s'intéressent à ce problème d'intégration tardive en proposant un modèle unifié permettant la représentation conjointe à différent nivaux d'abstraction des architectures logicielles/matérielles. Ce modèle doit faciliter la conception graduelle de ces architectures tout en permettant la validation et l'évaluation, à chaque niveau d'abstraction, des performances qui en découlent. Les contributions apportées par cette thèse sont (1) la définition d'un modèle de représentation unifié et à différents niveaux d'abstraction des architectures logicielles/matérielles des systèmes MPSoC basé sur le concept d'interface abstraite logiciel/matériel, (2) la spécification d'une sémantique d'exécution de ce modèle dans le cadre d'un environnement de cosimulation globale basé sur SystemC et (3) la proposition d'une méthodologie de raffinement automatique de ces interfaces abstraites exploitant une technologie de composition à base de graphe de dépendance de services.

Today's systems-on-chip are multiprocessor. They are characterized by an increasing complexity and a reduced time to market. To tackle this complexity, the use of high level programming models seems to be a promising approach. In this work, we propose an MPSoC design flow, based on the use of high level parallel programming models API to design embedded software. An automated refinement of these API on target architecture is used. For that purpose, (1) MPSoC hardware/software interfaces were studied; then (2) parallel programming models and their classification in terms of provided abstraction were presented. The proposed flow has been used in two design experiments: (1) an MPEG video encoder, namely OpenDivX, using the MPI parallel programming model and targeting the ARM Integrator prototyping platform, (2) a software defined radio using the CORBA parallel programming model and targeting specific hardware architecture.

L'intégration dans une seule puce de un ou plusieurs processeurs et de composants matériels spécifiques permet le développement de systèmes complexes appelés systèmes monopuce. L'accroissement de la complexité de ces systèmes fait de la maîtrise de leurs conceptions un défi à relever par les concepteurs.<br />La réutilisation des composants dans ces systèmes est rendue difficile par leur hétérogénéité, notamment en terme de protocole et d'interface physique. Une solution est offerte par l'abstraction des communications entre les composants dans un modèle du système. Un flot de conception doit alors permettre de passer de cette représentation abstraite au circuit final dans lequel les composants du système sont connectés par des interfaces de communication à un réseau de communication.<br />Les contributions apportées par cette thèse à cette méthodologie sont la définition d'un modèle de spécification des interfaces de communication basé sur un graphe de dépendances de services, ainsi qu'une méthodologie pour la génération automatique d'interfaces de communication pour les systèmes monopuces. Cette méthodologie a amené au développement d'un outil de génération automatique de ces interfaces. L'approche proposée a été validée à travers deux expérimentations : une interface en charge de la détection d'erreurs de transmissions et une interface avec un bus AMBA pour la réalisation de primitives MPI.

Ce travail de thèse s'intègre dans le cadre du développement de nouvelles approches de conception afin de réduire significativement la consommation électrique des Systèmes sur Puce (SoC)ou des Objets Communicants utilisés pour traiter numériquement des signaux. Le but est alors d'obtenir des systèmes entièrement contrôlés par les événements contenus dans les signaux. Dans ce contexte, une nouvelle catégorie de chaîne de traitement est définie, associant une implémentation matérielle asynchrone (sans horloge globale) et un échantillonnage non uniforme dans le temps dit « par traversée de niveaux ». Un convertisseur Analogique/Numérique dédié à<br />cette tâche ayant déjà été réalisé, ce travail se focalise sur le traitement des données composées de couples amplitude-temps dont cette thèse montre que toute opération doit obligatoirement prendre en compte l'information temporelle. Des filtres numériques à réponse impulsionnelle finie (RIF) et infinie (RII) sont alors définis dans le cadre de signaux échantillonnés non uniformément. Des architectures sont proposées puis comparées à celles utilisées classiquement montrant que la complexité combinatoire était accrue. Un critère sur le choix de la technologie à privilégier, spécifiant la charge de calcul totale sur une durée finie, montre alors qu'en diminuant le nombre de points traités, l'approche asynchrone peut compenser le surcoût de complexité. Ainsi le traitement de signaux faiblement actifs par une chaîne asynchrone, combinant échantillonnage non uniforme et conception asynchrone, permet de réduire son activité moyenne et donc la consommation du circuit intégré, rendant cette technologie très attractive pour le domaine des SoC.

Cette thèse se situe dans le domaine de la microélectronique à haute température, et concerne particulièrement les applications industrielles à bas coût et grand volume de production. A partirde l'étude de la physique des composants semiconducteurs et des<br />matériaux pour la microélectronique, cette thèse élargit jusqu'à environ 250C la plage de température d'utilisation des technologies CMOS et BiCMOS standards, sur substrat de silicium, à travers des techniques de conception de circuits intégrés, sans toutefois modifier les procédés de fabrication. Les études et les tests ont été expérimentés sur une technologie CMOS et une technologie BiCMOS commerciales. Deux applications industrielles, représentatives du marché potentiel des applications des circuits intégrés à haute température, ont permis de vérifier dans la pratique les résultats théoriques obtenus.