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

Dans cette thèse, on s'est intéressé à trois problématiques des réseaux de capteurs sans fil (WSN). Dans un premier temps nous avons analysé l'impact de la chute de tension dans la batterie du nœud sur la puissance du signal en réception. On propose alors une méthode pour compenser l'augmentation apparente de la distance calculée entre les nœuds due à la diminution de l'énergie de la batterie. Pour les nœuds passant par deux états principaux endormi et actif, on propose d'étudier, la relation entre la diminution de la tension de la batterie en fonction du temps passé par un nœud dans l'état actif. Ensuite, on calcule le rapport entre la RSS et la distance entre les nœuds connectés avec des batteries complètement chargées. Après on mesure la RSS en faisant varier la tension de la batterie du nœud émetteur et en gardant le nœud récepteur à une distance constante. Finalement, on propose une relation entre la RSS observée et la tension actuelle de la batterie du nœud émetteur. Cette fonction permet de calculer la valeur corrigée de la RSS qui correspond à la distance réelle entre les nœuds connectés. Ainsi l'efficacité des méthodes de la localisation basée sur la RSS se trouvent améliorées. Dans la deuxième partie de cette thèse on propose une méthode d'estimation des positions des nœuds dans un WSN. Dans l'algorithme de localisation proposé, on utilise des nœuds ancres comme des points de référence. On a utilisé une approche heuristique pour trouver la topologie relative avec l'aide de la matrice de distance. Le but de la matrice de distance est d'indiquer s'il existe une connexion entre une paire de nœuds donnée et en cas de connectivité, la distance estimée entre ces nœuds. En utilisant les informations de connectivité entre les nœuds et leurs distances, on obtient la topologie du réseau. La méthode proposée utilise la solution de l'intersection de deux cercles au lieu de la méthode classique de triangulation, où un système quadratique de trois équations avec deux variables est utilisé ce qui rend la complexité de calcul augmentée. Lorsque deux nœuds connectés ont un autre nœud en commun, puis en utilisant les informations de distances entre ces nœuds interconnectés, nous pouvons calculer deux positions possibles pour le troisième nœud. La présence ou l'absence d'un lien entre le troisième nœud et un quatrième nœud, permet de trouver la position précise. Ce processus est réitéré jusqu'à ce que toutes les positions des nœuds aient été obtenues. Une fois la topologie relative calculée, il faut trouver la symétrie, l'orientation et la position de cette topologie dans le plan. C'est à ce moment que la connaissance des positions des trois nœuds entre en action. La topologie donne les coordonnées temporaires des nœuds. En ayant une comparaison de certaines caractéristiques entre les coordonnées temporaires et les coordonnées exactes, on trouve d'abord la symétrie de la topologie relative qui correspondrait à la topologie originale. En d'autres termes on vérifie si oui ou non la topologie relative est une image miroir de la topologie originale. Des opérateurs géométriques sont alors utilisés pour corriger la topologie relative par rapport à la topologie réelle. Ainsi, on localise tous les nœuds dans un WSN en utilisant exactement trois ancres. Dans la dernière partie de cette thèse, on propose une méthode pour la détection de défauts dans un WSN. Il y a toujours une possibilité qu'un capteur d'un nœud ne donne pas toujours des mesures précises. On utilise des systèmes récurrents et non récurrents pour la modélisation et on prend comme variable d'entrée, en plus des variables du nœud en question, les informations des capteurs voisins. La différence entre la valeur estimée et celle mesurée est utilisée pour déterminer la possibilité de défaillance d'un nœud / In this thesis three themes related to wireless sensor networks (WSNs) are covered. The first one concerns the power loss in a node signal due to voltage droop in the battery of the node. In the first part of the thesis a method is proposed to compensate for the apparent increase in the calculated distance between the related nodes due to decrease in the energy of the signal sending node battery. A function is proposed whose arguments are the apparently observed RSS and the current voltage of the emitter node battery. The return of the function is the corrected RSS that corresponds to the actual distance amongst the connected nodes. Hence increasing the efficiency of the RSS based localization methods in WSNs. In the second part of the thesis a position estimation method for localization of nodes in a WSN is proposed. In the proposed localization algorithm anchor nodes are used as landmark points. The localization method proposed here does not require any constraint on the placement of the anchors; rather any three randomly chosen nodes can serve as anchors. A heuristic approach is used to find the relative topology with the help of distance matrix. The purpose of the distance matrix is to indicate whether or not a pair of nodes has a connection between them and in case of connectivity it gives the estimated distance between the nodes. By using the information of connectivity between the nodes and their respective distances the topology of the nodes is calculated. This method is heuristic because it uses the point solution from the intersection of two circles instead of conventional triangulation method, where a system of three quadratic equations in two variables is used whereby the computational complexity of the position estimation method is increased. When two connected nodes have another node in common, then by using the information of distances between these interconnected nodes, two possible positions are calculated for the third node. The presence or absence of a connection between the third node and a fourth node helps in finding the accurate possibility out of the two. This process is iterated till all the nodes have been relatively placed. Once the relative topology has been calculated, we need to find the exact symmetry, orientation, and position of this topology in the plane. It is at this moment the knowledge of three nodes positions comes into action. From the relative topology we know the temporary coordinates of the nodes. By having a comparison of certain characteristics between the temporary coordinates and the exact coordinates; first the symmetry of relative topology is obtained that would correspond to the original topology. In other words it tells whether or not the relative topology is a mirror image of the original topology. Some geometrical operators are used to correct the topology position and orientation. Thus, all the nodes in the WSN are localized using exactly three anchors. The last part of the thesis focuses on the detection of faults in a WSN. There is always a possibility that a sensor of a node is not giving accurate measurements all of the time. Therefore, it is necessary to find if a node has developed a faulty sensor. With the precise information about the sensor health, one can determine the extent of reliance on its sensor measurement. To equip a node with multiple sensors is not an economical solution. Thus the sensor measurements of a node are modeled with the help of the fuzzy inference system (FIS). For each node, both recurrent and non-recurrent systems are used to model its sensor measurement. An FIS for a particular node is trained with input variables as the actual sensor measurements of the neighbor nodes and with output variable as the real sensor measurements of that node. The difference between the FIS approximated value and the actual measurement of the sensor is used as an indication for whether or not to declare a node as faulty

L’un des défis de la science planétaire est la détermination de l’âge des surfaces des différents corps célestes du système solaire, pour comprendre leurs processus de formation et d’évolution. Une approche repose sur l’analyse de la densité et de la taille des cratères d’impact. En raison de l’énorme quantité de données à traiter, des approches automatiques ont été proposées pour détecter les cratères d’impact afin de faciliter ce processus de datation. Ils utilisent généralement les valeurs de couleur des images ou les valeurs d’altitude de "modèles numériques d’élévation" (DEM). Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche pour détecter les bords des cratères. L’idée principale est de combiner l’analyse de la courbure avec une classification basée sur un réseau de neurones. Cette approche comporte deux étapes principales : premièrement, chaque sommet du maillage est étiqueté avec la valeur de la courbure minimale; deuxièmement, cette carte de courbure est injectée dans un réseau de neurones pour détecter automatiquement les formes d’intérêt. Les résultats montrent que la détection des formes est plus efficace en utilisant une carte en deux dimensions s’appuyant sur le calcul d’estimateurs différentiels discrets, plutôt qu’en utilisant la valeur de l’élévation en chaque sommet. Cette approche réduit significativement le nombre de faux négatifs par rapport aux approches précédentes basées uniquement sur une information topographique. La validation de la méthode est effectuée sur des DEM de Mars, acquis par un altimètre laser à bord de la sonde spatiale "Mars Global Surveyor" de la NASA et combinés avec une base de données de cratères identifiés manuellement. / One of the challenges of planetary science is the age determination of the surfaces of the different celestial bodies in the solar system, to understand their formation and evolution processes. An approach relies on the analysis of the crater impact density and size. Due to the huge quantity of data to process, automatic approaches have been proposed for automatically detecting impact craters in order to facilitate this dating process. They generally use the color values from images or the elevation values from Digital Elevation Model (DEM). In this PhD thesis, we propose a new approach for detecting craters rims. The main idea is to combine curvature analysis with Neural Network based classification. This approach contains two main steps: first, each vertex of the mesh is labeled with the value of the minimal curvature; second, this curvature map is injected into a neural network to automatically detect the shapes of interest. The results show that detecting forms are more efficient using a two-dimensional map based on the computation of discrete differential estimators, than by the value of the elevation at each vertex. This approach significantly reduces the number of false negatives compared to previous approaches based on topographic information only. The validation of the method is performed on DEMs of Mars, acquired by a laser altimeter aboard NASA’s Mars Global Surveyor spacecraft and combined with a database of manually identified craters.

Le développement de méthodes de la détection en temps réel de cellules anormales (pouvant être considérées comme des cellules cancéreuses) par captures et traitements bio-images sont des axes de recherche importants dans le domaine biomédical car cela contribue à diagnostiquer un cancer. C’est dans ce contexte que se situe ces travaux de thèse. Plus précisément, les travaux présentés dans ce manuscrit, se focalise sur le développement de procédures de lecture, de détection et de classification automatiques de bio-images de cellules anormales considérées comme des cellules cancéreuses. Par conséquent, une première étape du travail à consister à déterminer une solution de détection, à partir d’images microscopiques multispectrales permettant une répétitivité d’images sur une gamme de longueurs d'ondes de certains types de bio-images anormales associées à différents stades ou évolutions de cellules cancéreuses. L’approche développée dans ces travaux repose sur l’exploitation d’une nouvelle méthode de segmentation basée sur l'intensité de la couleur et pouvant être appliquée sur des séquences d'objets dans une image en reformant de manière adaptative et itérative la localisation et la couverture de contours réels de cellules. Cette étape préalable de segmentation est primordiale et permet une classification des tissus anormaux en utilisant la méthode de réseau de neurones à convolution (CNN) appliqué sur les images microscopiques segmenté de type snake. L’approche permet d’obtenir de bas résultats comparativement à une approche basée sur d’autres méthodes de segmentation de la littérature. En effet, cette méthode de classification atteint des valeurs de performance de 100% pour la phase d’apprentissage et de 99.168 % pour les phases de test. Cette méthode est comparée à différents travaux antérieurs et basée sur différentes fonctionnalités d'extraction, et a prouvé son efficacité par rapport à ces autres méthodes. En terme de perspectives, les travaux futurs visent à valider notre approche sur des ensembles de données plus larges, et à explorer différentes architectures CNN selon différents critères d’optimisation / Development of methods for help diagnosis of the real time detection of abnormal cells (which can be considered as cancer cells) through bio-image processing and detection are most important research directions in information science and technology. Our work has been concerned by developing automatic reading procedures of the normal and abnormal bio-images tissues. Therefore, the first step of our work is to detect a certain type of abnormal bio-images associated to many types evolution of cancer within a Microscopic multispectral image, which is an image, repeated in many wavelengths. And using a new segmentation method that reforms itself in an iterative adaptive way to localize and cover the real cell contour, using some segmentation techniques. It is based on color intensity and can be applied on sequences of objects in the image. This work presents a classification of the abnormal tissues using the Convolution neural network (CNN), where it was applied on the microscopic images segmented using the snake method, which gives a high performance result with respect to the other segmentation methods. This classification method reaches high performance values, where it reaches 100% for training and 99.168% for testing. This method was compared to different papers that uses different feature extraction, and proved its high performance with respect to other methods. As a future work, we will aim to validate our approach on a larger datasets, and to explore different CNN architectures and the optimization of the hyper-parameters, in order to increase its performance, and it will be applied to relevant medical imaging tasks including computer-aided diagnosis

L’âge moyen de la population française et européenne augmente, cette constatation apporte de nouveaux enjeux techniques et sociétaux, les personnes âgées étant les personnes les plus fragiles et les plus vulnérables, notamment du point de vue des accidents domestiques et en particulier des chutes. C’est pourquoi de nombreux projets d’aide aux personnes âgées : techniques, universitaires et commerciaux ont vu le jour ces dernières années. Ce travail de thèse a été effectué sous convention Cifre, conjointement entre l’entreprise KRG Corporate et le laboratoire BMBI (Biomécanique et Bio-ingénierie) de l’UTC (Université de technologie de Compiègne). Elle a pour objet de proposer un capteur de reconnaissance de sons et des activités de la vie courante, dans le but d’étoffer et d’améliorer le système de télé-assistance déjà commercialisé par la société. Plusieurs méthodes de reconnaissance de parole ou de reconnaissance du locuteur ont déjà été éprouvées dans le domaine de la reconnaissance de sons, entre autres les techniques : GMM (Modèle de mélange gaussien–Gaussian Mixture Model), SVM-GSL (Machine à vecteurs de support, GMM-super-vecteur à noyau linéaire – Support vector machine GMM Supervector Linear kernel) et HMM (Modèle de Markov caché – Hidden Markov Model). De la même manière, nous nous sommes proposés d’utiliser les i-vecteurs pour la reconnaissance de sons. Les i-vecteurs sont utilisés notamment en reconnaissance de locuteur, et ont révolutionné ce domaine récemment. Puis nous avons élargi notre spectre, et utilisé l’apprentissage profond (Deep Learning) qui donne actuellement de très bon résultats en classification tous domaines confondus. Nous les avons tout d’abord utilisés en renfort des i-vecteurs, puis nous les avons utilisés comme système de classification exclusif. Les méthodes précédemment évoquées ont également été testées en conditions bruités puis réelles. Ces différentes expérimentations nous ont permis d’obtenir des taux de reconnaissance très satisfaisants, les réseaux de neurones en renfort des i-vecteurs et les réseaux de neurones seuls étant les systèmes ayant la meilleure précision, avec une amélioration très significative par rapport aux différents systèmes issus de la reconnaissance de parole et de locuteur. / The average age of the French and European population is increasing; this observation brings new technical and societal challenges. Older people are the most fragile and vulnerable, especially in terms of domestic accidents and specifically falls. This is why many elderly people care projects : technical, academic and commercial have seen the light of day in recent years. This thesis work wasc arried out under Cifre agreement, jointly between the company KRG Corporate and the BMBI laboratory (Biomechanics and Bioengineering) of the UTC (Université of Technologie of Compiègne). Its purpose is to offer a sensor for sound recognition and everyday activities, with the aim of expanding and improving the tele-assistance system already marketed by the company. Several speech recognition or speaker recognition methods have already been proven in the field of sound recognition, including GMM (Modèle de mélange gaussien – Gaussian Mixture Model), SVM-GSL (Machine à vecteurs de support, GMM-super-vecteur à noyau linéaire – Support vector machine GMM Supervector Linear kernel) and HMM (Modèle de Markov caché – Hidden Markov Model). In the same way, we proposed to use i-vectors for sound recognition. I-Vectors are used in particular in speaker recognition, and have revolutionized this field recently. Then we broadened our spectrum, and used Deep Learning, which currently gives very good results in classification across all domains. We first used them to reinforce the i-vectors, then we used them as our exclusive classification system. The methods mentioned above were also tested under noisy and then real conditions. These different experiments gaves us very satisfactory recognition rates, with neural networks as reinforcement for i-vectors and neural networks alone being the most accurate systems, with a very significant improvement compared to the various speech and speaker recognition systems.

Dans cette thèse, nous étudions les applications potentielles des nano-dispositifs mémoires émergents dans les architectures de calcul. Nous montrons que des architectures neuro-inspirées pourraient apporter l'efficacité et l'adaptabilité nécessaires à des applications de traitement et de classification complexes pour la perception visuelle et sonore. Cela, à un cout moindre en termes de consommation énergétique et de surface silicium que les architectures de type Von Neumann, grâce à une utilisation synaptique de ces nano-dispositifs. Ces travaux se focalisent sur les dispositifs dit «memristifs», récemment (ré)-introduits avec la découverte du memristor en 2008 et leur utilisation comme synapse dans des réseaux de neurones impulsionnels. Cela concerne la plupart des technologies mémoire émergentes : mémoire à changement de phase – «Phase-Change Memory» (PCM), «Conductive-Bridging RAM» (CBRAM), mémoire résistive – «Resistive RAM» (RRAM)... Ces dispositifs sont bien adaptés pour l'implémentation d'algorithmes d'apprentissage non supervisés issus des neurosciences, comme «Spike-Timing-Dependent Plasticity» (STDP), ne nécessitant que peu de circuit de contrôle. L'intégration de dispositifs memristifs dans des matrices, ou «crossbar», pourrait en outre permettre d'atteindre l'énorme densité d'intégration nécessaire pour ce type d'implémentation (plusieurs milliers de synapses par neurone), qui reste hors de portée d'une technologie purement en «Complementary Metal Oxide Semiconductor» (CMOS). C'est l'une des raisons majeures pour lesquelles les réseaux de neurones basés sur la technologie CMOS n'ont pas eu le succès escompté dans les années 1990. A cela s'ajoute la relative complexité et inefficacité de l'algorithme d'apprentissage de rétro-propagation du gradient, et ce malgré tous les aspects prometteurs des architectures neuro-inspirées, tels que l'adaptabilité et la tolérance aux fautes. Dans ces travaux, nous proposons des modèles synaptiques de dispositifs memristifs et des méthodologies de simulation pour des architectures les exploitant. Des architectures neuro-inspirées de nouvelle génération sont introduites et simulées pour le traitement de données naturelles. Celles-ci tirent profit des caractéristiques synaptiques des nano-dispositifs memristifs, combinées avec les dernières avancées dans les neurosciences. Nous proposons enfin des implémentations matérielles adaptées pour plusieurs types de dispositifs. Nous évaluons leur potentiel en termes d'intégration, d'efficacité énergétique et également leur tolérance à la variabilité et aux défauts inhérents à l'échelle nano-métrique de ces dispositifs. Ce dernier point est d'une importance capitale, puisqu'il constitue aujourd'hui encore la principale difficulté pour l'intégration de ces technologies émergentes dans des mémoires numériques. / In this thesis, we study the potential applications of emerging memory nano-devices in computing architecture. More precisely, we show that neuro-inspired architectural paradigms could provide the efficiency and adaptability required in some complex image/audio processing and classification applications. This, at a much lower cost in terms of power consumption and silicon area than current Von Neumann-derived architectures, thanks to a synaptic-like usage of these memory nano-devices. This work is focusing on memristive nano-devices, recently (re-)introduced by the discovery of the memristor in 2008 and their use as synapses in spiking neural network. In fact, this includes most of the emerging memory technologies: Phase-Change Memory (PCM), Conductive-Bridging RAM (CBRAM), Resistive RAM (RRAM)... These devices are particularly suitable for the implementation of natural unsupervised learning algorithms like Spike-Timing-Dependent Plasticity (STDP), requiring very little control circuitry.The integration of memristive devices in crossbar array could provide the huge density required by this type of architecture (several thousand synapses per neuron), which is impossible to match with a CMOS-only implementation. This can be seen as one of the main factors that hindered the rise of CMOS-based neural network computing architectures in the nineties, among the relative complexity and inefficiency of the back-propagation learning algorithm, despite all the promising aspects of such neuro-inspired architectures, like adaptability and fault-tolerance. In this work, we propose synaptic models for memristive devices and simulation methodologies for architectural design exploiting them. Novel neuro-inspired architectures are introduced and simulated for natural data processing. They exploit the synaptic characteristics of memristives nano-devices, along with the latest progresses in neurosciences. Finally, we propose hardware implementations for several device types. We assess their scalability and power efficiency potential, and their robustness to variability and faults, which are unavoidable at the nanometric scale of these devices. This last point is of prime importance, as it constitutes today the main difficulty for the integration of these emerging technologies in digital memories.

En utilisant les méthodes d’apprentissages tirées des récentes découvertes en neuroscience, les réseaux de neurones impulsionnels ont démontrés leurs capacités à analyser efficacement les grandes quantités d’informations provenant de notre environnement. L’implémentation de ces circuits à l’aide de processeurs classiques ne permet pas d’exploiter efficacement leur parallélisme. L’utilisation de mémoire numérique pour implémenter les poids synaptique ne permet pas la lecture ou la programmation parallèle des synapses et est limité par la bande passante reliant la mémoire à l’unité de calcul. Les technologies mémoire de type memristive pourrait permettre l’implémentation de ce parallélisme au coeur de la mémoire.Dans cette thèse, nous envisageons le développement d’un réseau de neurones impulsionnels dédié au monde de l’embarqué à base de dispositif mémoire émergents. Dans un premier temps, nous avons analysé un réseau impulsionnel afin d’optimiser ses différentes composantes : neurone, synapse et méthode d’apprentissage STDP en vue d’une implémentation numérique. Dans un second temps, nous envisageons l’implémentation de la mémoire synaptique par des dispositifs memristifs. Enfin, nous présentons le développement d’une puce co-intégrant des neurones implémentés en CMOS avec des synapses en technologie CBRAM. / By using learning mechanisms extracted from recent discoveries in neuroscience, spiking neural networks have demonstrated their ability to efficiently analyze the large amount of data from our environment. The implementation of such circuits on conventional processors does not allow the efficient exploitation of their parallelism. The use of digital memory to implement the synaptic weight does not allow the parallel reading or the parallel programming of the synapses and it is limited by the bandwidth of the connection between the memory and the processing unit. Emergent memristive memory technologies could allow implementing this parallelism directly in the heart of the memory.In this thesis, we consider the development of an embedded spiking neural network based on emerging memory devices. First, we analyze a spiking network to optimize its different components: the neuron, the synapse and the STDP learning mechanism for digital implementation. Then, we consider implementing the synaptic memory with emergent memristive devices. Finally, we present the development of a neuromorphic chip co-integrating CMOS neurons with CBRAM synapses.

Le risque de chute provoqué par le phénomène épisodique de ‘Freeze of Gait’ (FoG) est un symptôme commun de la maladie de Parkinson. Cette étude concerne la détection et le diagnostic des épisodes de FoG à l'aide d'un prototype multi-capteurs. La première contribution est l'introduction de nouveaux capteurs (télémètres et goniomètres) dans le dispositif de mesure pour la détection des épisodes de FoG. Nous montrons que l'information supplémentaire obtenue avec ces capteurs améliore les performances de la détection. La seconde contribution met œuvre un algorithme de détection basé sur des réseaux de neurones gaussiens. Les performance de cet algorithme sont discutées et comparées à l'état de l'art. La troisième contribution est développement d'une approche de modélisation probabiliste basée sur les réseaux bayésiens pour diagnostiquer le changement du comportement de marche des patients avant, pendant et après un épisode de FoG. La dernière contribution est l'utilisation de réseaux bayésiens arborescents pour construire un modèle global qui lie plusieurs symptômes de la maladie de Parkinson : les épisodes de FoG, la déformation de l'écriture et de la parole. Pour tester et valider cette étude, des données cliniques ont été obtenues pour des patients atteints de Parkinson. Les performances en détection, classification et diagnostic sont soigneusement étudiées et évaluées. / Freezing of Gait (FoG) is an episodic phenomenon that is a common symptom of Parkinson's disease (PD). This research is headed toward implementing a detection, diagnosis and correction system that prevents FoG episodes using a multi-sensor device. This particular study aims to detect/diagnose FoG using different machine learning approaches. In this study we validate the choice of integrating multiple sensors to detect FoG with better performance. Our first level of contribution is introducing new types of sensors for the detection of FoG (telemeter and goniometer). An advantage in our work is that due to the inconsistency of FoG events, the extracted features from all sensors are combined using the Principal Component Analysis technique. The second level of contribution is implementing a new detection algorithm in the field of FoG detection, which is the Gaussian Neural Network algorithm. The third level of contribution is developing a probabilistic modeling approach based on Bayesian Belief Networks that is able to diagnosis the behavioral walking change of patients before, during and after a freezing event. Our final level of contribution is utilizing tree-structured Bayesian Networks to build a global model that links and diagnoses multiple Parkinson's disease symptoms such as FoG, handwriting, and speech. To achieve our goals, clinical data are acquired from patients diagnosed with PD. The acquired data are subjected to effective time and frequency feature extraction then introduced to the different detection/diagnosis approaches. The used detection methods are able to detect 100% of the present appearances of FoG episodes. The classification performances of our approaches are studied thoroughly and the accuracy of all methodologies is considered carefully and evaluated

Durant ces trois années de doctorat, financées par le projet ANR MHANN (MemristiveHardware Analog Neural Network), nous nous sommes intéressés au développement d’une nouvelle architecture de calculateur à l’aide de réseaux de neurones. Les réseaux de neurones artificiels sont particulièrement bien adaptés à la reconnaissance d’images et peuvent être utilisés en complément des processeurs séquentiels. En 2008, une nouvelle technologie de composant a vu le jour : le memristor. Classé comme étant le quatrième élément passif, il est possible de modifier sa résistance en fonction de la densité de courant qui le traverse et de garder en mémoire ces changements. Grâce à leurs propriétés, les composants memristifs sont des candidats idéaux pour jouer le rôle des synapses au sein des réseaux de neurones artificiels. En effectuant des mesures sur la technologie des memristors ferroélectriques de l’UMjCNRS/Thalès de l’équipe de Julie Grollier, nous avons pu démontrer qu’il était possible d’obtenir un apprentissage de type STDP (Spike Timing Dependant Plasticity) classiquement utilisé avec les réseaux de neurones impulsionnels. Cette forme d’apprentissage, inspirée de la biologie, impose une variation des poids synaptiques en fonction des évènements neuronaux. En s’appuyant sur les mesures réalisées sur ces memristors et sur des simulations provenant d’un programme élaboré avec nos partenaires de l’INRIA Saclay, nous avons conçu successivement deux puces en silicium pour deux technologies de memristors ferroélectriques. La première technologie (BTO), moins performante, a été mise de côté au profit d’une seconde technologie (BFO). La seconde puce a été élaborée avec les retours d’expérience de la première puce. Elle contient deux couches d’un réseau de neurones impulsionnels dédié à l’apprentissage d’images de 81 pixels. En la connectant à un boitier contenant un crossbar de memristors, nous pourrons réaliser un démonstrateur d’un réseau de neurones hybride réalisé avec des synapses memristives ferroélectriques. / Supported financially by ANR MHANN project, this work proposes an architecture ofspiking neural network in order to recognize pictures, where traditional processing units are inefficient regarding this. In 2008, a new passive electrical component had been discovered : the memristor. Its resistance can be adjusted by applying a potential between its terminals. Behaving intrinsically as artificial synapses, memristives devices can be used inside artificial neural networks.We measure the variation in resistance of a ferroelectric memristor (obtained from UMjCNRS/Thalès) similar to the biological law STDP (Spike Timing Dependant Plasticity) used with spiking neurons. With our measurements on the memristor and our network simulation (aided by INRIASaclay) we designed successively two versions of the IC. The second IC design is driven by specifications of the first IC with additional functionalists. The second IC contains two layers of a spiking neural network dedicated to learn a picture of 81 pixels. A demonstrator of hybrid neural networks will be achieved by integrating a chip of memristive crossbar interfaced with thesecond IC.

Cette thèse s'attache à redéfinir des modèles financiers traditionnels en considérant un cadre d'analyse moins restrictif, s'accordant mieux avec les caractéristiques empiriques des fonds alternatifs. Ce cadre élargi, certes plus réaliste, a néanmoins pour principal effet de complexifier les modèles étudiés ; nous choisissons alors d'employer des procédés de calcul naturel pour les simplifier. Dans le premier chapitre de la thèse, nous répondons à une problématique générale qui concerne l'étape essentielle du traitement des données. Nous proposons ainsi une nouvelle approche de la complétion des valeurs manquantes, autorisant une meilleure prise en compte des dépendances inter-actifs. Nous montrons dans le deuxième chapitre comment intégrer des moments d'ordre supérieur dans les modèles d'allocation. Une technique d'optimisation définie à partir des fonctions dites de pénurie nous permet de résoudre les problèmes d'optimisation dans l'espace non-convexe des quatre premiers moments de la distribution de rendements des portefeuilles optimisés. Le troisième chapitre s'attache à évaluer l'impact des données aberrantes sur les modèles d'allocation d'actifs intégrant les moments d'ordre supérieur. Un réseau de neurones modélisant la volatilité nous permet d'étendre les travaux de Chen et Liu (1993). Nous terminons cette thèse avec le quatrième chapitre en proposant un modèle d'analyse de style défini à partir de cartes de Kohonen. Le lien entre les facteurs de style traditionnels et les neurones de la carte est effectué au moyen d'une analyse conditionnelle. Une projection dynamique des fonds autorise ainsi l'étude de la stabilité des styles des gérants d'actifs.