A?n de répondre à une complexité croissante des systèmes de calcul, due notamment aux progrès rapides et permanents des technologies de l’information, de nouveaux paradigmes et solutions architecturales basées sur des structures auto-adaptatives, auto-organisées sont à élaborer. Ces dernières doivent permettre d’une part la mise à disposition d’une puissance de calcul suf?sante répondant à des contraintes de temps sévères (traitement temps réel). D’autre part, de disposer d’une grande ?exibilité et adaptabilité dans le but de répondre aux évolutions des traitements ou des défaillances non prévues caractérisant un contexte d’environnement évolutif de fonctionnement du système. C’est dans ce cadre que s’insèrent les travaux de recherche présentés dans cette thèse qui consistent à développer une architecture auto-organisée de type Recon?gurable MPSoC (Multi processor System on Chip) à base de technologie FPGA. / The growing complexity of computing systems, mostly due to the rapid progress in Information Technology (IT) in the last decade, imposes on system designers to orient their traditional design concepts towards the new ones based on self-organizing and self-adaptive architectural solutions. On the one hand, these new architectural solutions should provide a system with a suf?cient computing power, and on the other hand, a great ?exibility and adaptivity in order to cope with all non-deterministic changes and events that may occur in the environnement in which it evolves. Within this framework, a recon?gurable MPSoC self-organizing architecture on the FPGA recon?gurable technology is studied and developped during this PhD.

Le développement de qubits quantiques robustes représente un défi technologique de taille. Malgré plus d'une décennie de progrès et de percées, nous sommes toujours à la recherche du candidat idéal. La difficulté réside dans la nécessité de respecter une panoplie de critères stricts: on doit pouvoir préparer et mesurer les qubits rapidement et de manière fiable, préserver leur état pour de longs temps, appliquer avec précision un continuum de transformations, les coupler les uns aux autres, en entasser des milliers, voire des millions sur un seul dispositif, etc. Parallèlement à ces recherches, un autre groupe de scientifiques travaillent plutôt à l'élaboration de l'architecture permettant d'opérer ces qubits. Cette architecture inclut une couche logicielle de base dont l'étude constitue le domaine du calcul tolérant aux fautes: en encodant l'information dans des qubits logiques à l'aide des qubits physiques disponibles, il est possible d'obtenir un dispositif quantique dont les propriétés effectives sont supérieures à celles des composantes physiques sous-jacentes. En contrepartie, une surcharge doit être payée. Celle-ci peut être interprétée comme une forme de redondance dans l'information. De plus, les portes logiques applicables aux qubits encodés sont souvent trop limitées pour être utiles. La recherche dans ce domaine vise souvent à limiter la surcharge et à étendre l'ensemble des opérations applicables. Cette thèse présente les travaux que j'ai publiés avec mes collaborateurs durant mes études de doctorat. Ceux-ci touchent deux aspects importants du calcul tolérant aux fautes: l'élaboration de protocoles de calcul universel et la conception et l'étude d'algorithmes de décodage de codes topologiques stabilisateurs. Concernant l'élaboration de protocoles de calcul universel, j'ai développé avec l'aide de Krysta Svore chez Microsoft Research une nouvelle famille d'états ressources (Chapitre 2). Celle-ci permet, par l'injection d'états, d'effectuer une opération unitaire arbitraire à un qubit à un coût plus faible que les méthodes existant à ce moment. Plus tard, j'ai poursuivi ces travaux avec David Poulin pour élaborer une autre famille d'états ressources qui diminuent encore davantage les coûts de compilation de diverses portes unitaires à un qubit (Chapitre 3). Finalement, Jonas Anderson, David Poulin et moi avons montré comment il est possible de passer de manière tolérante aux fautes d'un encodage à un autre (Chapitre 4). Cette approche est qualitativement différente, car elle fournit un ensemble universel de portes sans passer par l'injection d'états. Durant mon doctorat, j'ai aussi généralisé de plusieurs manières la méthode de décodage par renormalisation du code topologique de Kitaev que j'ai développée au cours de ma maîtrise. Tout d'abord, j'ai collaboré avec Héctor Bombin et David Poulin dans le but de montrer que tous les codes topologiques stabilisateurs invariants sous translation sont équivalents, c'est-à-dire qu'ils appartiennent à la même phase topologique (Chapitre 5). Ce résultat m'a aussi permis d'adapter mon décodeur aux codes topologiques de couleurs stabilisateurs et à sous-systèmes. Puis, je l'ai adapté à une généralisation du code topologique de Kitaev sur des qudits (Chapitre 6). Ensuite, je l'ai généralisé au cas tolérant aux fautes, où les erreurs dans les mesures du syndrome sont prises en compte (Chapitre 7). Finalement, je l'ai appliqué à un nouveau code élaboré par Sergey Bravyi, le code de surface à sous-systèmes (Chapitre 8).

Le développement des Piles à Combustible (PàC) est en plein essor dans le contexte de transition énergétique mondial. La production d'énergie électrique par les PàCs possède l'atout majeur de ne rejeter que de l'eau et de la chaleur, sans émission de gaz à effet de serre. Pour un développement et une commercialisation plus large des PàCs comme générateurs d'énergie, leur fiabilité et leur durée de vie. Cette thèse est dédiée au Contrôle Tolérant aux Fautes appliquée à la gestion de l'eau dans les Piles à Combustibles de type PEM. Une gestion appropriée de l'état d'hydratation de la PEMFC contribue à éviter les dégradations irréversibles de ses composants et ses performances, et par conséquent à un allongement de sa durée de vie et une augmentation de sa fiabilité. La stratégie de Contrôle Tolérant aux Fautes Actif proposée est constituée d'une méthode de diagnostic basée modèle pour la détection et l'isolation des fautes et d'un contrôleur PID auto-adaptatif régulant la surstoechiométrie en oxygène. Il est à noter que cette stratégie a été validée en ligne sur un système PàC réel. / Fuel Cell (FC) development is expending due to global energy transition. Power generation using FC results in water and heat as by-products, without emission of greenhouse gases. To continue developing and expanding its use as power generators, FC lifetime and reliability have to be enhanced. This thesis work is dedicated to Fault Tolerant Control System (FTCS) applied to water management in PEM Fuel Cells. An appropriate water management of FC allow to avoid irreversible degradations of FC components and performance that lead to an improvement of FC reliability and lifetime.The proposed FTCS is composed of a model-based diagnosis method applied to fault detection and isolation, and a self-tuning PID strategy for oxygen excess ratio control. This strategy is tested and validated on-line on a real FC system.

Après une introduction à l'analyse et au contrôle des systèmes singuliers linéaires, on étudie le placement optimal de capteurs et d'actionneurs, le diagnostic robuste et le contrôle de systèmes singuliers. Le placement optimal de capteurs et d'actionneurs pour les systèmes singuliers s'appuie sur une approche énergétique. Les capteurs et/ou actionneurs sont sélectionnés pour obtenir les plus grands transferts d'énergie entre le système et son environnement. Pour cela on cherche à maximiser les grammiens généralisés. Différentes méthodes de diagnostic robuste sont proposées. Une première approche dédiée aux systèmes maillés autorise une génération de résidus décentralisée afin de détecter et de localiser les défauts de mesures. Une deuxième méthode consiste à étendre le filtrage Hinfini à l'estimation des défaillances. Troisièmement, la génération de résidus fondée sur la factorisation copremière -dont l'intérêt majeur est de pouvoir synthétiser des générateurs de résidus au moyen de filtres propres- est généralisée aux systèmes singuliers. Enfin, la synthèse, et l'utilisation pour le diagnostic robuste, des observateurs de type proportionnel-intégral sont étudiées. Deux stratégies de contrôle de systèmes singuliers sont proposées. Le contrôle multicritère permet de déterminer des correcteurs statiques ou dynamiques assurant le placement de pôles, ainsi que des contraintes de normes H2 et Hinfini sur le système en boucle fermée. Le contrôle tolérant aux fautes intègre un module de diagnostic dans le correcteur afin de localiser les fautes, et de modifier la loi de commande pour minimiser la déviation des sorties dues aux fautes et aux perturbations. Les correcteurs sont des systèmes propres, déterminés par optimisation convexe sous contraintes LMI.