Etalonnage de réseau d’antennes par reconstruction in-situ de sources

Commencez votre carrière par une expérience à la pointe de la recherche technologique au CEA Grenoble, au sein d’une équipe R&D de renommée internationale dans le domaine des antennes.

Sujet de thèse :
Dans de nombreuses applications avancées (radar, goniométrie, surveillance du contexte électromagnétique - EM), la connaissance précise des rayonnements d’antennes, gouverne la précision du traitement (direction angulaire, polarisation des signaux reçus). Or l’intégration d’antennes miniatures sur des objets ou véhicules de quelques longueurs d’onde perturbe largement leur rayonnement. Dans les bandes de fréquences basses, l’étalonnage des antennes ne suffit pas à atteindre les meilleurs niveaux de performances et encore moins leur robustesse dans le temps.
Le challenge de cette thèse est de pouvoir mettre à jour in-situ (c’est-à-dire en quasi temps réel) la table d’étalonnage du champ lointain de réseau d’antennes. Pour ce faire, une 1ère partie théorique EM s’appuiera sur l’exhaustivité d’une analyse des modes/sources équivalentes induits sur la structure du porteur via la simulation EM dans le but d’extraire les modes présents et leur rayonnement. Une 2nde partie plus instrumentale, dimensionnera le réseau de sondes d’échantillonnage installées sur la structure du porteur, qui mesureront in -situ les pondérations de ces modes. Enfin la dernière partie opèrera l’hybridation des deux parties précédentes afin de reconstruire le rayonnement champ lointain en pondérant les modes simulés par les points mesurés.
La dernière année, une mise en oeuvre expérimentale permettra de valider la méthode et d’analyser sa performance.
Ce sujet complet (simulation EM d’antennes, analyses EM, mesures RF) sera encadré par une équipe expérimentée s’appuyant sur des outils et instruments d’exception (http://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/plateformes/plateforme-telecommunications.aspx).

Candidat recherché : Ecole d’ingénieur ou Master 2 spécialisé en Antenne, Electromagnétisme, instrumentation RF

Cadre : CEA Grenoble, au coeur des Alpes
(http://www.youtube.com/watch?v=bCIcNJOzYZY)
Le CEA est un acteur majeur de la recherche, au service de l’Etat, de l’économie et des citoyens. Il apporte des solutions concrètes à leurs besoins dans quatre domaines principaux : transition énergétique, transition numérique, technologies pour la médecine du futur, défense et sécurité. Le CEA s’engage depuis plus de 75 ans au service de la souveraineté scientifique, technologique et industrielle de la France et de l’Europe pour un présent et un avenir mieux maîtrisés et plus sûrs. Implanté au coeur des territoires équipés de très grandes infrastructures de recherche, le CEA bénéficie d’un large éventail de partenaires académiques et industriels en France, en Europe et à l’international. Les 20 000 collaboratrices et collaborateurs du CEA partagent trois valeurs fondamentales :
- La conscience des responsabilités
- La coopération
- La curiosité

Conception d'un système de transmission de puissance inductif haute fréquence à base de GaN, robuste au désalignement

Le laboratoire LAIC du Département Systèmes du CEA-LETI à Grenoble est spécialisé dans le développement de systèmes électroniques et mécatroniques innovants, avec une prise en compte des problématiques liées à la récupération / gestion / transmission de l’énergie et l’intégration de capteurs dans des environnements variés. Dans le cadre du développement de ses activités de R&D, le LAIC propose une thèse sur la transmission de puissance sans fil par couplage inductif résonant à base de GaN.

Les technologies de transmission de puissance sans fil sont en plein essor avec des applications dans les domaines du spatial, de l’électronique grand public, du médical, de l'automobile ou encore de la défense. La technologie de transmission de puissance par couplage inductif résonant semble la plus prometteuse en terme d’efficacité en champ proche.

Les travaux de thèse envisagés feront suite au développement au sein du laboratoire d’un système incluant un coupleur électromagnétique à couplage fixe et une première électronique HF basée sur une topologie classe E à base de transistor GaN. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de développer un système robuste au désalignement des bobines du coupleur. Il s’agira alors d’étudier, développer et tester les performances d’un nouveau coupleur et d’une électronique de pilotage adaptative. Le/la candidat(e) sera amené(e) à développer des modèles analytiques et numériques pour optimiser l’électronique, à comparer les performances des systèmes existants de la littérature, ainsi que proposer, développer et tester les performances de topologies innovantes à base de GaN assurant une bonne robustesse à une variation de couplage électromagnétique.

Un profil pluridisciplinaire orienté électronique de puissance et physique est recherché pour cette thèse. En plus de solides bases théoriques et de fortes compétences en simulation, le doctorant devra posséder des capacités à travailler en équipe, une aptitude à l’expérimentation et un attrait aux réalisations concrètes.

Modélisation physique d’une attaque laser sur FD-SOI en vue de la sécurisation des cellules standard du nœud FD-SOI 10 nm

La cybersécurité de nos infrastructures est un maillon essentiel à la transition numérique qui s’opère et la sécurité doit être assurée sur l’ensemble de la chaîne. Les couches basses, matérielles, s’appuient sur du composants microélectroniques assurant les fonctions essentielles pour l’intégrité, la confidentialité et la disponibilité des informations traitées.
Le matériel assurant des fonctions de sécurité peut être soumis à des attaques physiques, utilisant les propriétés du matériel. Certaines de ces attaques sont plus directement liées que d’autres aux caractéristiques physiques des technologies silicium utilisées pour la fabrication des composants. Parmi celles-ci, les attaques utilisant un laser impulsionnel dans l’infra rouge proche est la plus puissante par sa précision et sa répétabilité. Il convient donc de protéger les composants vis-à-vis de cette menace. En sécurité, le développement des protections (on parle aussi de contremesures) est possible quand la menace est modélisée. Si l’effet d’un tir laser dans les technologies bulk traditionnelles est bien modélisé, il ne l’est pas encore suffisamment dans les technologies FD-SOI (une seule publication). Nous savons aujourd’hui que le FD-SOI a une sensibilité moindre à un tir laser, et cela doit s’expliquer par un modèle physique sensiblement différent de celui effectif sur bulk. Or les systèmes embarqués susceptibles d’être visés par des attaques malveillantes (contexte IoT, Bancaire, Idendité etc…) sont aujourd’hui portés sur les technologies FD-SOI. Il devient donc essentiel de consolider la modélisation physique de l’effet d’un tir laser sur un transistor et sur des cellules standard (standard cells : inverseur, NAND, NOR, Flip-Flop, SRAM…). Nous proposons d’allier l’expérimental à une approche TCAD permettant une compréhension fine des effets mis en jeu lors d’un tir laser impulsionnel dans le FD-SOI. Un modèle compact d’un transistor FD-SOI sous impulsion laser sera déduit de cette phase de modélisation physique.
Ce modèle compact sera ensuite injecté dans un design de cellules standards. Cette approche a deux objectifs : porter la modélisation de l’effet d’un tir laser au niveau de design de cellules standards (absolument centrales dans les circuits numériques pour la sécurité). Des données expérimentales (existantes et générées par le doctorant) permettront de valider le modèle à ce niveau d’abstraction. Enfin, et surtout, cette modélisation fine permettra de proposer des designs de cellules standards en technologie FD-SOI 10nm, intrinsèquement sécurisées vis-à-vis d’un tir laser impulsionnel. Cela sera rendu possible par l’exploitation des propriétés de sécurité des technologies FD-SOI.

Contacts: romain.wacquez@cea.fr, jean-frederic.christmann@cea.fr, sebastien.martinie@cea.fr,

Antennes miniatures Super-gain à polarisation circulaire et dépointage électronique de faisceau

Le contrôle du rayonnement (forme, polarisation) des antennes est un élément clé pour les systèmes de communications actuels et du futur. Focaliser le rayonnement de l’antenne dans une direction privilégiée permet notamment d’adresser des applications qui nécessitent du filtrage spatial. Dans le contexte particulier de l’internet des objets (IoT) où plusieurs systèmes ou objets communicants peuvent cohabiter, le filtrage spatial amené par les antennes directives permet de favoriser la communication avec des objets sélectionnés sans perturber les systèmes environnants, puisque l’énergie est focalisée uniquement dans la direction de l’objet d’intérêt. Egalement, focaliser l’énergie rayonnée dans un secteur angulaire réduit permet de limiter les pertes d’énergie dans les autres directions et ainsi limiter la consommation et favoriser l’autonomie des batteries des objets communicants. Cependant, les techniques classiques pour améliorer la directivité du rayonnement conduisent généralement à une augmentation significative de la taille de l’antenne. Par conséquence, l’intégration d’antennes directives dans les objets communicants compacts reste limitée. Cette difficulté est particulièrement critique pour les gammes de fréquences inférieures à 3 GHz lorsqu’on vise une intégration dans des objets dont les dimensions sont de l’ordre de quelques centimètres. Des antennes avec une directivité et un gain importants, multi-bandes ou large bande, une taille réduite, à polarisation linéaire ou circulaire et avec la possibilité de dépointage électronique du faisceau sont nécessaires pour le développement de nouvelles applications dans le domaine des objets communicants. Les études récentes réalisées par le CEA ont permis la démonstration des potentialités des réseaux compacts d’antennes à élément parasites super directifs et le développement conjoint d’une expertise spécifique dans ce domaine. Les travaux de thèse se dérouleront au CEA Leti Grenoble au sein du Laboratoire Antennes Propagation et Couplage Inductif (LAPCI). Les principaux objectifs de ce travail de thèse sont : 1. Contribution au développement d’outils numériques pour la conception et l’optimisation de réseaux compacts et super directifs, super gain ou à formation de faisceau ; 2. Le développent de nouvelle sources élémentaires pour les réseaux d’antennes compacts ; 3. La réalisation d’un réseau à polarisation circulaire compact super gain et avec dépointage de faisceau. Les travaux à mener combineront études théoriques, développements de modèle et outils logiciels, conceptions par simulation électromagnétique 3D et expérimentations sur prototypes en laboratoire de métrologie des champs électromagnétiques.

Conception d'un générateur d’aléa spécifique à la technologie FD-SOI

Les TRNGs (True Random Number Generators) sont les blocs essentiels de tout système cryptographique. Les normes actuelles, telles que l'AIS-31, nécessitent un modèle stochastique, qui relie directement le modèle de la source physique du hasard à l'entropie des bits aléatoires générés. Les TRNG sont évalués en fonction de leur débit, de leur efficacité et de leur robustesse. A ce titre, le FD-SOI (Fully Depleted Silicon on Insulator) est une technologie bien connue pour ses avantages en termes de consommation, mais aussi pour l'adaptabilité de ses caractéristiques ajustées par la deuxième grille appelée BOX (Buried Oxide).
Le sujet de thèse vise à étendre l'utilisation de la grille arrière en étudiant les opportunités offertes par une gestion intégrée de celle-ci. En appliquant une tension sur la BOX, on peut ajuster les caractéristiques au niveau du transistor. Cette technique, appelée « back-biasing », permet d'affiner les caractéristiques des dispositifs et n'a jusqu'à présent pas été utilisée dans la conception de primitives de sécurité. Cette technique sera implémentée pour un TRNG spécifique FD-SOI basé sur un principe d’échantillonnage cohérent.

Optimisation CEM des convertisseurs à composants grand gap : vers une montée en fréquence des convertisseurs

L'électronique de puissance a pour but de convertir une forme d'énergie en une autre. Du petit chargeur de téléphone de quelques watts, au véhicule de quelques centaines de kilowatts voir même la traction ferroviaire au megawatt, la plage de puissance est large. L'électronique de puissance est partout, c'est pourquoi de tels dispositifs doivent être optimisés pour qu'ils soient économiquement viables, énergétiquement et environnementalement sobres.
L'arrivée des composants dits "grand gaps" (GG) ont permis de révolutionner l'efficience de la conversion d'énergie ainsi que la compacité des dispositifs. Cependant, ces composants génèrent plus de perturbations dans les réseaux, pouvant affecter le fonctionnement des dispositifs alentours. Le filtrage de ces perturbations est soumis à des normes de compatiblité électromagnétique (CEM) et la quantité de bruit pouvant s'échapper du dispositif s'en trouve limitée. Contrairement aux composants GG, les technologies de filtrage n'ont pas évolué aussi rapidement, et il se trouve aujourd'hui que la principale difficulté d'un dispositif d'EP à devenir un produit pouvant être vendu sur le marché est d'être compatible avec les normes CEM.

Les objectifs de la thèse sont multiples :
- Etude des différentes topologies de filtrage passif (et actif si le temps au cours de la thèse le permet)
- Etude et caractérisation de matériau magnétique, de leur design et leur efficience en fonction des fréquences de fonctionnement, des courants traités etc.
- Proposer des solutions de filtrage innovantes (matériau, intégration, contrôle déphasé etc.)
- Montée en compétence sur la modélisation CEM sur un cas d'étude donné, en prenant en compte les éléments parasites circuits, les couplages par rayonnements ainsi que les performances des matériaux magnétiques.

La question de la montée en fréquence des convertisseurs d'EP à composant GG à l'issu de cette thèse devrait faire l'objet de réponses et de la viabilité de ces composants sur des applications à CEM/coût/volume très contraints.

Cette thèse se déroulera sur le site CEA de Grenoble dans le département Système, au laboratoire d'électronique pour l'énergie et la puissance. L'environnement CEA étant très transverse, le candidat pourra nourrir sa recherche avec les ingénieurs du département et des départements alentours. Le candidat, après avoir été habilité, pourra avoir accès au laboratoire d'EP pour effectuer ses tests/recherches.

Le candidat devra avoir des compétences en électronique de puissance, en particulier être familié avec les architectures électriques de convertisseur de puissance, un goût pour la modélisation à l'aide de logiciel dédié ainsi que de la mise en pratique en laboratoire. Il devra être à l'initiative des protocoles expérimentaux et aussi faire preuve d'analyse et critique dans toutes ses démarches scientifiques.

États de graphe universels pour des réseaux quantiques robustes et la correction d’erreurs quantiques

Les dernières années ont vu des avancées notables dans les technologies quantiques, consolidant le développement des éléments de base pour le déploiement des futurs réseaux quantiques. De tels réseaux peuvent servir à diverses fins, notamment permettre la transmission d'états quantiques entre des parties physiquement éloignées, ou améliorer les capacités de calcul des ordinateurs quantiques en combinant plusieurs processeurs quantiques. Lorsque seules sont autorisées les opérations quantiques locales et la communication classique (LOCC), l'état quantique initialement partagé entre les parties joue un rôle clé, et peut à la fois permettre des applications spécifiques ou fournir les moyens de répondre à des questions théoriques non résolues.
Ce projet de thèse vise à explorer les états quantiques universellement k-stabilisateurs, c'est-à-dire les états quantiques à n qubits qui permettent d'induire n'importe quel état stabilisateur sur n'importe quel sous-ensemble de k qubits, en utilisant uniquement des protocoles LOCC. Les états stabilisateurs peuvent être décrits en utilisant le formalisme des états de graphe, représentant l'une des classes les plus importantes d’intrication multipartite et une ressource puissante pour de nombreux protocoles quantiques multipartites. L'objectif de la thèse est triple. Un premier objectif est de développer des méthodes déterministes pour construire des états de graphe universellement k-stabilisateurs sur un nombre de qubits n quadratique par rapport à k (limite théorique), améliorant ainsi la scalabilité et l'efficacité par rapport à l'état actuel de l'art. Un deuxième objectif est d'étudier la robustesse du protocole dérivé, pour préparer un état stabilisateur quantique désiré sur un sous-ensemble de k qubits, face aux menaces potentielles posées par des parties malveillantes ou des pertes de qubits. Enfin, le dernier objectif de la thèse est d'identifier les liens et les implications entre les états de graphe universellement k-stabilisateurs, la robustesse et la correction d'erreurs quantiques, comme moyen de concevoir de nouveaux codes quantiques d'intérêt indépendant, ou d'accroître la fiabilité des réseaux quantiques.

Sécurité des angles morts du Machine Learning: modéliser et sécuriser le cycle de vie des systèmes complexes d'IA

Dans le contexte actuel de régulation de l'Intelligence Artificielle, plusieurs recommandations ont été proposées pour renforcer la "cyber-sécurité de l'IA" et plus particulièrement pour améliorer la sécurité des systèmes basés sur l'IA et pas uniquement les "modèles". Cette sécurité au niveau "système" est primordiale alors que nous connaissons un déploiement des modèles à très large échelle sur une grande variété de plateformes logicielles et matérielles. Néanmoins, considérer la sécurité du cycle de vie d'un système d'IA est beaucoup plus complexe que dans le cadre classique mais limité du "ML pipeline" traditionnel composé d'une phase statique d'apprentissage puis d'inférence.

Dans ce contexte, la communauté de la sécurité de l'IA doit se concentrer sur des opérations critiques mais trop faiblement étudiées qui sont de réels "angles morts" (blind spots) de sécurité. Cet objectif repose sur une modélisation fine de l'ensemble des composants et processus d'un système d'IA, par exemple avec un modèle de type MLOps (Machine Learning Operations) qui permet de définir et caractériser les différentes étapes, modules et interactions d'un système d'IA, notamment sa dynamique avec les mises à jour régulières des données et des modèles.

La thèse pourra se concentrer sur deux angles morts : le déploiement de modèles et la dynamique du "Continuous Training". Des travaux récents ont démontré des problèmes de sécurité critiques liés à des attaques backdoor de modèle (empoisonnement) après l'apprentissage par le remplacement de sous réseau d'un réseau de neurones profond. D'autres travaux ont montré que les phases de compression de modèles (quantification, pruning) pouvaient aussi être utilisées pour empoisonner un modèle. Enfin, la dynamique des systèmes d'IA avec la mise à jour régulière des données d'apprentissage et des modèles soulève de nombreuses questions quant à de possibles régressions de leur sécurité et la robustesse des modèles lors d'ajout de données ou d'opérations de "fine-tuning".

Les objectifs de la thèse seront:
1. modéliser la sécurité de systèmes modernes d'IA en utilisant un Framework MLOps et proposer des modèles de menaces et des analyses de risques pour des opérations critiques comme le déploiement de modèle et le Continuous Training.
2. démontrer et caractériser des attaques comme celles visant des méthodes d'optimisation de modèles, du fine tuning...
3. proposer et développer des protections ainsi que des protocoles d'évaluation robustes.

Transmission de puissance et de données via un lien acoustique pour les milieux métalliques clos

Ce sujet de thèse se positionne sur les thématiques de transmission de puissance et de données à travers des parois métalliques en utilisant les ondes acoustiques. Cette technologie permettra à terme l’alimentation, la lecture et la commande de systèmes placés dans des zones enfermées dans du métal : réservoirs sous pression, coques de navires et sous-marins, …
Les ondes électromagnétiques étant absorbées par le métal, il est nécessaire de recourir aux ondes acoustiques pour communiquer des données ou de la puissance au travers de parois métalliques. Celles-ci sont générées par des transducteurs piézoélectriques collés de part et d’autre de la paroi. Les ondes acoustiques sont peu atténuées par le métal, ce qui se traduit par de nombreuses réflexions et des trajets multiples. Il est donc nécessaire de recourir à des techniques de communication multi-porteuses (par exemple OFDM), afin d’obtenir robustesse et débit important.
L'enjeu de la thèse sera de réaliser un démonstrateur de technologie, robuste, permettant la télé-alimentation et la communication de données acoustiques à travers des parois métalliques. Ces travaux s’appuieront sur une modélisation avancée du canal acoustique afin d’optimiser les performances du dispositif de transmission de puissance et de données. Il s’agira également de développer des briques électroniques innovantes permettant de déterminer et de maintenir une fréquence de transmission de puissance optimale, impactée par les conditions environnementales et typiquement par la température.
Le but ultime de cette thèse sera le développement et l'implémentation d'un système de communication OFDM embarqué dans un FPGA et/ou microcontrôleur afin d’envoyer des données capteurs à travers une paroi métallique d’épaisseur variable. Les limitations dues aux imperfections du canal et de l'électronique seront à l'origine de l'invention d'une grande quantité de méthodes et systèmes de compensation dans le domaine numérique et/ou analogique. Un travail devra également être réalisé sur le choix des transducteurs piézoélectriques et la caractérisation du canal, en lien avec les activités autour des ondes acoustiques du laboratoire travaillant sur la transmission de puissance acoustique.

Conception innovante de circuit radiofréquence basée sur une approche de co-optimisation technology-système

Ce sujet de thèse adresse les deux grands défis de l’Europe d’aujourd’hui pour l’intégration des systèmes de communication du futur. Il s’agit de concevoir des circuits intégrés RF en technologie 22nm FDSOI dans les bandes de fréquences dédiées à la 6G permettant non seulement d’augmenter les débits mais aussi de réduire l’empreinte carbone des réseaux de télécommunications. En parallèle, il est primordial de réfléchir à l’évolution des technologies silicium qui permettraient d’améliorer l’efficacité énergétique et l’efficacité de ces circuits. Ce travail sera mené en apportant une réflexion sur la méthodologie de conception des systèmes radiofréquences.
Dans le cadre de la thèse, l'objectif sera décomposé en trois phases. Il faudra d’abord se doter d’outils de simulation, préfigurant les performances de la future technologie FDSOI 10nm du Leti. Une deuxième étape consistera à identifier les architectures les plus pertinentes existant dans la littérature pour les domaines applicatifs envisagés pour la technologie. Un lien avec les projets amonts en télécommunications sera systématiquement établi pour que le candidat saisisse les enjeux des systèmes.
Enfin, afin de valider les concepts développés, la conception d’un LNA et d’un VCO dans le cadre d’un projet en cours dans le laboratoire sera proposée.

Le candidat s’intégrera dans une équipe conséquente qui travaille sur les nouveaux systèmes de communication et qui aborde à la fois les aspects d’étude architecturale, de modélisation et de conception de circuits intégrés. Le candidat devra disposer de compétences sérieuses en conception de circuits intégrés et en systèmes radiofréquence ainsi qu’une bonne aptitude à travailler en équipe.

Top