Mise à l’échelle des jumeaux numériques de réseau par une gestion adaptative de la fidélité

Les futurs systèmes de communication, tels que les réseaux 6G, évoluent vers des infrastructures hautement distribuées, autonomes et hétérogènes, intégrant des architectures de continuum cloud-edge, l’Open RAN (O-RAN), des déploiements massifs d’objets connectés (IoT), l’informatique en périphérie (edge computing) et des environnements radio particulièrement dynamiques.

Ces systèmes devront prendre en charge des services exigeants tels que les communications critiques, l’automatisation industrielle, la mobilité autonome et les applications immersives, tout en fonctionnant dans des conditions caractérisées par un trafic fortement variable, des changements fréquents de topologie, une disponibilité fluctuante des ressources ainsi que des exigences strictes en matière de latence et de fiabilité.

La gestion de tels systèmes, notamment pour réaliser des opérations de configuration, d’optimisation et d’évolution sans risque, devient de plus en plus complexe. Cette difficulté est particulièrement marquée lorsqu’il s’agit d’effectuer une optimisation du réseau en temps réel, des analyses prospectives (« what-if »), du diagnostic de pannes ou encore de planifier des mises à niveau et des extensions du réseau.

Afin de répondre à ces défis, plusieurs initiatives de recherche récentes se sont intéressées à l’application du paradigme des jumeaux numériques aux réseaux de communication, donnant naissance au concept de "Network Digital Twins (NDTs)" ou "jumeaux numériques de réseau".

Un jumeau numérique de réseau est une représentation virtuelle d’un réseau de communication qui reste suffisamment synchronisée avec l’infrastructure physique pour reproduire son état opérationnel et son comportement, permettre des analyses prédictives et évaluer des scénarios hypothétiques avant l’application de décisions au système réel.

Cependant, maintenir un NDT précis et temporellement cohérent dans des réseaux de grande échelle et fortement dynamiques demeure un défi majeur.

Les NDT actuels reposent principalement sur des mécanismes explicites de synchronisation afin de préserver la fidélité entre les systèmes physique et virtuel. Bien que des travaux récents aient introduit des mécanismes de prédiction assistés par l’intelligence artificielle pour réduire la surcharge liée à cette synchronisation, ces approches ne résolvent pas entièrement le problème de l’adaptation dynamique de la fidélité du NDT en fonction de l’incertitude des prédictions, de la valeur de l’information, de la dynamique du réseau et des exigences opérationnelles.

La fidélité adaptative peut être interprétée comme un mécanisme de représentation multi-résolution, dans lequel le jumeau numérique ajuste dynamiquement sa granularité d’observation, son coût de synchronisation et sa précision de reconstruction en fonction de la valeur de l’information, de l’incertitude prédictive, de la dynamique du réseau et des ressources disponibles.

L’objectif principal de cette thèse de doctorat est de concevoir, développer et valider un cadre de gestion adaptative de la fidélité (Adaptive Fidelity Management) permettant la mise en œuvre de jumeaux numériques de réseau évolutifs, efficaces en ressources et adaptés aux futurs systèmes de communication.

Optimisation statistique de la calibration des modèles de lithographie

Cette thèse offre l'opportunité de développer des méthodes statistiques pour optimiser et calibrer les modèles de lithographie utilisés pour générer des conceptions optimales de photomasques au moyen de la correction optique de proximité (OPC).
Les dispositifs microélectroniques à haute densité de circuits sont très demandés et font l'objet de recherches et d'études approfondies par les industries. Une façon d'obtenir une densité de circuit plus élevée consiste à diminuer la dimension ou le pas du motif. Cependant, à mesure que la dimension du motif diminue, le défi de fabrication augmente. Une technique d'amélioration de la résolution (RET) telle que l'OPC doit donc être utilisée pour générer un photomasque de tels circuits.
OPC vise à améliorer la fidélité du motif de plaquette en compensant les erreurs dues aux effets optiques ou de processus lors des étapes de fabrication. Pour mettre en œuvre cette correction, un modèle de lithographie doit être généré en tenant compte du système d'exposition et des caractéristiques de la photorésiste. Ces modèles sont calibrés à l'aide d'un très grand volume de données expérimentales qui incluent des mesures CD-SEM et des contours extraits d'images SEM. L'acquisition des données et le post-traitement des images constituent un goulot d'étranglement dans le flux d'étalonnage des modèles, consommant énormément de temps et de ressources.
Durant la période de thèse, les travaux seront axés sur :
Modèles de test innovants pour optimiser les données d'entrée pour l'étalonnage du modèle
Optimisation statistique et algorithmique du flux de calibrage du modèle
Impact de la variabilité des données expérimentales sur les modèles de lithographie

Composant photonique d'extraction par couplage évanescent pour l'interaction optique guidée/optique espace libre

L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle classe de dispositifs optiques destinés à assurer l'interface entre les circuits photoniques intégrés (PIC, Photonic Integrated Circuits) et l'optique en espace libre. Ces dispositifs ont été étudiés dans le cadre d'un travail fondateur réalisé lors d'une précédente thèse. Ils reposent sur l'utilisation d'une structure prismatique obtenue par nano-impression et fixée à la surface d'un PIC. Grâce au couplage évanescent et aux réflexions au sein de cette structure, les ondes guidées peuvent être transférées du PIC vers un système optique externe. L'utilisation de matériaux électro-optiques pourrait permettre à cet extracteur de proposer des applications intéressantes en tant qu'extracteur commutable.
Le ou la doctorant(e) approfondira la théorie du dispositif afin d'en améliorer les performances. Il ou elle mènera des expériences portant sur l’intégration (packaging), l'holographie et la caractérisation des PIC. Son objectif sera de fabriquer une large gamme de dispositifs prototypes destinés à être testés. Une attention particulière sera portée à l'évaluation du comportement des dispositifs fabriqués sur une large plage spectrale, allant du visible à l'infrarouge proche.
Le ou la doctorant(e) utilisera un logiciel de simulation FDTD (Finite-Difference Time-Domain) afin d'évaluer les caractéristiques de propagation de l'onde lors de sa transition d'un milieu confiné vers l'espace libre. Il ou elle définira les structures prismatiques optimales qui seront reproduites par nano-impression. Il ou elle intégrera ces structures polymères sur des échantillons de PIC au moyen de protocoles délicats de transfert et de collage en salle blanche. Il ou elle enregistrera des éléments optiques micro-holographiques à l'aide de lasers afin d'améliorer les capacités angulaires du dispositif final. Une grande partie de la thèse sera consacrée à la mise en œuvre et à l'utilisation de bancs expérimentaux optiques.

Développement d’un nano-coating zwitterionique bifonctionnel pour les aptacapteurs – un nouveau linker pour sondes biologiques qui supprime les adsorptions non-spécifiques

Le domaine du développement des biocapteurs se heurte régulièrement à la problématique des signaux non-spécifiques. L’apparition de ces signaux limite bien souvent les performances des biocapteurs et complique in-fine les transferts industriels. Le synoptique de fonctionnalisation pour les biocapteurs se résume généralement en trois étapes, i) fonctionnalisation du transducteur avec une molécule linker, ii) immobilisation d’une sonde biologique (anticorps, aptamères, oligonucléotides…) grâce au linker, iii) traitement avec l’entité de blocage des interactions non-spécifiques. La littérature regorge de solutions qui font la part belle au blocage de ces interactions non-spécifiques avec différents types d’entités chimiques ou biologiques : protéines (BSA, caséine…), polymères (PEG, PVP) ou petites molécules (éthanolamine, hexylamine...).
Pour autant, une approche alternative de fonctionnalisation avec un linker offrant à la fois la capacité d’immobiliser des sondes biologiques, tout en assurant le blocage des interactions non-spécifiques représente une piste innovante pour le développement de biocapteurs.
Ce projet de thèse consiste à explorer le design et la fonctionnalisation de surface avec un nano-coating bifonctionnel répondant à cette approche. Concernant le blocage, les polymères zwitterioniques seront au coeur du développement. En effet, de nombreux travaux démontrent leur capacité à réduire drastiquement les interactions des milieux biologiques complexes avec les surfaces qui en sont pourvues. Par ailleurs, il est possible d’exploiter les fonctions chimiques de certains types de zwitterions pour immobiliser à la demande des sondes biologiques. Après avoir optimisé leur activité en phase homogène, des aptamères seront immobilisés sur des transducteurs silicium (QCM-d et puce photonique) par l’intermédiaire du nano-coating zwitterionique bifonctionnel. L’objectif de la thèse est d’obtenir une preuve de concept d’un biocapteur fonctionnalisé avec ce linker qui assure la réduction des signaux non-spécifiques tout en assurant la détection spécifique de la cible envisagée (modèle Tyrosinamide) dans des milieux modèles et complexes issus du biomédical, tels que le sérum ou le plasma.

Une meilleure compréhension structurale en nanoélectronique grâce à la microscopie à rayons X en champ sombre

La microscopie à rayons X en champ sombre (DFXM) est une technique synchrotron émergente et non destructive, capable d’imager les contraintes et les défauts cristallins avec une résolution de 30 à 100 nm sur de larges champs de vue. Les améliorations récentes à l’ESRF et sur la ligne de lumière ID03 ont augmenté l’intensité des rayons X de deux ordres de grandeur, permettant l’étude des structures nanométriques les plus complexes fabriquées en salle blanche. Cette thèse a pour objectif d’exploiter la DFXM pour l’analyse d’architectures microélectroniques avancées soumises à des contraintes thermo-mécaniques critiques. La DFXM fournira une cartographie 3D des contraintes, de l’orientation et des défauts enfouis dans des dispositifs complexes sans destruction de l’échantillon. Une étude comparative sera menée avec des techniques locales de rayons X complémentaires disponibles sur synchrotron telles que la microdiffraction Laue et la microscopie de diffraction des rayons X en balayage (SXDM). Des corrélations multi-échelles seront établies avec la MET et la spectroscopie Raman. Des simulations par éléments finis appuieront l’interprétation en modélisant le comportement mécanique sous charge thermique ou en conditions opérationnelles. L’objectif est de définir une méthodologie robuste pour l’analyse multi-échelle des contraintes dans les composants de la microélectronique.

Cette thèse se déroulera au CEA–Leti sur la plateforme de Nano-caractérisation, et s’inscrit dans une collaboration étroite avec la ligne ID03 de l'ESRF et soutient les avancées dans les technologies quantiques, la photonique et les technologies microélectroniques à haute efficacité énergétique. Ce travail contribuera à améliorer la fiabilité et l’optimisation de la conception des dispositifs de prochaine génération.

Développement de microcalorimètres magnétiques ultra haute résolution pour l’analyse isotopique d’actinides par spectrométrie de photons X et gamma

Le sujet de thèse porte sur le développement de microcalorimètres magnétiques (CMM) ultra haute résolution pour améliorer l’analyse isotopique d’actinides (uranium, plutonium) par spectrométrie X et gamma autour de 100 keV. Cette analyse, essentielle dans le cycle du combustible nucléaire et la lutte contre la prolifération, repose traditionnellement sur des détecteurs HPGe, dont la résolution limite la précision. Pour surmonter ces limites, le projet vise à utiliser des détecteurs cryogéniques de type CMM fonctionnant à des températures inférieures à 100 mK et capables d’atteindre une résolution énergétique dix fois meilleure que celle des HPGe. Les détecteurs CMM seront microfabriqués au CNRS/C2N avec des composants supraconducteurs et paramagnétiques, puis testés au LNHB. Une fois étalonnés, ils serviront à mesurer avec précision les spectres de photons des actinides afin de déterminer avec précision les paramètres fondamentaux atomiques et nucléaires des isotopes étudiés. Les résultats obtenus enrichiront les bases de données nucléaires et atomiques utilisées dans les codes de déconvolution permettant une analyse isotopique d'actinides plus fiable et précise.

Déploiement matériel robuste de réseaux de neurones

Les technologies matérielles non conventionnelles émergentes sont essentielles pour les futures applications d’Edge-AI, mais elles présentent souvent de la variabilité, des désappariements entre composants et une dispersion technologique. Ces non-idéalités peuvent fortement réduire la précision d’inférence des modèles d’IA si aucun réglage fin ou calibrage n’est appliqué. Le fine-tuning supervisé traditionnel est difficile à industrialiser, car il soulève des problèmes liés à la confidentialité des données, à la qualité de service, à la complexité logicielle et aux contraintes matérielles.

Ce sujet de thèse vise à développer des méthodes de co-conception matériel-algorithme permettant d’éviter le réentraînement supervisé complet directement sur la puce. L’objectif principal est de créer des stratégies d’auto-calibrage au niveau de l’inférence, indépendantes de la tâche, capables de compenser les désappariements matériels au niveau système. Le travail s'intéressera les méthodes d’adaptation existantes, notamment celles fondées sur les poids, les caractéristiques, les sorties et l’adaptation de domaine.

Le projet permettra de développer au travers d'une application pertinente d’Edge-AI une méthode générique de fine-tuning et la validera au moyen de simulations électriques bas niveau. Si possible, l'approche proposé pourra également être testé expérimentalement sur une plateforme matérielle basée sur un ASIC.

Comment la nucléation des défauts impact la fracture dans le transfert de couches par SmartCut

Le procédé SmartCutTM est largement utilisé dans la fabrication de substrats innovants pour la microélectronique, comme par exemple le SOI (Silicon-on-Insulator).
Les phénomènes physiques à la base de ce procédé, sont encore au cœur de nos recherches. L’optimisation de l’étape de fracture est un sujet majeur dans notre laboratoire et dans notre collaboration avec Soitec. Dans la thèse de G. Salomon (fin prévue en décembre 2026), le développement de protocoles d’analyses de la surface post fracture, ont mis en évidence le lien entre l’évolution de défauts lacunaires à l’origine de la fracture (platelets) et la rugosité post fracture. Nous avons ainsi pu caractériser les premiers stades de la croissance des platelets et ainsi déterminer leurs caractéristiques principales (taille et densité). Ce qui n’avait été réalisé jusque là qu’à travers des caractérisations complexes basées sur des observations TEM.
Maintenant que nous avons mis en évidence l’impact des platelets sur la rugosité post-fracture et que les moyens pour quantifier ces interactions ont été développés, l’étape suivante est d’étudier d’identifier des moyens de contrôler leur nucléation par des nouveaux procédés. Il s’agira aussi d’optimiser l’état post fracture des substrats SOI.

CdTe pour la radiographie médicale; maitrise des propriétés électriques

L’usage de détecteurs à conversion directe dans le domaine de la radiographie médicale ouvre de nouvelles perspectives. De par ses propriétés, le matériau semiconducteur CdTe s’impose comme un matériau de choix pour réaliser ces nouveaux composants. Le sujet de thèse proposé vise à développer les connaissances et les procédés permettant la fourniture de cristaux de CdTe aux propriétés adaptées aux exigences applicatives. Les travaux s’appuieront sur l’expertise avancée du laboratoire quant à la maitrise des procédés de monocrstallisation du CdTe. Les enjeux du sujet seront les suivants :
- Réaliser des recuits sous atmosphère contrôlées (ex-situ, sur coupon) pour étudier leur impact sur les propriétés électrique du CdTe,
- Réaliser des caractérisations avancées pour tenter de mieux comprendre les mécanismes de dopage dans CdTe,
- Fabriquer des dispositifs « simples » et les tester sous flux X pour quantifier les performances des matériaux du laboratoire.
Le sujet de thèse proposé est au cœur du développement d’une filière CdTe pour les applications en radiographie médicale. Des travaux pluridisciplinaires (développements matériaux - procédé, caractérisation matériau, réalisation et test sous flux X de dispositifs simplifiés) sont proposés pour aborder ce sujet.

Réseaux de neurones associatifs à minimisation d’énergie utilisant des mémoires résistives

Ce projet de thèse vise à développer des réseaux neuronaux associatifs de type Hopfield, capables d’effectuer l’inférence par minimisation d’énergie.
L’objectif est d’exploiter ces dynamiques pour le débruitage et la reconstruction d’images à proximité des capteurs, dans des systèmes fortement contraints en énergie et en latence.
Les synapses du réseau seront implémentées dans des matrices de mémoires résistives ReRAM, permettant des opérations analogiques directement en mémoire.
Le travail portera sur le dimensionnement de ces architectures, en tenant compte de la taille des matrices, de la quantification des poids, de la variabilité des dispositifs et de leur endurance.
Des modèles de référence seront développés sous PyTorch afin d’évaluer différentes dynamiques neuronales et stratégies d’implémentation.
Le débruitage d’images par blocs servira de cas d’usage principal pour mesurer les compromis entre qualité de reconstruction, rapidité et consommation énergétique.
Une attention particulière sera portée à la robustesse des réseaux face aux non-idéalités matérielles, notamment le bruit, la variabilité et la dérive des mémoires.
Le projet explorera également des mécanismes d’apprentissage local sur puce, permettant une adaptation progressive aux changements du capteur, de la scène ou du matériel.
Ces règles devront rester compatibles avec les contraintes d’endurance des mémoires résistives.
À terme, la thèse devra fournir des recommandations de dimensionnement matériel et préparer la conception d’un démonstrateur expérimental.
L’enjeu scientifique est de montrer qu’une inférence associative dynamique peut constituer une brique efficace, robuste et basse consommation pour l’IA embarquée.