Implémentation sécurisée matérielle/logicielle de la cryptographie post-quantique sur des plateformes RISC-V

Les algorithmes de cryptographie à clé publique traditionnels seront considérés comme obsolètes lorsqu'un ordinateur quantique à grande échelle sera réalisé avec succès. En conséquence, le National Institute of Standards and Technology (NIST) aux États-Unis a lancé une initiative pour développer et standardiser de nouveaux algorithmes de cryptographie post-quantique (PQC), dans le but de remplacer les mécanismes de clé publique actuels. Cependant, l'adoption des algorithmes PQC dans l'Internet des objets (IoT) et les systèmes embarqués pose plusieurs défis d'implémentation, notamment la dégradation des performances et les préoccupations de sécurité découlant de la susceptibilité potentielle aux attaques physiques par canaux auxiliaires (SCA).
L'idée de ce projet de doctorat est d'explorer la modularité, l'extensibilité et l’adaptabilité de l'ISA open source RISC-V dans le but de proposer des implémentations innovantes, sécurisées et efficaces logiciel/matériel des algorithmes PQC. L'un des principaux défis liés à l'exécution des algorithmes PQC sur les processeurs embarqués est d'obtenir de bonnes performances (c'est-à-dire une faible latence et un haut débit) et une efficacité énergétique tout en incorporant des contre-mesures contre les SCA physiques. Dans la première phase, le candidat au doctorat examinera l'état de l'art (SoA) dans le but de comprendre les faiblesses et les points d'attaque des algorithmes PQC, l'efficacité et les surcoûts des contre-mesures SoA, et les stratégies d'accélération SoA. Dans la deuxième phase, le candidat mettra en œuvre de nouvelles solutions en exploitant tous les degrés de liberté offerts par l'architecture RISC-V et caractérisera les résultats obtenus en termes de surcoût de surface, de temps d'exécution et de résistance aux SCA.
Au-delà des passionnants défis scientifiques, ce doctorat se déroulera à Grenoble, une ville pittoresque nichée dans les Alpes françaises. La recherche sera menée au CEA, dans les instituts LETI et LIST, et en collaboration avec le laboratoire TIMA

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.

Développement d’une nouvelle génération de films d’encapsulation recyclables pour modules photovoltaïques

Dans le contexte de la transition énergétique, l’énergie solaire photovoltaïque (PV) représente une part croissante de la production mondiale d’énergie électrique, et cette dernière représente elle-même une part croissante de la production mondiale d’énergie. La production et le déploiement massif de modules PV induit des pressions croissantes sur l’environnement. Notamment, à cause de l’extraction des matières premières nécessaires à leur production et de leur prise en charge en fin de vie. Le recyclage permet d’agir simultanément sur ces deux sujets.
Les modules PV sont constitués de couches de natures différentes laminées ensemble. Le cœur du module contient les cellules PV enrobées dans un élastomère, l’encapsulant. Ce matériau joue plusieurs rôles : propriétés barrières, protection mécanique, etc. Actuellement, les encapsulants utilisés sont généralement des copolymère EVA réticulés ce qui rend le recyclage particulièrement difficile.
Ce travail de thèse aura pour but de développer un encapsulant vitrimère pour l’application PV. Un encapsulant de cette classe de polymère aux liaisons échangeables pourrait drastiquement simplifier le recyclage sans compromettre l’intégrité du module en service.
Ce travail débutera par la formulation de l’encapsulant, il se poursuivra par la caractérisation de ses propriétés (thermo-réversibilité, rhéologie, propriétés barrières) son extrusion en film jusqu’à sa mise en module. Le développement sera itératif, conduisant à la réalisation d’essais dans des conditions représentatives de l’application à divers stades du développement. Il s’appuiera sur les moyens et expertises des trois laboratoires partenaires LCMCP (Sorbonne Université), PIMM (ENSAM) et LITEN (CEA).

ClimatSunPV: Etude de composants PV intégrés au bâti aux fonctionnalités photoniques, capacité d'auto-rafraichissement et contribuant à l’atténuation des effets d’ilot de chaleur urbain

L’intégration de modules PV au bâtiment ou à d’autres applications en particulier présente différentes contraintes réduisant leur performance électrique par rapport à des installations au sol due à la modification de leurs conditions de fonctionnement. L’objectif de cette thèse serait la recherche d’une méthode de conception globale d’une façade BIPV en vue d’optimiser sa production et son impact sur le système d’intégration (bâtiment…) en palliant ses contraintes : ombrages statiques et mobiles, gradients de températures dus à l’albédo en partie basse, ensoleillement favorable surtout en période froide, surchauffe localisée… Pour cela, différentes approches seront envisagées :
1- Optimiser la gestion de température du champ PV ou l’uniformisation du champ de températures par convection forcée (par air ou par eau) : cas d’une façade (ou toiture) double peau (extraction voire récupération de chaleur en face arrière des modules PV à travers l’analyse numérique et expérimentale des chemins (écoulement d’air) de ventilation naturelle ou forcée) et cas d’une façade (ou toiture) monomur (autres méthodes de refroidissement);
2- Refroidissement passif des systèmes BIPV et PV : recherche à partir de modèles numériques et d’études expérimentales et validation de solutions technologiques passives simples (ailettes, dissipateurs thermiques, matériaux gradués, matériaux à effet photonique, entre autres).

Optimisation des Interfaces dans les Piles à Combustibles et Electrolyseurs Haute Température (EHT) par Pulvérisation Cathodique Magnétron

Dans le cadre de la stratégie nationale de développement de l’hydrogène décarboné du Plan France 2030, les Technologies de l’Hydrogène et les Piles à Combustible connaissent actuellement un essor très important tant du point de vue industriel que de la recherche. Parmi les systèmes électrochimiques envisagés, les technologies dites « céramiques » sont très prometteuses. Qu’il s’agisse de piles à combustible Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) ou d’électrolyseurs Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) également appelé High Temperature Steam Electrolysers (HTSE), leur température de fonctionnement élevée leur permet d’atteindre des rendements de conversion importants (Gas to Power et Power to Gas). De plus, ces dispositifs n’utilisent pas de catalyseurs à base de métaux précieux tels que le platine (Pt) ou encore l’oxyde d’iridium (IrO2). Bien que très performantes aux temps courts, les cellules actuelles présentent des caractéristiques de durabilité insuffisantes. En particulier, un taux de dégradation de l’ordre de 0.1%/kheure est visé dans un avenir proche (ce qui peut être estimé à une durée de fonctionnement de l’ordre de 10 ans).
Bien que les propriétés de transfert de charge et de transfert ionique aux interfaces soient très importantes pour garantir un bon comportement électrochimique des cellules, la stabilité des matériaux est également cruciale. A l’heure actuelle, les raisons principales du vieillissement prématuré des cellules sont liées aux réactions parasites entre les matériaux constitutifs et à une certaine instabilité chimique de ceux-ci vis-à-vis des gaz utilisés. Dans le cas des SOFC et SOEC basées sur un électrolyte conducteur O2- en zircone yttriée - Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), une couche dite « barrière » est le plus souvent intercalée entre l’électrolyte et l’électrode à oxygène afin d’assurer le bon transfert des ions O2- à travers la cellule mais aussi pour éviter la diffusion de cations issus de l’électrode, et/ou du matériau métallique d’interconnecteur. Il s’agit ici de s’affranchir en particulier de la réaction avec des ions tels que La3+, Sr2+, Fe3+, Co3+ (dans le cas des électrodes de type La1-xSrxFe1-yCoyO3-d) ou autres, ou bien encore les cations Cr3+, Ni2+ en ce qui concerne le métal d’interconnecteur.
Dans ce contexte, des couches barrière en cérine gadoliniée - Cerium Gadolinium Oxide (CGO) - sont fréquemment mises en œuvre. En effet, cet oxyde cristallise dans une structure fluorine comme YSZ ce qui permet d’accommoder les interfaces CGO/YSZ et présente une bonne conductivité ionique de l’oxygène grâce à la présence de lacunes. De plus, ce matériau freine la diffusion des cations vers l’électrolyte. Cependant, la conductivité ionique des phases mixtes Zr1-x-y’-y »YxM’yM’’y »O2-d (avec M ’et M’’ : les cations métalliques) est mal connue. En outre, les paramètres structuraux et microstructuraux de cette couche interfaciale restent à définir pour optimiser cette interface et ainsi qu’augmenter la durée de vie de la cellule : taille de grains, épaisseur, porosité, …
L’objectif de cette thèse sera d’étudier et de développer de nouvelles couches barrières de manière à améliorer leurs performances (stabilité, résistance ionique) et à réduire la quantité d’éléments critiques comme le Gd. La pulvérisation cathodique magnétron, qui permet la réalisation de couches denses sensiblement plus fines que celles obtenues traditionnellement par coulage en bande sera choisi ici comme procédé de synthèse. Cette étude comprendra 4 principaux volets : (i) la synthèse des films par pulvérisation cathodique magnétron, (ii) leur caractérisation physico-chimique et structurale approfondie, (iii) la réalisation des interfaces et des électrodes architecturées et (iv) l’étude de l’influence du revêtement sur le comportement électrochimique de l’électrode à oxygène et l’évolution des interfaces au cours du temps. Ceci nécessitera la mise en œuvre de différentes techniques de caractérisations, dont notamment MEB/EDS, MEB/FIB, diffraction des rayons X, spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), microscopie optique confocale, ToF-SIMS, nanosonde Auger.
Ces travaux seront menés dans le cadre du Projet Européen SustainCell qui regroupe 10 partenaires et vise à soutenir l'industrie européenne dans le développement de la prochaine génération d'électrolyseurs et de technologies de piles à combustible (à basse et haute température) en développant une chaîne d'approvisionnement européenne durable de matériaux, de composants et de cellules, nettement moins dépendante des matières premières critiques (CRM), avec une empreinte environnementale et des coûts moindres, et des performances et une durabilité supérieures à celles des technologies existantes. Ils seront réalisés conjointement au sein de deux laboratoires de la région Nouvelle Aquitaine à Pessac (Plateforme Batterie du CEA Tech et Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB)).

L'impact des défauts intrinsèques et extrinsèques sur le Ron dynamique et sur off-state courants de fuite des transistors latéraux à base de GaN pour la puissance

Le dopage intentionnel de transistors latéraux à haute mobilité électronique (HEMT) de puissance GaN avec des impuretés de carbone (C) est une technique courante pour réduire la conductivité du buffer et augmenter le claquage de tension. Cependant, cela se fait au prix d'une augmentation des défauts intrinsèques ainsi que d'une dégradation de la résistance dynamique (Ron) et d'effets d'effondrement du courant.
Le but de ce projet est de comparer les performances de dispositifs HEMT contenant différentes quantités de défauts extrinsèques (tels que les atomes de C) et de défauts intrinsèques (tels que les dislocations), en fonction des conditions de croissance pour guider vers une structure buffer optimisée avec une bonne dynamique de Ron et faible fuite verticale simultanément.

Étude des films de transport d'électrons et de trous pour améliorer la stabilité thermique des photodiodes à base de quantum dots III-V

Les nanocristaux semi-conducteurs ou quantum dots (QD) colloïdaux sont de nouveaux éléments de base pour la fabrication d’imageurs à haute performance ayant une détection de lumière accordable dans la gamme de longueurs d'onde SWIR. Mais ces détecteurs présentent actuellement une dégradation indésirable lorsqu’ils sont soumis à une contrainte thermique élevée. Cette dégradation peut cependant être considérablement réduite en optimisant les matériaux constitutifs de l’empilement photodiode (contacts, couche de transport des trous (HTL), couche de transport des électrons (ETL) et encapsulation), leurs épaisseurs et les procédés d’élaboration utilisés. Ainsi une étude détaillée sera menée afin de trouver les meilleurs candidats pour la HTL, l'ETL et l'électrode supérieure permettant de surmonter les limitations actuelles. La sélection des matériaux et des procédés de dépôts pour ces films minces seront choisis et étudiés parmi une variété de matériaux existants développés au LETI. Les films de QD ayant une absorption accordable entre 1 et 2,5 µm seront préparés par STMicroelectronics et le CEA-IRIG en collaboration avec d'autres partenaires. La fabrication des dispositifs (lithographie/gravure) et les tests électro-optiques seront réalisés en interne au LETI avec le soutien de STMicroelectronics.

Capteur de force flexible ultrasensible statique/dynamique

Dans cette thèse, les principes et les défis dans l’élaboration par impression et la caractérisation de matrices piézoélectriques organiques conformables à usage médical sous contrainte seront examinés. Un capteur piézoélectrique extensible/conformable, réalisé sur un substrat étirable, sera développé avec des matériaux (polymère de type PVDF-TrFE ou composite). Ces développements permettront d’étudier la faisabilité d’usage de tels composants piézoélectriques dans divers domaines.
L'objectif de l'étude menée jusqu'alors a porté sur la réalisation d'un dispositif piézoélectrique flexible basé sur le principe d'un capteur double face de manière à supprimer la contribution de la flexion. Ce capteur doit répondre en outre à une raideur compatible avec le système de déploiement à travers un cathéter de 3mm de diamètre. Dans ce contexte, les travaux réalisés dans cette thèse porteront sur le développement d'un capteur dynamique piézoélectrique flexible capable de convertir l’énergie mécanique sous de faibles contraintes couplé à un capteur piézorésistif capable de mesurer des contraintes statiques. L’utilisation des polymères offrent une meilleure flexibilité, de plus ils sont mis en œuvre sous forme de films minces ce qui les rendent légers et peu encombrants. Afin d’atteindre les objectifs une structure de capteur dédiée, garantissant une redondance de la mesure (capteur piézoélectrique et piézorésistif) sera étudiée, réalisée et caractérisée. Le procédé de fabrication des capteurs devra être optimisé afin d’accroître leur efficacité. Ainsi, l’optimisation de l’architecture des électrodes et de la géométrie des couches actives seront testées sous un banc d'essai de manière à évaluer leur aptitude à mesurer en même temps des pression statiques et dynamiques sur une gamme de la plus étendu possible. Parallèlement des caractérisations fondamentales de la matière seront faites de manière a établir des corrélations structure/propriétés électriques des capteurs.

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.

Production de microalgues riches en amidon sur effluents

Les microalgues et les cyanobactéries présentent la capacité naturelle de transformer le CO2 par photosynthèse en biomasse valorisable. Ces microorganismes à croissance rapide sont capables de produire deux grands types de composés de réserve, les lipides et les glucides. Le principal glucide produit par les microalgues vertes est l’amidon qui peut atteindre des teneurs de plus de 80% de la masse sèche des microalgues. Il peut par la suite être transformé en bioplastique ou fermenté en bioéthanol.
Malgré de fortes productivités, les coûts de production de l’amidon nécessitent d’être réduits pour rendre la production de bioplastique ou de bioéthanol viable économiquement. L’une des options consiste à utiliser des effluents comme support de culture des microalgues et ainsi réduire les coûts d’intrants.
L’objectif de la thèse sera d’optimiser la production d’amidon de microalgues sur divers effluents. Pour cela, des stratégies de production de microalgues riches en amidon seront identifiées pour être compatibles avec leur culture sur effluents.
Les étudiants ayant un goût prononcé pour l’expérimental et la modélisation sont invités à candidater. De l’expérience avec la culture de microorganismes est un prérequis.

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