Modélisation de composants et fonctions électroniques en environnement

L’objectif du travail sera de proposer une méthodologie de modélisation des composants élémentaires à semi-conducteur (transistors - diodes) prenant en compte leurs dégradations permanentes après irradiation ou les effets transitoires pendant l'irradiation. Ces modélisations seront d'abord réalisées au moyen de codes de simulation standard basés sur le langage Spice et sur des bibliothèques existantes de modèles fonctionnels des composants. Par la suite, des nouveaux modèles de composants seront à développer dans un environnement logiciel à définir pour parvenir à une simulation plus réaliste et optimisée des électroniques sous contraintes radiatives. Les données d’entrée seront issues de la littérature, d’expérimentations passées et d’expériences spécifiques à réaliser dans le cadre du post-doc. Une approche générique d'une méthode de caractérisation expérimentale sera à développer afin de déterminer les paramètres d'un modèle de composant dans un environnement radiatif donné. Les modèles radiatifs seront à valider pour différentes technologies de composants par comparaison entre la simulation et l'expérience.

Design des différents blocs d'un algorithme de calcul hyperdimensionel au sein de matrices mémoires non-volatiles

Pour répondre à différents enjeux scientifiques et sociétaux, les circuits intégrés de demain doivent gagner en efficacité énergétique. Or, la majorité de leur énergie est aujourd’hui consommée par les transferts de données entre les blocs mémoire et logique dans des architectures circuit de type Von-Neumann. Une solution émergente et disruptive à ce problème consiste à rendre possible des calculs directement dans la mémoire (« In-Memory Computing »). Dans le cadre de ce projet Carnot, nous proposons d’étudier la théorie du calcul hyper-dimensionnel (HDC) qui est aujourd’hui envisagée pour répondre au besoin de l’apprentissage machine dans le domaine de l’intelligence artificielle. Pour tester cette théorie, nous proposons de l’appliquer à la détection et à la classification de signaux physiologiques pour la reconnaissance de gestes. Ce domaine de recherche très prometteur pour les applications liées à l’interaction homme-machine, donne la possibilité a un utilisateur d’interagir directement par son activité musculaire.
Par rapport aux autres méthodes de classification, le calcul HDC présente des atouts importants : il est simple dans le sens où il s’appuie sur des opérations élémentaires, une seule passe est nécessaire pour l’entrainement (donc pas de rétro-propagation avec une mise à jour de poids synaptiques). Le fait qu’une entité soit représentée sur un vecteur de grande dimension (hyper-vecteur) rend cette approche peu sensible aux erreurs et aux bruits, ce qui représente un atout majeur pour travailler avec des signaux physiologiques.

Conception de Matrice 2D pour Calcul Quantique sur Silicium avec Validation par Simulation

L'objectif est de concevoir une structure matricées 2D pour le calcul quantique sur silicium afin d'envisager des structures de plusieurs centaines de Qubits physique.

En particulier le sujet sera focalisé sur :
- La fonctionnalité de la structure (interaction coulombienne, RF et quantique)
- Les contraintes de fabrication (simulation et contrainte de procédé réaliste)
- La variabilité des composants (Prise en compte de paramètre de variabilité et défectivité réaliste)
- Les contraintes induites sur les algorithmes (code de correction d'erreur)
- Scalabilité de la structure vers des milliers de Qubit physiques

Le candidat travaillera au sein d'un projet de plus de cinquante personnes avec des expertises couvrant la conception, la fabrication, la caractérisation et la modélisation des qubits de spin ainsi que des disciplines connexes (cryoélectronique, algorithmes quantiques, correction d'erreurs quantiques, …)

Effet de la présence de TSV sur la fiabilité des interconnexions dans le cadre des capteurs photographiques 3 couches

Parce que la réduction des dimensions basée sur la loi empirique de Moore a atteint ses limites, une technologie d'intégration alternative, telle que l'intégration tridimensionnelle (3DI) devient le courant dominant pour de plus en plus d'applications telles que les capteurs d'image CMOS (CIS), les mémoires... La 3ème génération de CIS empile jusqu'à 3 puces interconnectées par une liaison hybride (hybrid bonding) et des vias traversant le silicium - haute densité (TSV-HD). Le bon fonctionnement et l'intégrité des dispositifs et des circuits doivent être maintenus dans une telle intégration, en particulier dans le voisinage proche des TSVs. Le budget thermique, la dilatation du cuivre (Cu pumping/protrusion), le gauchissement des plaquettes de silicium minces peuvent entraîner des problèmes de rendement électrique et de fiabilité et doivent être, en conséquence, étudiés.
Le travail consiste à évaluer l'impact du TSV sur les performances et la fiabilité (électromigration, claquage diélectrique, BTI...) des interconnexions (BEOL) et des composants actifs (FEOL). Les données acquises permettront de définir des règles de conception et en particulier une zone interdite/d'exclusion potentielle (KOZ) et de calibrer un modèle éléments finis.

Conception d'un système de vision embarqué intégrant un imageur intelligent rapide

L'objectif du post-doc est d'évaluer l'intérêt des imageurs intelligents intégrant du traitement dans le plan focal dans les systèmes de vision embarqués pour une fonction de localisation et de proposer un système de vision embarqué complet intégrant un imageur intelligent et un hote. L'étude se concentrera sur les applications d'égo-localisation, pour réaliser, par exemple, une fonction de localisation 3D.
A partir d'une chaîne applicative existante, le post-doctorant pourra réaliser une étude algorithmique afin de l'optimiser pour exploiter les qualités de l'imageur intelligent. Puis il pourra proposer un partitionnement entre imageur intelligent et système hote, en fonction de critères de performances. Une expérimentation utilisant l'imageur intelligent RETINE ainsi que la carte d'accueil IRIS pourra être menée pour valider la proposition.

Evaluation de la consommation de système RF pour l'optimisation conjointe systeme-techn

Pour être capable d’augmenter d’optimiser au mieux les systèmes de transmission sans fil basées sur une hybridation des technologies, il est stratégique d’être en mesure d’évaluer rapidement les capacités de ces technologies et d’adapter au mieux l’architecture associée. Dans ce but, il est nécessaire de mettre en place de nouvelles approches de gestion globale de la consommation et d’optimisation.
Le travail de ce contrat post-doctoral se situe donc à ce niveau.
Il s’agira tout d’abord de développer des modèles de consommation des blocs des chaines de transmission radiofréquence (LNA, Mixe, Filtre, PA, …). Ce travail se fera en lien avec le projet Beyond5. Dans ce but, il sera nécessaire de maitriser les concepts de base de la conception de ces blocs. Dans un deuxième temps, il faudra relier les performances du système de transmission complet avec les performances des blocs élémentaires. On pourra alors ensuite mettre en œuvre l’optimisation de la répartition de la consommation entre les différents blocs de la chaîne grâce à une approche originale. Une méthodologie d’évaluation spécifique à la 3D sera aussi mise en place.

Développement de sondes de force optomécaniques pour l’AFM rapide

Le sujet proposé s’inscrit dans le cadre d’un projet CARNOT ayant pour objectif le développement d’une nouvelle génération de sondes de force basées sur une transduction optomécanique. Ces capteurs de force seront mis en place dans des microscopes AFM ultra rapides pour de l’imagerie et de la spectroscopie de force. Ils permettront notamment d’adresser des applications biologiques et biomédicales sur des échelles de temps sub-microseconde, voire nanoseconde en mode spectroscopie de force.
Des premières sondes de force optomécaniques VLSI sur silicium ont été conçues et fabriquées dans les salles blanches quasi-industrielles du LETI et ont donné lieu à des premières preuves de concept pour l’AFM rapide. Le post doctorant aura pour mission la préparation des sondes de force en vue de l’intégration de celles-ci dans un AFM rapide développé par notre partenaire au CNRS LAAS (Toulouse). Il sera en charge des opérations back end, de la libération des structures, de leur observation (SEM, microscopies), jusqu’au packaging optique avec des férules à base de fibres optiques. Il participera également au développement d’un banc de test des composants avant et après packaging pour sélectionner les composants et valider les sondes avant intégration dans un AFM.
Le post doctorant s’intéressera également au fonctionnement de la sonde en milieu liquide pour permettre ultérieurement des études AFM de phénomènes biologiques : pour cela, le développement d’un actionnement efficace (électrostatique, thermique ou optique) de la structure mécanique pourra être réalisé et appliqué expérimentalement. Un retour sur la modélisation et le design pourra ainsi être proposé à partir des mesures, afin d’assurer la compréhension de tous les phénomènes physiques observés. Enfin, le post-doctorant pourra proposer de nouveaux designs visant les hautes performances attendues. Ces dispositifs seront fabriqués par la salle blanche du Leti, puis seront testés et comparés aux performances attendues.

Sensibilité des composants nanoélectroniques innovants aux effets des radiations

L’évolution et l’intégration des composants électroniques reposent depuis longtemps sur la miniaturisation des dimensions des transistors. Leur taille atteint désormais des dimensions telles que les épaisseurs de couches minces ne contiennent plus que quelques couches atomiques. Pour poursuivre l’intégration des composants, une des voies les plus prometteuses consiste à explorer les empilements en 3D de composants. Cette démarche conduit à des technologies non planaires, et a été initiée au CEA depuis des années. Elle a permis l’apparition de composants tels que les FinFETs (Finger Field Effect Transistors), les nano-fils de silicium (Si nano-wire) et plus récemment les nano-sheets. Désormais, pour ces composants les plus avancés, les dimensions caractéristiques se rapprochent des dimensions des effets induits par les particules de l’environnement spatial.
La fiabilité en environnement radiatif des futurs composants intégrés basés sur ces technologies nécessite d’être étudiée afin d’en estimer la sensibilité. Ces technologies électroniques sont prometteuses, et identifiées comme solution possible pour l’électronique du futur. Cependant, l’utilisation de ces technologies en environnement radiatif (avionique, spatial, physique des hautes énergies, etc…) nécessite une meilleure compréhension des effets induits par les différents types de radiations dans ces empilements complexes de matériaux en couche mince. L’expertise de conception et de développement des composants nanoélectroniques sera amenée par le CEA LETI. Le CEA DIF, dont une équipe est spécialisée dans l’évaluation des technologies micro, nano et subnanomètriques soumises aux radiations, apportera son savoir-faire afin d’appréhender au mieux la conjonction des deux domaines considérés.

Modélisation multi-échelle de l’environnement électromagnétique de bits quantiques

Dans un futur proche, l’informatique quantique est susceptible de conduire à des percées majeures dans le monde du calcul haute performance et des communications cryptées. Parmi les différentes approches basées sur les semi-conducteurs, l’utilisation de bits quantiques de spin sur silicium (qubit) est une approche prometteuse puisqu’elle présente une forte compacité dotée d’un long temps de cohérence, d'une fidélité élevée et d'une rotation rapide du spin [Maurand2016], [Meunier2019]. Un défi majeur actuel dans le cadre d’une matrice de qubits est d’atteindre un contrôle individualisé.

Une matrice de qubits forme un système ouvert compact où chaque qubit ne peut être considéré comme isolé car dépendant de l’agencement des autres qubits, de leur réseau d’interconnexions et de l’empilement du back-end-of-line. L’objectif principal du post-doc est de développer plusieurs implémentations pour le contrôle de spin dans les matrices 2D de qubits en utilisant des simulations électromagnétiques (EM) allant de l’échelle nanométrique (qubit unitaire) à l’échelle millimétrique (réseau interconnecté).

Le candidat aura pour mission de i) caractériser des structures de test RF (radiofréquence) à température cryogénique en utilisant des équipements de pointe et comparer les résultats obtenus avec des simulations EM spécifiques, ii) évaluer l’efficacité du contrôle du spin et réaliser une optimisation multi-échelle allant du qubit unitaire au réseau de qubits [Niquet2020], iii) intégrer le contrôle RF du spin dans le cadre d’un réseau 2D de qubits utilisant les technologies silicium du CEA-LETI.

Le candidat aura de solides bases en RF et en microélectronique ainsi qu’une expérience de recherche en simulation EM, en caractérisation RF et en conception de structures de test. Ces travaux s’effectueront dans le cadre d’un projet de collaboration tripartite dynamique ente le CEA-LETI, le CEA-IRIG et le CNRS-Institut Néel (ERC “Qucube”).

Conception de mémoire magnétique asynchrone non-volatile

Dans le contexte applicatif de l’internet des objets (IoT) et des systèmes CyberPhysiques, (CPS), les systèmes « Normally off » sont principalement dans un état de veille et attendent des événements déclencheurs tels que des réveils sur compte à rebours, des dépassements de seuil, des réveils électromagnétiques ou encore des variations dans leurs environnements énergétiques pour se mettre en marche. Afin de réduire leur consommation ou par manque d’énergie, le système coupe l’alimentation de la plupart de ses composants durant cette veille. Afin de conserver les informations présentes en mémoire, nous proposons de développer une mémoire non-volatile embarquée. Les technologies de stockage magnétiques sont prometteuses afin d’atteindre tant une faible consommation qu’une rapidité d’accès aux données. De plus, à cause du comportement transitoire de ces systèmes qui passent souvent de la veille à la marche et vice versa, la logique asynchrone est naturellement envisagée pour implémenter la logique numérique. Ce sujet vise ainsi la conception d’une mémoire SRAM magnétique asynchrone dans un procédé de fabrication 28nm. Le composant mémoire devrait être développé jusqu’au dessin des masques, afin d’être caractérisé en consommation et temps d’accès, et de pouvoir être intégré efficacement avec un processeur asynchrone. Repousser les limites de l’état de l’art en proposer un tel composant permettra d’envisager des avancées considérables dans le monde des systèmes autonomes.

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