Approche multi-échelle pour la propagation des ultrasons en milieux multi-diffusifs inhomogènes
Les ondes ultrasonores sont fortement influencées par la microstructure des matériaux, ce qui entraîne atténuation, dispersion, et bruit. La modélisation de ces effets est essentielle, notamment pour le contrôle non destructif, où ils peuvent soit gêner la détection de défauts, soit fournir des informations sur le matériau. Des modèles analytiques et numériques permettent de mieux prédire et interpréter ces phénomènes. Des propriétés statistiques homogènes sont généralement supposées. En pratique, les microstructures présentent souvent des variations spatiales importantes, liées par exemple aux procédés de fabrication. Selon l’échelle de ces variations par rapport à la longueur d’onde, elles peuvent induire des changements abrupts ou progressifs de propriétés effectives. Cette thèse vise à établir un cadre théorique intégrant à la fois l’aléa microstructural et ses variations spatiales, afin de proposer des stratégies de simulation pertinentes selon les échelles considérées. L’approche sera d’abord développée en 1D, puis étendue aux cas 2D et 3D en s’appuyant sur des outils développés au laboratoire, avec des validations numériques et éventuellement expérimentales.
Coordination de la flexibilité des convertisseurs d’électronique de puissance raccordés réseau de distribution en vue de participation à la stabilité du système électrique global.
Avec l’augmentation des productions et consommations connectées via des convertisseurs d’électronique de puissance, le réseau électrique évolue vers une structure plus dynamique et décentralisée. Cette transformation accroît le besoin et l’intérêt de leur participation active à la flexibilité et à la stabilité du système, notamment pour compenser les variations de production des énergies renouvelables et assurer un bon équilibre entre l’offre et la demande. La coordination optimisée du contrôle de ces dispositifs présente un fort potentiel pour améliorer la résilience du réseau, en exploitant intelligemment leurs capacités de régulation de tension, de fréquence et de puissance réactive. Toutefois, pour intégrer efficacement ces contributions à grande échelle, il est crucial de développer des approches de modélisation holistique permettant de capturer les interactions multi-échelles, tant spatiales que temporelles. Les travaux de modélisation dans cette thèse visent à représenter le lien entre la flexibilité de réponse en puissance active/réactive des convertisseurs d’électronique de puissance et la marge de stabilité apporté au réseau et aussi l’agrégation de leurs actions en vue d’une contribution au système intégré. Suite à cette étape, des architectures et des algorithmes de contrôle coordonnées entre le réseau de distribution et le réseau de transport seront étudiés, développés et validés.
Prédiction des effets de dispersion d’ondes élastiques par un modèle semi-analytique sous approximation hautes fréquences
Les méthodes d’inspection ultrasonores (UT) sont une composante essentielle des contrôles non-destructifs (CND). Elles sont couramment employées pour l’inspection de composants mécaniques tels que les soudures (nucléaire, pétrochimie) ou les structures en matériau composite (aéronautique). Afin de comprendre les phénomènes physiques en jeu pour une configuration donnée, la simulation est un atout et parfois une étape incontournable pour la mise en place du procédé d’inspection. Les approches de modélisation se répartissent en deux grandes familles : les modèles purement numériques, basés sur les éléments finis (EF), et les méthodes semi-analytiques, dérivées d’approximations haute fréquence (HF) comme les rayons paraxiaux. Ces dernières, bien que privilégiées pour leur efficacité calculatoire, introduisent des simplifications pouvant altérer la précision quantitative des résultats, en particulier pour des phénomènes comme la dispersion (variation de la vitesse des ondes selon la fréquence), fréquents dans certains contextes industriels.
Ce projet de thèse vise à enrichir l’approche par rayons paraxiaux en y intégrant des modèles d’interfaces dispersives (interplis composites, couches de couplant), des milieux viscoélastiques dispersifs, ainsi qu’un modèle d’ondes guidées modales. L’ambition est de concevoir un outil de simulation capable de reproduire fidèlement des configurations de contrôle réalistes, améliorant ainsi la représentativité des résultats.
Concilier la prédictabilité et la performance dans les architectures de processeurs pour les systèmes critiques
Les systèmes critiques possèdent à la fois des exigences fonctionnelles et temporelles, ces dernières garantissant que toutes les échéances sont respectées pendant l’exécution ; tout dépassement pourrait entraîner des conséquences catastrophiques. La nature critique de ces systèmes impose la mise en œuvre de solutions matérielles et logicielles spécialisées.
Cette thèse de doctorat porte sur le développement d’architectures matérielles pour systèmes critiques, appelées architectures prédictibles, capables de fournir les garanties temporelles nécessaires. Plusieurs architectures de ce type existent déjà, généralement fondées sur des pipelines in-order et intégrant soit des restrictions comportementales (par exemple, la désactivation de mécanismes de spéculation complexes), soit des spécialisations structurelles (par exemple, des caches re-designés ou une arbitrage déterministe pour l’accès aux ressources partagées). Ces restrictions et spécialisations ont inévitablement un impact sur les performances ; la conception d’architectures prédictibles doit donc traiter directement le compromis entre prédictibilité et performance. Cette thèse vise à explorer ce compromis d’une manière nouvelle, en adaptant une variante hautes performances d’un processeur in-order (CVA6) et en développant des techniques top-down pour le rendre prédictible. Les performances de tels processeurs reposent habituellement sur des mécanismes tels que la prédiction de branchement, le préchargement (prefetching) et la prédiction de valeurs, mis en œuvre à l’aide d’éléments de stockage spécialisés (par exemple, des tampons) et appuyés par des mécanismes de contrôle tels que la restauration d’état (rollback) en cas de mauvaise spéculation. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de définir un schéma général de prédictibilité pour l’exécution spéculative, couvrant à la fois l’organisation du stockage et le comportement de restauration.
Détection hors distribution avec des modèles de fondation de vision et des méthodes post-hoc
Le sujet de thèse se concentre sur l'amélioration de la fiabilité des modèles de deep learning, en particulier dans la détection des échantillons hors distribution (OoD), qui sont des points de données différents des données d'entraînement et peuvent entraîner des prédictions incorrectes. Cela est particulièrement important dans des domaines critiques comme la santé et les véhicules autonomes, où les erreurs peuvent avoir des conséquences graves. La recherche exploite les modèles de base de la vision (VFMs) comme CLIP et DINO, qui ont révolutionné la vision par ordinateur en permettant l'apprentissage à partir de données limitées. Le travail proposé vise à développer des méthodes qui maintiennent la robustesse de ces modèles pendant le fine-tuning, garantissant qu'ils peuvent toujours détecter efficacement les échantillons OoD. En outre, la thèse explorera des solutions pour gérer les changements de distribution des données au fil du temps, un défi courant dans les applications du monde réel. Les résultats attendus incluent de nouvelles techniques pour la détection OoD et des méthodes adaptatives pour les environnements dynamiques, améliorant ainsi la sécurité et la fiabilité des systèmes d'IA dans des scénarios pratiques.
Evaluation de l'impact du procédé d'extrusion en voie sèche sur la microstructure et les performances de cathodes pour batteries tout-solide à électrolytes polymères
Les batteries à électrolyte solide (solid-state batteries, SSB) ont pour objectif de dépasser la technologie lithium-ion actuelle en termes de densité d’énergie et de sécurité, avec des applications dans les véhicules électriques ou le stockage d’énergie stationnaire. La fabrication de ces nouvelles technologies de batteries peut soit s’appuyer sur les infrastructures existantes (mélange et enduction d’encres d’électrodes à base de solvant), soit nécessiter de nouveaux procédés de fabrication. Dans ce contexte, le procédé d’extrusion bi-vis présente plusieurs avantages lorsqu’il est appliqué aux SSB, en particulier avec des électrolytes à base de polymères.
Afin d’accélérer le déploiement des SSB à base de polymères, une meilleure compréhension du procédé d’extrusion appliqué à la fabrication des électrodes positives est nécessaire. L’objectif de cette thèse est de développer de nouvelles formulations d’électrodes par extrusion en voie fondue et de comprendre l’impact des paramètres du procédé sur les performances finales. Elle permettra de fournir au final une vision claire des avantages et limitations de l’extrusion par rapport au procédé classique d’enduction.
Ce projet de doctorat s’inscrit dans une collaboration entre le CEA et Stellantis pour le développement de nouvelles batteries tout-solide. L’étude portera sur le développement d’électrodes composites élaborées par extrusion, destinées à être utilisées dans des SSB à base de polymères. Dans un premier temps, les matériaux seront sélectionnés et caractérisés afin d’effectuer une première sélection de formulations à l’aide d’une extrudeuse à l’échelle laboratoire. Ensuite, une évaluation systématique de l’impact des matériaux d’entrée et des conditions opératoires du procédé d’extrusion sera réalisée afin de mettre en évidence les relations entre le procédé, les microstructures des électrodes et leurs performances. Enfin, les formulations d’électrodes les plus performantes seront intégrées dans un prototype entièrement fabriqué par extrusion et caractérisées par des tests électriques et des analyses post-mortem.
Le doctorant bénéficiera de l’environnement multidisciplinaire du CEA-LITEN (campus de Grenoble) ainsi que du savoir-faire industriel de Stellantis. La Plateforme de Prototypage de Batteries sera utilisée pour les essais d’extrusion et l’assemblage des cellules, tandis que l’accès à des équipements de caractérisation avancée (MEB-EDX, XPS, rhéomètres, méthodes électrochimiques, etc.) permettra d’acquérir une compréhension approfondie des mécanismes mis en jeu dans le procédé d’extrusion.
Étude de l’intensification du transfert de chaleur par ébullition convective dans les micro canaux appliquée au refroidissement des unités de calcul dans les data centers
La thèse proposée vise à mieux comprendre et modéliser, pour de nouveaux fluides réfrigérants à faible impact environnemental, les phénomènes d’ébullition convective en micro canaux.
Le doctorant adoptera une approche combinant expérimentation et modélisation multi-échelle, incluant la conception d’un banc d’essai simulant le comportement d’un micro évaporateur, la réalisation de simulations CFD (ANSYS Fluent, CATHARE) pour décrire les régimes diphasiques, et l’évaluation de différents fluides alternatifs écologiques à faible impact environnemental. Les résultats attendus portent, pour chacun de ces nouveaux fluides, sur la caractérisation des mécanismes d’ébullition confinée, le développement d’un modèle prédictif du transfert de chaleur, et la proposition de solutions de refroidissement innovantes.
En effet, les besoins croissants en calcul intensif, portés par l’intelligence artificielle et le cloud, entraînent une augmentation significative de la puissance dissipée dans les processeurs des puces électroniques. Les technologies de refroidissement monophasique actuelles atteignent leurs limites face à des flux thermiques dépassant 100 W/cm². Le refroidissement diphasique, basé sur l’ébullition d’un fluide pour évacuer la chaleur, est capable d’assurer des transferts de chaleur beaucoup plus efficaces que le refroidissement monophasique, tout en réduisant la consommation énergétique globale. Les résultats de la thèse contribueront à atteindre des solutions plus performantes et durables pour les futurs data centers. Ce travail contribuera à réduire l’empreinte énergétique du numérique et à renforcer la souveraineté technologique européenne dans le domaine des technologies de refroidissement avancées.
Monitoring de structure en environnement sévère : tomographie passive d’ondes élastiques par réseaux de Bragg sur fibre optique
L’utilisation de réseaux de Bragg sur fibre optique comme récepteur d’ondes élastiques guidées est étudiée depuis plusieurs années au LIST en tant que solution innovante pour le monitoring de structures soumises à des contraintes opérationnelles sévères.
Des progrès récents sur l’instrumentation opto-électronique dédiée à ce type de mesure ont permis de montrer la capacité de l’équipe de faire des mesures d’ondes élastiques à plus de 1000°C, et d’obtenir des degrés de multiplexage sur une même fibre optique qui offrent la possibilité de mettre en œuvre des algorithmes de tomographie par ondes élastiques guidées. Par ailleurs, un modèle de mesure d’ondes élastiques par réseaux de Bragg a récemment été développé. Ce modèle sera mis en œuvre afin d’adapter les algorithmes de tomographie, développés et éprouvés pour les capteurs piézoélectriques « standards », à la spécificité de la mesure Bragg.
Cette thèse pourra s’appuyer sur des campagnes expérimentales prévues dans des projets européens et des collaborations industrielles, qui permettront de mettre en œuvre en 2027/2028 ce type d’instrumentation sur des structures industrielles en conditions réelles (notamment des centrales nucléaires) ce qui offrira des données uniques à exploiter.
Le doctorant travaillera sur des aspects purement algorithmiques (adaptation des algorithmes de tomographie à la spécificité de la mesure Bragg, à la prise en compte de complexités géométriques sur structures industrielles réelles, problématique de calibration liées aux fortes températures / gradients de température) et à la réalisation de démonstrateurs au laboratoire. Il participera également au déploiement de la technologie sur sites industriels et à l’analyse des données.
Étude et optimisation d’accumulateurs lithium-soufre basées sur un mécanisme de conversion quasi-solide du soufre
Les batteries lithium-soufre sont considérées comme l’une des solutions les plus prometteuses pour la prochaine génération de stockage d’énergie. Elles offrent une densité énergétique supérieure à celle des batteries actuelles, tout en utilisant du soufre, un matériau abondant et peu coûteux. Cependant, plusieurs verrous scientifiques et technologiques freinent encore leur déploiement à grande échelle.
Un problème majeur réside dans la formation de polysulfures de lithium solubles lors du fonctionnement de l’accumulateur. Ceux-ci peuvent migrer à l’intérieur de la cellule et entraîner une perte rapide de capacité. Des recherches récentes suggèrent qu’un autre chemin réactionnel, appelé « mécanisme quasi-solide », pourrait limiter cette dissolution et améliorer significativement la stabilité des batteries.
Cette thèse de doctorat vise à concevoir et étudier des cellules lithium-soufre de type « pouch » fonctionnant selon ce mécanisme quasi-solide. Le travail combinera le développement d’électrodes de soufre, des tests électrochimiques et des techniques avancées de caractérisation afin de mieux comprendre les processus gouvernant les performances et la durabilité des batteries.
Le projet s’articulera autour de deux axes de recherche complémentaires :
1. Travail d’optimisation d’électrodes positives
La première partie du travail consistera à développer des cathodes à base de soufre optimisées. Cela inclut l’exploration de différents matériaux hôtes conducteurs et l’ajustement de leur structure ainsi que de leurs propriétés de surface afin de mieux confiner le soufre et de limiter les réactions indésirables.
2. Développement d’électrolytes adaptés
La seconde partie du projet portera sur la formulation d’électrolytes capables de réduire la solubilité des polysulfures tout en maintenant de bonnes performances électrochimiques. Les solutions actuelles reposent souvent sur des solvants fluorés denses, qui augmentent les coûts et l’impact environnemental. Ce projet explorera des systèmes de solvants alternatifs et étudiera l’influence de la composition et de la concentration en sels de lithium sur le comportement des cellules.
Afin d’approfondir la compréhension du mécanisme réactionnel quasi-solide, le projet inclura également des techniques de caractérisation operando ou in situ, telles que la spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X, et la tomographie X à haute résolution.
Support logiciel pour l'utilisation d'accélérateur de calcul et de transfert mémoire
Pour des raisons d'énergie les futurs ordinateurs devront utiliser des accélérateurs pour le calcul comme pour les accès à la mémoire (GPU, TPU, NPU, DMA intelligents). Les application d'IA ont des besoins en calcul intensif à la fois en intensité de calcul et en débits mémoire.
Ces accélérateurs ne se basent pas sur un jeu d'instruction simple (ISA), ils s'affranchissent du modèle de Von Neuman et ils nécessitent d'écrire manuellement du code spécialisé.
Par ailleurs, il est difficile de comparer l'utilisation de ces accélérateurs avec un code utilisant un processeur non spécialisé, les codes sources initiaux étant très différents.
HybroLang est un langage de programmation proche matériel permettant d'exprimer des programmes utilisant toutes les capacités de calcul d'un processeur tout en permettant une spécialisation du code en fonction des données connues à l'exécution.
Le compilateur HybroGen a déjà démontré sa capacité de programmation d'accélérateurs de calcul en mémoire, comme en optimisation de code sur CPU classique en réalisant des optimisations innovantes.
Cette thèse se propose d'étendre le langage HybroLang afin de :
- faciliter la programmation d'application d'IA apportant le support pour des données complexes : stencils, convolution, calcul clairsemé
- permettre la génération de code à la fois sur CPU et avec des accélérateurs matériels en cours de développement au CEA (calcul clairsemé, calcul en mémoire, accès à la mémoire)
- permettre la comparaison d'architectures différentes en partant d'un seul code source d'application
Idéalement un candidat devra avoir des connaissances dans les domaines suivants : architecture des ordinateurs, implémentation de langage de programmation, compilation et optimisation de code.