Sécurisation cryptographique d’enclaves de processeurs RISC-V avec CHERI
CHERI (Capability Hardware Enhanced RISC Instructions) est une solution permettant de sécuriser le processeur contre les fuites spatiales et temporelles de mémoire en transformant tout pointeur en capacité définissant de façon claire les bornes d’accès aux données ou instructions adressées.
Dans cette thèse, nous proposons sur un processeur d’applications RISC-V d’enrichir CHERI et ses possibilités d’intégrité de flot de contrôle avec une protection des instructions allant jusqu’à leur exécution contre tout type de modifications. Dans un second temps, sur la base d’un chiffrement authentifié de la mémoire, nous étudierons la possibilité avec CHERI de définir des enclaves sécurisées permettant une isolation cryptographique entre processus. Le processeur sera modifié pour que chaque processus soit chiffré avec sa propre clé et puisse avoir un cycle de vie sûr. L’ensemble des clés devra être protégé efficacement dans le matériel.
Contact : olivier.savry@cea.fr
Optimisation topologique des performances optiques de µLED
Les performances des micro-LEDs (µLEDs) sont fondamentales pour les micro-écrans, un domaine d’excellence du laboratoire LITE au CEA-LETI. Cependant, simuler ces composants est complexe et coûteux en calculs, en raison de la nature incohérente des sources lumineuses et des géométries impliquées. Cela limite la possibilité d’explorer efficacement des espaces de conception multi-paramètres.
Cette thèse propose de développer une méthode innovante basée sur les éléments finis pour accélérer les simulations tout en rendant possible l’utilisation de l’optimisation topologique. L’objectif est de produire des designs non intuitifs maximisant les performances tout en respectant les contraintes industrielles.
Le travail se divise en deux phases :
Développer une méthode de simulation rapide et fiable, en intégrant des approximations physiques adaptées aux sources incohérentes et en réduisant les temps de calcul d’un facteur significatif.
Concevoir un cadre d’optimisation topologique robuste, intégrant des contraintes de fabricabilité, pour générer des designs immédiatement réalisables.
Les résultats attendus incluent des designs optimisés pour micro-écrans offrant des performances accrues et une méthodologie généralisable à d'autres dispositifs photoniques.
Combinaison de sous et surapproximations de la memoire pour l'analyse de code bas-niveau
Le théorème de Rice énonçant qu'on ne peut pas avoir de méthode qui sache automatiquement dire si une propriété sur un programme est vraie ou non a conduit à séparer les outils de vérification en deux groupes: les outils sound fonctionnant par sur-approximation, comme l'interprétation abstraite, sont capables de prouver automatiquement que certaines propriétés sont vraies, mais ne savent parfois pas conclure et produisent des alarmes; à l'inverse, les outils complete fonctionnant par sous-approximation, comme l'exécution symbolique, savent produire des contre-exemples, mais pas démontrer si une propriété est vraie.
*Le but général de la thèse est d'étudier la combinaison entre méthodes sound et complete d'analyse de programme, et en particulier l'analyse statique par interprétation abstraite et la génération de formules sous-approximée par exécution symbolique*.
Nous nous intéresserons particulièrement à la combinaison d'abstractions sur et sous-approximantes, en particulier pour la mémoire. Les applications envisagées en priorité concernent les analyses de code au niveau binaire, telles que réalisées par la combinaison des plateformes d'analyse BINSEC et CODEX, pour pouvoir trouver des failles de securite automatiquement ou demontrer leur absence.
Etude et évaluation de capacités en technologie silicium pour applications dans la bolométrie infrarouge
Les microbolomètres constituent aujourd'hui la technologie dominante pour la réalisation de détecteurs thermiques infrarouges non refroidis. Ces détecteurs sont couramment utilisés dans les domaines de la thermographie et de la surveillance. Il est néanmoins attendu, pour les prochaines années, une explosion du marché des microbolomètres, avec notamment l'implantation de ces derniers dans les automobiles et la multiplication des objets connectés. Le CEA Leti Li2T, acteur reconnu dans le domaine des détecteurs thermiques infrarouges, transfère depuis plus de 20 ans les technologies successives de microbolomètres à l'industriel Lynred. Afin de rester compétitif dans ce contexte d'accroissement du marché des microbolomètres, le laboratoire travaille à des microbolomètres de rupture comportant des composants CMOS comme élément sensible. Dans cette optique, le laboratoire a engagé des études se focalisant sur des capacités en technologie silicium qui varient avec la température, avec des premiers résultats prometteurs non rapportés dans la littérature. Le sujet de thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à démontrer l'intérêt de ces composants pour des applications microbolométriques. Il portera ainsi sur la modélisation analytique de ces composants et des effets physiques associés, ainsi que sur la lecture d'un tel composant dans une approche imageur microbolomètre. Une réflexion autour de l'intégration technologique sera également menée. L'étudiant bénéficiera de plusieurs lots technologiques déjà réalisés afin de caractériser expérimentalement les effets physiques et de prendre en main le sujet. L’étudiant aura à sa disposition l’ensemble des moyens de test du laboratoire (testeur paramétrique de semiconducteur, analyseur de bruit, banc optique, etc.) ainsi que les outils d’analyse pour une compréhension des phénomènes (Matlab/Python, simulations TCAD, simulations SPICE, Comsol, etc.). À l'issue de la thèse, l'étudiant sera en mesure de répondre à la question de l'intérêt de ces composants pour des applications microbolométriques.
Caractérisation de la récupération motrice au cours d’un processus de rééducation guidé par BCI
Les interfaces cerveau-machine ou BCI (pour Brain Computer Interface) permettent de restaurer une fonction perdue en offrant la possibilité à un individu de contrôler des dispositifs externes grâce à la modulation de son activité cérébrale. Le CEA a développé une technologie de BCI basée sur l’implant WIMAGINE de mesure de l’activité cérébrale par électrocorticographie (ECoG) et sur des algorithmes de décodages des intentions motrices. Cette technologie a initialement été testée pour le contrôle d’effecteurs robotiques de type exosquelette, et de dispositifs de stimulation médullaire pour pallier les pertes motrices graves. Ce paradigme initial de suppléance et de substitution, bien que prometteur, laisse désormais entrevoir un potentiel d’application différent : celui de la récupération fonctionnelle par rééducation guidée par BCI. La littérature actuelle suggère en effet que les BCI, utilisées de manière intensive et bien orientées, peuvent favoriser la plasticité neuronale et, par extension, une amélioration des capacités motrices résiduelles. En particulier, les BCI implantées en électrocorticographie (ECoG) pourrait apporter des gains thérapeutiques significatifs.
L’objectif de cette thèse est donc d’évaluer le potentiel de la technologie BCI du CEA pour favoriser l’amélioration des capacités motrices résiduelles de patients paralysés par plasticité neuronale.
Ce travail sera abordé par une démarche scientifique rigoureuse et multidisciplinaire, comprenant une revue exhaustive de la littérature scientifique, la mise en place et la réalisation d’expérimentations cliniques avec des patients, le développement algorithmique d’outils de suivi et d’analyse de la progression des patients et la publication des résultats significatifs dans des revues scientifiques de haut-niveau.
Cette thèse est destinée à un(e) étudiant(e) spécialisé(e) en ingénierie biomédicale, avec une expertise en traitement de signal et analyse de données physiologiques complexes et une expérience en Python ou Matlab. Un fort intérêt pour l’expérimentation clinique et les neurosciences sera aussi nécessaire. L’étudiant(e) travaillera au sein d’une équipe pluridisciplinaire au sein de CLINATEC, contribuant ainsi à la recherche de pointe dans le domaine des BCIs.
Contrôle de la turbulence des modes d’électrons piégés à l’aide du chauffage à la résonance cyclotronique électronique
Les performances d’un tokamak sont liées au niveau du transport turbulent. L’instabilité des modes d’électrons piégés est l’une des principales instabilités à l’origine de la turbulence dans les tokamaks. D’autre part, le chauffage à la résonance cyclotronique électronique est un système de chauffage générique des tokamaks. Les deux processus physiques reposent sur des interactions résonantes avec les électrons. Une interaction non linéaire entre les processus résonants est théoriquement possible. L’objectif de la thèse est d’évaluer la possibilité d’exploiter cette interaction non linéaire pour permettre de stabiliser l’instabilité des modes d’électrons piégés au sein des tokamaks à l’aide d’une source de chauffage présente sur de nombreux tokamaks, dont ITER. Cette technique de contrôle pourrait permettre d’améliorer les performances de certains tokamaks sans surcoût.
La thèse reposera sur une compréhension théorique des deux processus étudiés, demandera l’utilisation du code gyrocinétique GYSELA pour modéliser les interactions non linéaires entre processus résonants et comportera un aspect expérimental pour valider le mécanisme de contrôle de la turbulence identifié.
Développement d’algorithmes et d’outils de modélisation pour des mesures de CD-SAXS à basse énergie
Le CEA–LETI est un des acteurs Européen principaux de l’industrie des semi-conducteurs. Avec sa plateforme de nano-caractérisation (PFNC) à Grenoble, il dispose d'un environnement de pointe avec un vaste éventail d'équipements à l'état de l'art. Nos équipes ont pour vocation d’accompagner le développement de nouveaux outils de caractérisation pour anticiper les besoins industriels (notamment autour des futurs nœuds technologiques). Ainsi, des travaux pionniers ont été réalisés autour du CD-SAXS sur la PFNC ces dernières années. Cette technique de diffusion/diffraction des rayons X permet de mesurer avec une précision sub-nanométrique les dimensions des nano-structures gravées dans les salles blanches du LETI. Dans le cadre de ce projet, nous proposons d’étendre l’approche CD-SAXS en utilisant les récents développements autour des sources basse-énergie de laboratoire (A. Lhuillier et al. 1988, prix Nobel 2023) appelées High Harmonics Generation (HHG) sources. Votre rôle sera de mettre en place les outils d'analyse spécifiques au développement de l’approche CD-SAXS à basse énergie. La première preuve de concept a été réalisée en Novembre 2023.
Mission:
Afin de prendre en compte dans la réduction de données les spécificités de cette nouvelle approche (multi longueur d'onde, basse énergie…), votre mission se concentrera sur plusieurs tâches:
- Développer différents outils numériques pour le traitement de données :
o Simulations éléments finis avec solver Maxwell
o Transformée de Fourier analytique (similaire au CD-SAXS)vs théorie dynamique
o Comparaison des différentes approches de simulations
- Construire et tester des modèles dédiés aux problématiques en lithographie(CD, overlay, rugosité)
- Définir les limitations de la technique par des simulations (notamment la résolution spatiale, les incertitudes de mesures);
Ce travail viendra compléter le développement expérimental de mesures de CD-SAXS avec une source de laboratoire HHG réalisée en parallèle par un postdoctorant.
Accélération de simulations thermo-mécaniques par Réseaux de Neurones --- Applications à la fabrication additive et la mise en forme des métaux
Dans un certain nombre d'industries telle que la mise en forme des métaux ou la fabrication additive, l'écart entre la forme désirée et la forme effectivement obtenue est important, ce qui freine le développement de ces méthodes de fabrication. Cela est dû en bonne partie à la complexité des processus thermiques et mécaniques en jeu, difficiles à simuler à des fins d’optimisation du fait du temps de calcul important de la simulation des phénomènes en jeu.
La thèse vise à réduire significativement cet écart grâce à l'accélération des simulations thermo-mécaniques par éléments finis, notamment via le design d'une architecture de réseau de neurones adaptée, en s'appuyant sur les connaissances physiques théoriques.
Pour mener à bien ce sujet, la thèse bénéficiera d'un écosystème favorable aussi bien au LMS de l'École polytechnique qu'au CEA List : architecture PlastiNN développée en interne (brevet en cours de dépôt), bases de données mécanique existantes, supercalculateur FactoryIA et DGX, machine d'impression 3D. Il s'agira dans un premier temps de générer des bases de données à partir de simulations éléments finis thermo-mécaniques, puis d'adapter PlastiNN à apprendre de telles simulations, avant de mettre en œuvre des procédures d'optimisation s'appuyant sur ces réseaux de neurones.
L'objectif final de la thèse est d'illustrer l'accélération de simulations éléments finis ainsi obtenue sur des cas réels : d'une part par l'instauration d'une rétroaction durant l'impression métallique via la mesure du champ de température pour réduire l'écart entre géométrie désirée et géométrie fabriquée, d'autre part par la mise en place d'un outil de commande de forge qui permet d'arriver à une géométrie désirée à partir d'une géométrie initiale. Les deux applications s'appuieront sur une procédure d'optimisation rendue réalisable par l'accélération des simulations thermo-mécaniques.
Etude thermomécanique des hétérostructures en fonction des conditions de collage
Pour de nombreuses applications industrielles, l'assemblage de plusieurs structures est l'une des étapes clés du processus de fabrication. Cependant, ces étapes sont généralement difficiles à réaliser, car elles conduisent à des augmentations significatives des déformations. La maîtrise des contraintes générées par les hétérostructures est donc impérative. Nous proposons d'aborder ce sujet en utilisant à la fois des méthodes expérimentale et des outils de simulation afin de prédire et d'anticiper les problèmes dus aux fortes déformations
Modélisation de la dynamique des faisceaux d’électrons dans les accélérateurs linéaires à induction
Cette thèse s’intéresse à la modélisation enveloppe et Particle-In-Cell (PIC) de la dynamique des faisceaux intenses d’électrons dans les accélérateurs à induction (LIA) et à la validation expérimentale de ce modèle. Les LIA utilisés en radiographie éclair transportent des faisceaux d’électrons impulsionnels (quelques dizaines de nanoseconde) à la fois intense (plusieurs kA) et de haute énergie (environ 20 MeV) afin de produire une source pénétrante de rayonnement X de faibles dimensions spatiales par rayonnement de freinage sur un matériau dense. Le faisceau initialement produit à une énergie proche de 4 MeV est injecté dans la ligne accélératrice où les électrons acquièrent progressivement de l’énergie en passant au niveau des gaps accélérateurs de cellules à induction. Dans un LIA, la compréhension et la maîtrise de la dynamique des faisceaux d’électrons sont nécessaires au succès d’une expérimentation réalisée dans des conditions extrêmes.
De nombreuses propriétés d’intérêt du faisceau d’électrons (dimension, position, quantité de mouvement, énergie, émittance) contribuent aux caractéristiques de la source de rayonnement X, elles-mêmes directement reliées à la qualité de la radiographie finale. Les énergies et les intensités des faisceaux sont telles que les forces auto-induites jouent un rôle clé dans leur dynamique. Les codes de simulations contribuent de manière significative à la compréhension et à la maitrise de la dynamique du faisceau. Aujourd’hui, l’étude de cette dynamique est majoritairement réalisée avec des codes enveloppe qui permettent de l’appréhender macroscopiquement et qui fournissent un formalisme intéressant d’un point de vue opérationnel pour régler le transport du faisceau. La méthode PIC, complémentaire de l’approche enveloppe, est également utilisée pour simuler la dynamique du faisceau. Elle permet une description plus complète de la physique mise en jeu dans les LIA [1] en reproduisant la quasi-totalité des phénomènes (accroissement d’émittance, évolution des distributions des particules, développement des instabilités de faisceau …) au prix cependant d’une importante mobilisation de ressources de calcul. De plus, elle permet d’appréhender les phénomènes mis en jeu lors d’un fonctionnement à plusieurs impulsions [2].
L’objectif de cette thèse est d’étudier par modélisations enveloppe et PIC la dynamique des faisceaux intenses d’électrons dans les accélérateurs à induction de l’installation EPURE et de valider ce modèle expérimentalement. Cette étude permettra de quantifier et intégrer les phénomènes physiques participant à l’évolution des propriétés du faisceau lors de son transport. Les outils développés lors de cette étude serviront à optimiser et prédire le transport en intégrant notamment les instabilités de type Beam Break-Up, Corkscrew ou ion hose qui dégradent la qualité du faisceau d’électrons. L’étude de l’impact de ces différentes contributions sur le transport du faisceau permettra d’évaluer les performances d’un accélérateur fonctionnant en simple ou en multi-impulsions. Dans un premier temps, l’étudiant se familiarisera aux codes PIC et enveloppe décrivant la dynamique des faisceaux dans les LIA en vue de les améliorer notamment au moyen d’algorithme génétique permettant d’optimiser le transport via les nombreux éléments de guidage du faisceau (solénoïdes, déviateurs …). Puis, l’évaluation et la prise en compte de phénomènes physiques complémentaires seront réalisées. Une validation du modèle de simulation sera ensuite faite à partir des données expérimentales obtenues sur les LIA de l’installation EPURE. Des stratégies de transports adaptées à des cas opérationnels et prospectifs multi-impulsions pourront être proposés sur les bases du modèle développé.
[1] J.M. Plewa et al., “High power electron diode for linear induction accelerator at a flash radiographic facility”, Phys. Rev. Accel. Beams, 21, 070401 (2018).
[2] R. Delaunay et al., “Dual-pulse generation from a velvet cathode with a new inductive voltage adder for x-ray flash radiography applications”, Phys. Rev. Accel. Beams, 25, 060401 (2022).