In-Sensor Computing pour les Capteurs MEMS : vers un réseau de neurones électromécaniques
L'essor des modèles d'apprentissage automatique pour le traitement des données issues de capteurs a conduit au développement de l'Edge-AI, qui vise à effectuer ces traitements localement, directement au niveau des capteurs. Cette approche réduit la quantité de données transmises et allège les centres de calcul centralisés, offrant ainsi une solution pour diminuer la consommation énergétique globale des systèmes. Dans ce contexte, le concept d'in-sensor computing émerge, intégrant acquisition et traitement des données au sein du capteur lui-même. En exploitant les propriétés physiques des capteurs et des paradigmes de calcul alternatifs tels que le reservoir computing et le calcul neuromorphique, l'in-sensor computing élimine les étapes énergivores de conversion et de traitement des signaux dans le domaine électrique.
L'application de ce concept aux capteurs MEMS permet le traitement de signaux tels que l'accélération, la contrainte ou les signaux acoustiques, avec une réduction significative, voire une élimination, des composants électroniques traditionnels. Cela a ravivé l'intérêt pour les dispositifs de calcul mécanique et leur intégration dans des capteurs MEMS. Quelques recherches récentes explorent des dispositifs MEMS innovants intégrant des réseaux de neurones récurrents ou du reservoir computing, montrant un potentiel prometteur pour l'efficacité énergétique. Cependant, ces avancées restent encore limitées à des démonstrations de concept pour des tâches de classification élémentaire avec un très faible nombre de neurones.
Sur la base de notre expertise acquise en calcul à base de MEMS, ce travail de doctorat propose de pousser ces concepts plus loin en développant un dispositif MEMS intégrant un réseau de neurones, à plusieurs couches, reprogrammable avec des capacités d'apprentissage, un résultat qui aurait bien au-delà de l'état de l'art. A terme, l'objectif est de concevoir un capteur intelligent, combinant détection et prétraitement sur une même puce, et optimisé pour fonctionner avec une consommation énergétique extrêmement faible, de l'ordre du femtoJoule par activation. Cette thèse se concentrera sur l'exploration, la conception et la caractérisation de ce nouveau neurone MEMS, en ciblant des applications de traitement de signaux basse fréquence dans des environnements à haute température, ouvrant la voie à une déclinaison de l'edge-IA dans le domaine des MEMS.
Conception et fiabilité d’architecture modulaire de panneaux PV reconfigurables et réparables
L’intégration de modules photovoltaïques est devenu un enjeu pour l’adaptation au changement climatique, avec notamment l’installation de modules PV spécifiques dans les espaces urbains, sur les véhicules ou dans les exploitations agricoles. Ces modules sont appelés à fonctionner dans des situations plus complexes présentant une forte variabilité temporelle et des expositions au soleil changeantes. Les enjeux scientifiques du projet sont de déterminer les conditions nécessaires à l’optimisation des performances des modules PV face à ces perturbations extérieures par l’introduction d’architectures électriques reconfigurables. Un modèle de fiabilité sera développé pour intégrer l’influence des architectures système proposées, afin de garantir un niveau de fiabilité amélioré. Un travail approfondi sera mené sur l’ensemble du module PV, des technologies cellules aux caractéristiques électriques finales demandées, en passant par les technologies de commutation électrique. Dans une seconde phase, une méthodologie de conception sera développée en lien avec un état de l’art précis des technologies de commutation disponibles. La méthode sera appliquée à un cas d’usage répondant en priorité à la problématique d’ombrage et/ou défaillance partielle du module PV. Enfin, les architectures proposées seront évaluées par analyse de cycle de vie. Les conceptions autorisant une maintenance ou remplacement de certains éléments seront détaillées et comparées aux performances des modules habituels.
Identification versus anonymisation depuis un client embarqué opérant sur une blockchain
Le premier déploiement d’une blockchain à l’échelle de la planète date de 2010 avec Bitcoin, qui introduit un système monétaire complètement numérique et une crypto-monnaie, le bitcoin. Au sein de Bitcoin, toutes les transactions sont publiquement accessibles et traçables, ce qui devrait générer de la confiance entre les acteurs. Mais la traçabilité des transactions, in fine de la crypto-monnaie, n’implique pas la traçabilité des utilisateurs authentifiés par une adresse de compte, ou plus exactement par un ensemble d’adresses de compte indépendantes les unes des autres. Dans ce contexte, il peut s’avérer complexe de remonter aux personnes physiques ou morales détentrices de crypto-monnaie.
La crypto-monnaie n’est pas le seul cas d’usage supporté par la technologie blockchain. Le déploiement d’Ethereum en 2014, s’appuyant sur l’usage de smart contracts, a ouvert à beaucoup d’autres usages, en particulier la protection des données identifiantes. Dans ce domaine, les besoins de traçabilité, versus de furtivité, peuvent être très différents d’un cas d’usage à un autre. Par exemple, sur une blockchain qui enregistre l’accès d’un travailleur munis d’un certificat de travail, à un site industriel, aucune information permettant d’identifier le travailleur ou de tracer son activité ne devra figurer. En revanche, dans le cas de données collectées par des capteurs IoT et traitées par des dispositifs Edge distants, la traçabilité des données et des traitements est souhaitable.
La thèse propose d’étudier différentes techniques de traçabilité des avoirs numériques sur une blockchain, de furtivité de leurs possesseurs, ainsi que de la possibilité d’audit et d’identification par un organisme habilité. La finalité est de construire des dispositifs embarqués, Edge ou personnels embarquant possiblement une intelligence artificielle, sécurisés par des composants matériels, intégrant différentes solutions cryptographiques et structures de wallet pour répondre aux besoins de différents cas d’usage envisagés.
Fonctions avancées de monitoring des transistors de puissance (vers la fiabilisation et augmentation de la durée de vie des convertisseurs de puissance pour l’énergie)
Afin d’augmenter la puissance des systèmes électroniques, une approche courante est de paralléliser des composants au sein de modules. Cependant, cette parallélisation est compliquée par la dispersion des paramètres des transistors, tant initiaux que post-vieillissement. Les commutations rapides des composants WBG (semi-conducteurs à large bande interdite) nécessitent souvent des ralentissements pour éviter des suroscillations et des destructions.
Un schéma de pilotage intelligent, incluant une commande ajustée, un contrôle des paramètres internes des circuits et des dispositifs, ainsi qu'une boucle de rétroaction, pourrait améliorer la fiabilité, la durée de vie et réduire les risques de casse.
Les objectifs de la thèse seront de développer, étudier et analyser les performances de fonction de contrôle et pilotage de composants de puissance, tels le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de gallium (GaN), qui pourraient à terme être implémenté dans un circuit intégré dédié (type ASIC).
Ce sujet de thèse vise à résoudre des problèmes critiques dans la parallélisation de composants de puissance, contribuant ainsi à l'éco-innovation en augmentant la durée de vie des modules de puissance.
Conception d'une cathode à forte densité de courant basée sur l'émission d'électrons secondaires
Dans le cadre d'un projet innovant, le CEA/DAM travaille sur des solutions novatrices permettant l'optimisation des systèmes de mise à feu. Dans ce contexte, en collaboration avec différents centres de la DAM, vous participerez à l'ensemble des études menant à la compréhension des phénomènes physiques d'une cathode à forte densité de courant basée sur l'émission d'électrons secondaires.
Vous contribuerez à la définition et à la réalisation de l'ensemble des expérimentations menant à la preuve de concept du dispositif étudié vis à vis de l'application visée.
L'ensemble des travaux de cette thèse se dérouleront au CEA GRAMAT (46)
Sondage de circuits intégrés par faisceau électronique
La conception des circuits intégrés nécessite, en fin de chaîne, des outils d'édition de circuit et d'analyse de défaillance. Parmi ces outils, le sondage de niveaux de potentiels électriques par utilisation d'un faisceau électronique disponible dans un MEB (Microscope Electronique à Balayage) permet de connaitre le signal électrique présent dans une zone du circuit, cette zone pouvant être un niveau de métal ou un transistor. Cette technique de sondage électronique a été très utilisée dans les années 90, puis partiellement abandonnée malgré quelques publications récurrentes sur cette technique. Les dernières années ont remis au gout du jour cette technique par utilisation de la face arrière du composant, le sondage se faisant via le substrat de silicium et l'accès aux zones actives du composant.
Ces outils de débogage et d'analyse de défaillance sont aussi des outils pour attaquer les circuits intégrés. Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre de la cybersécurité matérielle et notamment des risques liés aux attaques dites invasives. Le doctorant mettra en œuvre cette technique de sondage par faisceau électronique sur des MEB commerciaux et dans des conditions d'utilisation propre à la cybersécurité. Il sera envisagé différentes techniques pour améliorer les signaux sondés, pour comprendre les risques et se prémunir de leur exploitation, notamment par l'utilisation et le détournement d'un MEB de table qui rendrait l'attaque "low-cost".
Transmission de puissance et de données via un lien acoustique pour les milieux métalliques clos
Ce sujet de thèse se positionne sur les thématiques de transmission de puissance et de données à travers des parois métalliques en utilisant les ondes acoustiques. Cette technologie permettra à terme l’alimentation, la lecture et la commande de systèmes placés dans des zones enfermées dans du métal : réservoirs sous pression, coques de navires et sous-marins, …
Les ondes électromagnétiques étant absorbées par le métal, il est nécessaire de recourir aux ondes acoustiques pour communiquer des données ou de la puissance au travers de parois métalliques. Celles-ci sont générées par des transducteurs piézoélectriques collés de part et d’autre de la paroi. Les ondes acoustiques sont peu atténuées par le métal, ce qui se traduit par de nombreuses réflexions et des trajets multiples.
L'enjeu de la thèse sera de réaliser un démonstrateur de technologie, robuste, permettant la télé-alimentation et la communication de données acoustiques à travers des parois métalliques. Ces travaux s’appuieront sur une modélisation avancée du canal acoustique afin d’optimiser les performances du dispositif de transmission de puissance et de données. Il s’agira également de développer des briques électroniques innovantes permettant de déterminer et de maintenir une fréquence de transmission de puissance optimale, impactée par les conditions environnementales et typiquement par la température.
Le but ultime de cette thèse sera le développement et l'implémentation d'un système de communication embarqué dans un FPGA et/ou microcontrôleur afin d’envoyer des données capteurs à travers une paroi métallique d’épaisseur variable. Les limitations dues aux imperfections du canal et de l'électronique seront à l'origine de l'invention d'une grande quantité de méthodes et systèmes de compensation dans le domaine numérique et/ou analogique. Un travail devra également être réalisé sur le choix des transducteurs piézoélectriques et la caractérisation du canal, en lien avec les activités autour des ondes acoustiques du laboratoire travaillant sur la transmission de puissance acoustique.
Impact de la Modulation de Largeur d’Impulsion sur la Dérive des Composants à Semiconducteurs de Puissance
La modulation de largeur d’impulsion (MLI), également connue sous le nom de Pulse Width Modulation (PWM) en anglais, est une technique fondamentale en électronique de puissance. Elle sert à contrôler et à réguler la puissance fournie par un circuit en modifiant la largeur des impulsions électriques de commande. Dans le cadre d’un onduleur de traction automobile, cette modulation de largeur d’impulsion appliquée à un bras de pont à base de transistors de puissance permet de transformer le courant continu de la batterie en un courant alternatif envoyé aux enroulements du moteur tout en améliorant le taux de distorsion harmonique. L’impact de la MLI sur les performances et la fiabilité du moteur a été largement étudié depuis de nombreuses années. En revanche, l’impact de la MLI sur la fiabilité des composants qui constituent le module de puissance, a été moins étudié, et ce d’autant plus pour les modules de puissance à base de composants grand gap (typiquement SiC) qui sont relativement récents (et adoptés en masse depuis moins de 10 ans).
L’objectif principal de cette thèse de doctorat est donc de comprendre et de modéliser l'impact des différentes modulations de largeur d'impulsion (MLI) sur la dérive des composants à semiconducteurs de puissance en carbure de silicium (SiC).
Cette thèse vise à établir un lien entre les stress subis par les composants SiC et la dérive de leurs paramètres clés, tout en proposant une modulation MLI optimale pour maximiser les performances à long terme et la durée de vie des systèmes électroniques de puissance. En combinant des approches expérimentales et théoriques, cette recherche contribuera à une meilleure compréhension et à une amélioration des technologies de modulation de largeur d'impulsion, essentielles pour l'électronique de puissance moderne.
Acoustique et Electromagnétisme (AEM) : Nouvelles approches pour la caractérisation sécuritaire des composants de type SoCs
Des travaux menés au sein du CEA-Leti ont montré que les attaques physiques peuvent être une menace pour les mécanismes de sécurité des SoC (System on Chips). En effet, les injections de fautes par perturbation électromagnétique ont déjà conduit à une escalade de privilèges en s'authentifiant avec un mot de passe illégitime, ou plus récemment ont permis de contourner l'un des plus hauts niveaux de sécurité d'un SoC, qui est le Secure Boot. Cependant, les technologies intégrées dans ce type de cibles sont de plus en plus sophistiquées avec des dispositifs électroniques Package-on-Package (PoP) et des nœuds technologiques inférieurs ou égaux à 7 nm, comme le nouveau Samsung S20. La mise en œuvre de ces attaques nécessite des équipements de pointe non disponibles commercialement à ce jour (sonde de très petit diamètre, générateur d'impulsions de courant transitoire élevé, magnétomètre et capteurs de courant large bande à haute résolution spatiale, etc.). La thèse soutenue en 2022 par Clément Gaine [1] au sein de notre équipe a permis d'étudier plusieurs composants de la chaîne d'injection EM, notamment un élément principal comme la sonde d'injection électromagnétique. D’autres domaines sont à explorer, notamment la chaîne d’injection complète depuis le générateur d’impulsions jusqu’à la création d’une force électromotrice dans la cible, induite par la sonde EM via des gradients de courant très élevés (di/dt). La maîtrise de la chaîne complète permet de concevoir le système d’injection le plus adapté pour caractériser une cible de type smartphone et résoudre les verrous liés à ce type de cible tels que : la microarchitecture complexe, la pile logicielle multicouche, le packaging complexe avec notamment l’empilement de plusieurs composants sur une même puce (PoP).
L’objectif principal de cette thèse est d'étudier une nouvelle approche d’injection EM et son potentiel de contournement de certains mécanismes de sécurité d'un smartphone. Cela permettra de faire évoluer les outils de caractérisation en sécurité matérielle afin de répondre aux besoins croissants de la caractérisation sécuritaire des SoCs. En termes d’exploitation, le domaine FORENSIC est visé pour contourner et/ou compléter les limites des techniques de fouilles légales de données basées sur les vulnérabilités « 0-day » par l’exploitation de failles des implémentations matérielles qui ne peuvent être corrigées sur le même modèle de cible.
Pour atteindre cet objectif, le doctorant devra dans un premier temps caractériser, tester et valider la nouvelle approche d’attaque par commutation ultra-rapide et les moyens de mesures magnétométriques et ampérométriques récemment développés au laboratoire. En parallèle, le doctorant réalisera des travaux bibliographiques et expérimentaux sur le risque physiologique potentiellement lié à l’exposition à des impulsions EM de courte durée. Les résultats serviront à définir de nouveaux protocoles permettant aux opérateurs de réaliser leurs expériences d’injection EM dans un environnement sécurisé et à développer des standards dans ce domaine si nécessaire. Dans un second temps, le doctorant consacrera une partie de ses travaux à la modélisation du flux magnétique transitoire et du transfert de puissance induite dans des cibles à haute ou basse impédance, en s’intéressant à l’impact de l’orientation du champ ainsi que de la polarité de l’impulsion sur le modèle de défaut ou de glitch sur différents types de transistors (NMOS, PMOS, JFET).
[1] https://cea.hal.science/search/index/?q=*&authFullName_s=Cl%C3%A9ment%20Gaine
Plus d'information : https://vimeo.com/441318313 (video projet)