Design Space Exploration pour les architectures à chiplets : approches Top-Down et Bottom-Up de partitionnement

Le ralentissement de la loi de Moore, l’augmentation continue des coûts de fabrication pour des nœuds technologiques avancés et la complexité croissante des systèmes sur puce (SoC) conduisent aujourd’hui l’industrie des semi-conducteurs vers de nouveaux paradigmes d’intégration. Dans ce contexte, les architectures à chiplets apparaissent comme une solution majeure pour concevoir les systèmes électroniques de prochaine génération.
Un chiplet désigne un composant modulaire intégré au sein d’un système multi-puces (multi-chiplet system), permettant d’assembler plusieurs blocs fonctionnels spécialisés (CPU, GPU, mémoires, accélérateurs IA, FPGA, interfaces I/O, etc.) dans un même package grâce aux technologies d’intégration avancées 2.5D et 3D [1].
L’utilisation de chiplets pour la conception de circuits présente de nombreux avantages, notamment une amélioration du rendement de fabrication et une réduction des coûts de développement. Cette approche favorise également la réutilisation d’IP matérielles ainsi que l’intégration hétérogène de différentes technologies de gravure au sein d’un même système. Enfin, les chiplets permettent de réduire le time-to-market tout en offrant une meilleure scalabilité architecturale.
L’adoption industrielle des chiplets est aujourd’hui massive, avec des architectures développées notamment par AMD, Intel ou Huawei. Cependant, cette modularité introduit un espace de conception extrêmement vaste et complexe. Les choix de partitionnement, de placement, de topologie d’interconnexion, de packaging et de réutilisation de chiplets sont fortement interdépendants et génèrent un problème d’optimisation combinatoire de très grande taille. La majorité des outils EDA actuels restent principalement centrés sur des optimisations locales ou sur des flots de conception monolithiques. Ils ne permettent pas encore d’explorer efficacement les compromis globaux entre coût, performances, consommation, rendement, réutilisabilité et contraintes physiques dans les systèmes multi-chiplets. Cependant, des premières approches académiques conçoivent des architectures chiplet 2.5D où le placement des chiplets et la topologie du réseau inter-chiplets sont optimisés ensemble [2]. Cette thèse s’inscrit dans cette dynamique et vise à développer de nouvelles méthodologies de Design Space Exploration (DSE) pour des architectures à base de chiplets, en considérant conjointement les aspects placement-routage et des méthodologies mixtes Top-Down et Bottom-up.
Références:
[1] Xiaohan Ma, Ying Wang, and Yinhe Han. Survey on chiplets : interface, interconnect and integration
methodology. CCF Transactions on High Performance Computing, 4(1) :43–52, 2022.
[2] Patrick Iff, Benigna Bruggmann, Maciej Besta, Luca Benini, and Torsten Hoefler. Placeit :
Placement-based inter-chiplet interconnect topologies. CoRR, Feb. 2025. preprint / arXiv.

Monitoring in situ du vieillissement des circuits amplificateurs de puissance RF pour une écoconception et une durée de vie étendue

L'industrie des semi-conducteurs, et en particulier celle des circuits radiofréquences (RF), fait face à des défis critiques liés à l'écoconception et à l'éco-innovation. Ces enjeux incluent la nécessité de prolonger la durée de vie des circuits tout en répondant aux attentes des marchés émergents tels que la 5G et la future 6G. Parmi ces circuits, les amplificateurs de puissance (PA) occupent une place centrale, étant à la fois des composants critiques en termes de performance énergétique et des cibles privilégiées pour l'amélioration de leur robustesse face au vieillissement et à leur éventuelle réutilisation.

Le monitoring in situ du vieillissement des PA représente une voie prometteuse pour développer des solutions à la fois innovantes et durables. A ce titre, ce sujet s'inscrit pleinement dans les stratégies d'écoconception en exploitant des plateformes technologiques avancées telles que les technologies CMOS SOI actuelles et futures, tout en intégrant les contraintes industrielles à travers des collaborations stratégiques existantes avec des partenaires majeurs du CEA Leti.

Cette thèse vise à concevoir une solution innovante de monitoring in situ pour évaluer et compenser le vieillissement des amplificateurs de puissance, prolongeant ainsi leur durée de vie grâce à des stratégies de réutilisation et d’autocorrection. Pour ce faire, elle reposera sur des méthodologies et des circuits adaptés à des cas concrets. Ainsi, l’ambition sera de développer une nouvelle génération de circuits robustes et durables, intégrant des mécanismes intelligents de gestion du vieillissement. En adoptant une approche d’écoconception, ce travail aura pour but de répondre aux défis environnementaux tout en renforçant la compétitivité industrielle des technologies CMOS SOI.

Etude de l’effet des vibrations sur le diagnostic des câbles électrique par réflectométrie

Cette thèse porte sur l’étude de l’effet des vibrations sur le diagnostic des câbles électriques par réflectométrie. Les systèmes câblés, présents dans de nombreuses infrastructures critiques telles que l’aéronautique, le ferroviaire, le spatial ou le nucléaire, sont soumis à des contraintes mécaniques et environnementales susceptibles de provoquer des défauts non francs et intermittents. Sous l’effet des vibrations, ces défauts peuvent apparaître, disparaître ou modifier leur signature électrique, ce qui rend leur détection particulièrement complexe.

L’un des enjeux majeurs concerne les situations de type No Fault Found, dans lesquelles un défaut observé en fonctionnement devient non reproductible lorsque les conditions vibratoires disparaissent. Un autre enjeu important est le masquage temporaire de certains défauts par les vibrations, pouvant conduire à des faux négatifs lors du diagnostic et retarder la détection d’une dégradation latente.

L’objectif de la thèse est de mieux comprendre et modéliser le comportement électromécanique des défauts de câbles soumis à des sollicitations vibratoires, afin de relier les profils de vibration, l’évolution mécanique et électrique du défaut, ainsi que les signatures mesurées par réflectométrie. Le travail reposera sur des expérimentations couplant réflectométrie rapide et caméra haute vitesse, ainsi que sur le développement de modèles et d’outils d’analyse. Les données expérimentales et simulées seront ensuite exploitées afin d’améliorer la détection, la caractérisation et la prédiction de l’évolution des défauts, dans une perspective de diagnostic avancé et de maintenance prédictive.

Nouvelles stratégie pour l'optimisation de modèles thermodynamiques prédictifs

Les modèles thermodynamiques prédictifs, développés par la méthode Calphad, sont essentiels pour concevoir de nouveaux matériaux en anticipant leur comportement sans recourir à des expériences coûteuses et longues. Ces modèles permettent d'extrapoler les propriétés de matériaux complexes, de prévoir leur comportement dans des environnements extrêmes et de lier les propriétés énergétiques aux performances en service. Cependant, les méthodes actuelles de développement de ces modèles sont complexes et les incertitudes ne sont pas quantifiées avec les logiciels existants. Les scientifiques doivent encore s'appuyer sur leur expertise pour ajuster et valider ces modèles, ce qui est chronophage et peu adapté à l'ère de l'automatisation.

Pour remédier à cela, il est proposé de développer un outil numérique fiable, autonome et rapide, capable d'optimiser les modèles thermodynamiques en se basant uniquement sur des données expérimentales fournies par les utilisateurs. L'objectif est de fournir des modèles simples, fiables, validés et modulaires, permettant aux utilisateurs de prendre des décisions stratégiques en toute confiance, comme évaluer de nouvelles conditions de procédé ou optimiser la fabrication sans risquer des extrapolations incertaines. Ce projet vise à combler le fossé entre les données expérimentales spécifiques et les méthodes modernes de programmation non linéaire, en utilisant des approches d'optimisation avancées.

Etude du comportement en fatigue à très grand nombre de cycles de l’acier inoxydable martensitique 13-4 élaboré par Laser Metal Deposition : influence de la microstructure, des post-traitements et de la température

Les recherches récentes sur l’acier inoxydable martensitique 13-4 fabriqué par impression 3D métallique, notamment par le procédé Laser Metal Deposition (LMD), ont permis d’obtenir des matériaux présentant de bonnes propriétés mécaniques. Après cette phase d’optimisation, les travaux se concentrent désormais sur l’étude de leur comportement en fatigue à très grand nombre de cycles (VHCF), un critère essentiel pour les pièces soumises à des sollicitations répétées en conditions sévères.
La fatigue est l’une des principales causes de rupture des composants métalliques en service. Cette thèse vise donc à comprendre et modéliser le comportement en fatigue de l’acier 13-4 élaboré par LMD. Les travaux menés viseront à étudier l’influence de la microstructure, des traitements thermomécaniques et des conditions d’essais sur l’initiation et la propagation des fissures au cours des sollicitations mécaniques.
Les essais expérimentaux seront réalisés à l’aide de dispositifs de fatigue ultrasonique. Les mécanismes de rupture seront analysés grâce à des techniques de caractérisation multi-échelles comme l’EBSD, le MEB et le TEM. L’objectif final est de développer un modèle prédictif capable de prédire la durée de vie des composants en conditions de fonctionnement.

Compréhension des évolutions microstructurales au cours des traitements thermiques pour les aimants SmCo riches en fer

Les performances magnétiques des aimants en SmCo (rémanence et coercitivité) sont liées à leur microstructure. La microstructure finale sera développée après frittage lors de traitements thermiques d’homogénéisation et de vieillissement. La température et/ou la durée optimales de ces traitements dépendent de la composition de l'aimant. L'un des axes de développement majeurs pour les aimants commerciaux Sm2Co17 consiste à obtenir à la fois des performances magnétiques élevées et une réduction des matières critiques (le cobalt notamment). Ceci est réalisé par substitution d’une partie de Co avec du Fe, ce qui permet également de réduire les couts des matières premières. Cependant, la littérature montre que lorsque la teneur en Fe dépasse 20 % en poids, la coercitivité des aimants est détériorée.
L’objectif de la thèse sera de comprendre le rôle et la sensibilité des paramètres du procédé qui pilotent l’évolution de la microstructure au sein d’aimants Sm2Co17 riches en Fe et des propriétés qui en découlent. Ces évolutions seront suivies par différentes caractérisations (analyses chimiques, mesures magnétiques, observations MEB et MET, …) effectuées sur des échantillons prélevés lors des différentes étapes du procédé. L’objectif est de suivre de façon systématique (et pour la première fois sur ce type d’aimants) les transformations structurales (ségrégations chimiques, évolution de la teneur en Sm, présence de défauts, contamination en oxygène, etc…) intervenant, depuis la synthèse de l’alliage jusqu’à l’aimant final. Ces caractérisations doivent permettre d’aboutir à une description des mécanismes de formation de la microstructure attendue. Ces mécanismes sont activés lors des différents traitements thermiques mais l’influence de l’état métallurgique et chimique (par exemple la densité de défauts et l’inhomogénéité chimique) hérité des étapes précédentes du procédé est encore mal connu et devra être précisé.

Mise à l’échelle des jumeaux numériques de réseau par une gestion adaptative de la fidélité

Les futurs systèmes de communication, tels que les réseaux 6G, évoluent vers des infrastructures hautement distribuées, autonomes et hétérogènes, intégrant des architectures de continuum cloud-edge, l’Open RAN (O-RAN), des déploiements massifs d’objets connectés (IoT), l’informatique en périphérie (edge computing) et des environnements radio particulièrement dynamiques.

Ces systèmes devront prendre en charge des services exigeants tels que les communications critiques, l’automatisation industrielle, la mobilité autonome et les applications immersives, tout en fonctionnant dans des conditions caractérisées par un trafic fortement variable, des changements fréquents de topologie, une disponibilité fluctuante des ressources ainsi que des exigences strictes en matière de latence et de fiabilité.

La gestion de tels systèmes, notamment pour réaliser des opérations de configuration, d’optimisation et d’évolution sans risque, devient de plus en plus complexe. Cette difficulté est particulièrement marquée lorsqu’il s’agit d’effectuer une optimisation du réseau en temps réel, des analyses prospectives (« what-if »), du diagnostic de pannes ou encore de planifier des mises à niveau et des extensions du réseau.

Afin de répondre à ces défis, plusieurs initiatives de recherche récentes se sont intéressées à l’application du paradigme des jumeaux numériques aux réseaux de communication, donnant naissance au concept de "Network Digital Twins (NDTs)" ou "jumeaux numériques de réseau".

Un jumeau numérique de réseau est une représentation virtuelle d’un réseau de communication qui reste suffisamment synchronisée avec l’infrastructure physique pour reproduire son état opérationnel et son comportement, permettre des analyses prédictives et évaluer des scénarios hypothétiques avant l’application de décisions au système réel.

Cependant, maintenir un NDT précis et temporellement cohérent dans des réseaux de grande échelle et fortement dynamiques demeure un défi majeur.

Les NDT actuels reposent principalement sur des mécanismes explicites de synchronisation afin de préserver la fidélité entre les systèmes physique et virtuel. Bien que des travaux récents aient introduit des mécanismes de prédiction assistés par l’intelligence artificielle pour réduire la surcharge liée à cette synchronisation, ces approches ne résolvent pas entièrement le problème de l’adaptation dynamique de la fidélité du NDT en fonction de l’incertitude des prédictions, de la valeur de l’information, de la dynamique du réseau et des exigences opérationnelles.

La fidélité adaptative peut être interprétée comme un mécanisme de représentation multi-résolution, dans lequel le jumeau numérique ajuste dynamiquement sa granularité d’observation, son coût de synchronisation et sa précision de reconstruction en fonction de la valeur de l’information, de l’incertitude prédictive, de la dynamique du réseau et des ressources disponibles.

L’objectif principal de cette thèse de doctorat est de concevoir, développer et valider un cadre de gestion adaptative de la fidélité (Adaptive Fidelity Management) permettant la mise en œuvre de jumeaux numériques de réseau évolutifs, efficaces en ressources et adaptés aux futurs systèmes de communication.

Croissance de FAPbBr3 par CSS pour la détection des rayons X

Les pérovskites halogénées au plomb, et notamment les matériaux hybrides organiques-inorganiques à base de formamidinium possèdent des propriétés opto-électroniques exceptionnelles qui ont été intensivement exploitées pour les applications PV. Dans cette famille de matériaux, le FAPbBr3 est également particulièrement prometteurs pour la détection des rayons X pour les applications médicales. Mais cette technologie nécessite de savoir déposer des couches épaisses (>100 µm) sur de grandes surfaces. Le CEA-LITEN a développé pour les pérovskites inorganiques une approche innovante de dépôt par sublimation en espace proche (CSS) répondant à ces critères. Très récemment, il a été montré qu’il était possible de déposer également le FAPbBr3 par cette méthode, une première mondiale.
Mais les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et des pérovskites hybrides par CSS sont largement incompris, et les possibilités offertes par cette méthode de dépôt entièrement à explorer. Par ailleurs, ces résultats sont également extrêmement prometteurs pour les applications PV car une même croissance est attendue en substituant le Br pour former du FAPbI3.
Cette thèse vise à (i) déterminer et optimiser les conditions de croissance par CSS pour les couches de FAPbBr3, (ii) comprendre par des caractérisations avancées (in-situ et ex-situ) les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et (iii) optimiser les dispositifs pour la détection des rayons X. L’extension de ces travaux au FAPbI3 pour les applications PV est également attendue. La nouveauté de cette approche et la possibilité d’adresser plusieurs applications offre des perspectives de publications et brevets.

Optimisation statistique de la calibration des modèles de lithographie

Cette thèse offre l'opportunité de développer des méthodes statistiques pour optimiser et calibrer les modèles de lithographie utilisés pour générer des conceptions optimales de photomasques au moyen de la correction optique de proximité (OPC).
Les dispositifs microélectroniques à haute densité de circuits sont très demandés et font l'objet de recherches et d'études approfondies par les industries. Une façon d'obtenir une densité de circuit plus élevée consiste à diminuer la dimension ou le pas du motif. Cependant, à mesure que la dimension du motif diminue, le défi de fabrication augmente. Une technique d'amélioration de la résolution (RET) telle que l'OPC doit donc être utilisée pour générer un photomasque de tels circuits.
OPC vise à améliorer la fidélité du motif de plaquette en compensant les erreurs dues aux effets optiques ou de processus lors des étapes de fabrication. Pour mettre en œuvre cette correction, un modèle de lithographie doit être généré en tenant compte du système d'exposition et des caractéristiques de la photorésiste. Ces modèles sont calibrés à l'aide d'un très grand volume de données expérimentales qui incluent des mesures CD-SEM et des contours extraits d'images SEM. L'acquisition des données et le post-traitement des images constituent un goulot d'étranglement dans le flux d'étalonnage des modèles, consommant énormément de temps et de ressources.
Durant la période de thèse, les travaux seront axés sur :
Modèles de test innovants pour optimiser les données d'entrée pour l'étalonnage du modèle
Optimisation statistique et algorithmique du flux de calibrage du modèle
Impact de la variabilité des données expérimentales sur les modèles de lithographie

Composant photonique d'extraction par couplage évanescent pour l'interaction optique guidée/optique espace libre

L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle classe de dispositifs optiques destinés à assurer l'interface entre les circuits photoniques intégrés (PIC, Photonic Integrated Circuits) et l'optique en espace libre. Ces dispositifs ont été étudiés dans le cadre d'un travail fondateur réalisé lors d'une précédente thèse. Ils reposent sur l'utilisation d'une structure prismatique obtenue par nano-impression et fixée à la surface d'un PIC. Grâce au couplage évanescent et aux réflexions au sein de cette structure, les ondes guidées peuvent être transférées du PIC vers un système optique externe. L'utilisation de matériaux électro-optiques pourrait permettre à cet extracteur de proposer des applications intéressantes en tant qu'extracteur commutable.
Le ou la doctorant(e) approfondira la théorie du dispositif afin d'en améliorer les performances. Il ou elle mènera des expériences portant sur l’intégration (packaging), l'holographie et la caractérisation des PIC. Son objectif sera de fabriquer une large gamme de dispositifs prototypes destinés à être testés. Une attention particulière sera portée à l'évaluation du comportement des dispositifs fabriqués sur une large plage spectrale, allant du visible à l'infrarouge proche.
Le ou la doctorant(e) utilisera un logiciel de simulation FDTD (Finite-Difference Time-Domain) afin d'évaluer les caractéristiques de propagation de l'onde lors de sa transition d'un milieu confiné vers l'espace libre. Il ou elle définira les structures prismatiques optimales qui seront reproduites par nano-impression. Il ou elle intégrera ces structures polymères sur des échantillons de PIC au moyen de protocoles délicats de transfert et de collage en salle blanche. Il ou elle enregistrera des éléments optiques micro-holographiques à l'aide de lasers afin d'améliorer les capacités angulaires du dispositif final. Une grande partie de la thèse sera consacrée à la mise en œuvre et à l'utilisation de bancs expérimentaux optiques.