Mécanismes d’apprentissage pour la détection de comportements anormaux dans les systèmes embarqués
Les systèmes embarqués sont de plus en plus utilisés dans des infrastructures critiques (e.g. réseau de production d’énergie) et sont donc des cibles d’attaques privilégiées pour des acteurs malicieux. L’utilisation de systèmes de détection d’intrusion (IDS) analysant dynamiquement l’état du système devient nécessaire pour détecter une attaque avant que ses impacts ne deviennent dommageables.
Les IDS qui nous intéresse sont basés sur des méthodes de détection d’anomalie par machine learning et permettent d’apprendre le comportement normal d’un système et de lever une alerte à la moindre déviation. Cependant l’apprentissage du comportement normal par le modèle est fait une seule fois en amont sur un jeu de données statique, alors même que les systèmes embarqués considérés peuvent évoluer dans le temps avec des mises à jour affectant leur comportement nominal ou l’ajout de nouveaux comportements jugés légitimes.
Le sujet de cette thèse porte donc sur l’étude des mécanismes de réapprentissage pour les modèles de détection d’anomalie pour mettre à jour la connaissance du comportement normal par le modèle sans perdre d’information sur sa connaissance antérieure. D’autres paradigmes d’apprentissage, comme l’apprentissage par renforcement ou l’apprentissage fédéré, pourront aussi être étudiés pour améliorer les performances des IDS et permettre l’apprentissage à partir du comportement de plusieurs systèmes.
Amplificateur faible bruit (LNA) en technologie SiGe HBT pour applications cryogéniques : conception, caractérisation et optimisation
La course pour construire un ordinateur quantique s'intensifie ! Ces systèmes de pointe fonctionnent à des températures inférieures à 4 K pour préserver les états quantiques essentiels au calcul. Pour assurer un contrôle et une détection efficaces, les circuits électroniques conventionnels doivent fonctionner de manière fiable à des températures cryogéniques, à proximité immédiate du processeur quantique, réduisant ainsi la complexité des câblages et améliorant les performances. Au-delà de l'informatique quantique, d'autres domaines—tels que l'exploration spatiale, le calcul haute performance ou la physique des hautes énergies—nécessitent également des circuits capables de fonctionner en dessous de 100 K.
Au cours de cette thèse, vous effectuerez la caractérisation et la modélisation électriques en radiofréquence (RF) de transistors bipolaires à hétérojonction silicium-germanium (SiGe HBT) dans un environnement cryogénique, contribuant à une meilleure compréhension de leur comportement et optimisant leur potentiel pour des applications dans des conditions extrêmes. Les objectifs sont doubles :
1. Caractérisation et modélisation électriques en RF :
• Réaliser des mesures électriques en RF de SiGe HBT à température cryogénique.
• Développer des modèles précis pour décrire leur comportement dans des environnements cryogéniques.
2. Optimisation des amplificateurs à faible bruit (LNA) :
• Étudier le comportement à basse température des dispositifs passifs et actifs individuels composant un LNA.
• Optimiser la conception de ces LNAs pour des applications cryogéniques.
Commande optimisée d’un hub énergétique modulaire à signature CEM minimal
L’intégration des EnRs devient de nos jours un enjeu important pour les convertisseurs de puissance. La multiplication de ces convertisseurs et leur taux d’utilisation moyen permet de repenser la gestion des échanges d’énergie au niveau système. Ceci nous amène au concept de hub énergétique permettant d’interfacer par exemple un panneau photovoltaïque, un véhicule électrique, un réseau et du stockage stationnaire avec les charges.
Le but principal de cette thèse est d’améliorer l’efficacité, la compacité et la modularité du hub énergétique par le contrôle. Pour cela, plusieurs idées émergent, comme le contrôle avancé permettant de minimiser les pertes, la mise en opposition d’entrée alternative (AC) permettant de réduire le filtrage de compatibilité électromagnétique (CEM), la mise en série/parallèle de sortie continue (DC) permettant d’adresser des batteries 400Vdc/800Vdc, l’augmentation de fréquence de découpage permettant de réduire le volume etc…
Cette thèse permettra donc à moyen terme d’avoir un convertisseur optimal aussi bien énergétiquement qu’environnementalement.
Vers l’amélioration des microbatteries tout-solide : stabilisation des interfaces et atténuation de la dégradation pour une fiabilité à long terme
Ce projet de thèse se concentre sur l'avancement des microbatteries tout solides pour des applications de stockage d'énergie miniaturisées, telles que les appareils électroniques portables, les systèmes IoT et les technologies médicales implantables. La recherche vise à stabiliser et atténuer la dégradation aux interfaces électrode/électrolyte, qui sont des goulots d'étranglement critiques dans la performance des microbatteries à l'état solide. Le projet implique deux axes de recherche principaux : (1) l'étude et l'optimisation de films ultra-minces (de l'échelle sub-nanométrique à nanométrique déposés par ALD) pour l'ingénierie des interfaces dans les empilements LiCoO2/LiPON/Li, et (2) une investigation fondamentale des mécanismes responsables de la dégradation des interfaces. L'étude impliquera la fabrication et la caractérisation d'empilements partiels et complets en utilisant des techniques telles que la voltammétrie cyclique (CV), la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), la diffraction des rayons X (XRD) et la microscopie électronique à balayage (SEM). L'incorporation de métaux d'alliage (par exemple, Ag, Au) entre la couche tampon et le lithium sera également explorée pour améliorer la stabilité de l'interface métal-lithium. Les résultats attendus incluent un empilement de microbatteries optimisé capable de dépasser 1 000 cycles avec une augmentation minimale de la résistance interfaciale et un cadre complet décrivant les mécanismes de dégradation et les effets des couches tampons.
Etude du stress mécanique dans les micro-batterie tout solide
Le CEA-Leti fournit des solutions intégrées de microstockage, notamment des microbatteries dites « tout-solide » (ou à électrolyte solide). Les microbatteries « tout-solide » comptent parmi les technologies de microstockage les plus prometteuses pour des applications dans plusieurs domaines tels que l'Internet des objets et les dispositifs implantables à usage médical. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact des contraintes mécaniques sur les microbatteries, et plus particulièrement pendant les cycles de charge/décharge des microbatteries. Pour cela, deux approches seront envisagées : l'étude expérimentale avec le développement de bancs d'essais mécaniques et la simulation numérique.
Le travail du doctorant commencera par le développement des bancs d'essais, le premier permettant d'appliquer une pression variable à la surface d'une micro-batterie pendant les cycles de charge/décharge. Il/elle devra développer l'équipement de mesure de la pression. Une fois le banc d'essai mécanique fonctionnel, d’autres caractérisations, comme la mesure des déformations de l’anode seront envisagées. Parallèlement à ce travail expérimental, un modèle mécanique pourra être développé. Ce modèle sera affiné progressivement à l'aide des résultats expérimentaux obtenus avec le banc de test mécanique et de nouvelles caractérisations pourront être mises en place afin d'obtenir les propriétés mécaniques des différents matériaux utilisés. In fine, l’objectif sera de proposer l’intégration de nouvelles couches pour améliorer la tenue mécanique des microbatteries lors du cyclage.
Modélisation électromagnétique des signatures radar et IA pour la reconnaissance d’objets
Cette thèse offre une opportunité unique de travailler à l’interface entre l’électromagnétisme, la simulation numérique et l’intelligence artificielle, afin de contribuer au développement des systèmes intelligents de détection et de reconnaissance de nouvelle génération. Le/la stagiaire intégrera le Laboratoire Antenne et Propagation (LAPCI) du CEA-LETI, à Grenoble (France), un environnement de recherche de rang mondial disposant d’équipements à la pointe de la technologie pour la caractérisation et la modélisation du canal de propagation, tels que des sondeurs de canal, des émulateurs, des chambres anéchoïques et des simulateurs électromagnétiques avancés. Une collaboration avec l’Université de Bologne (Italie) est prévue durant la thèse.
Cette thèse vise à développer des modèles électromagnétiques avancés de rétrodiffusion radar en champ proche, adaptés aux systèmes radar et JCAS opérant aux fréquences mmWave et THz. Les travaux porteront sur la modélisation physique de la signature radar d’objets étendus, en tenant compte des effets de champ proche, des configurations multi-statiques et multi-antennes, ainsi que de l’influence des matériaux et de l’orientation des cibles. Ces modèles seront validés par simulations électromagnétiques et par des campagnes de mesures, puis intégrés dans des outils de simulation de scène et de propagation multi-trajets de type ray-tracing. Les signatures radar ainsi obtenues seront exploitées pour entraîner des algorithmes d’intelligence artificielle dédiés à la reconnaissance d’objets, à l’inférence des propriétés des matériaux et à l’imagerie radar. En parallèle, des approches d’IA assistée par la physique seront étudiées afin d’accélérer les simulations électromagnétiques et de réduire leur complexité computationnelle. L’objectif final de la thèse est d’intégrer ces informations issues de la rétrodiffusion radar dans un framework de Semantic Radio SLAM 3D, afin d’améliorer la localisation, la cartographie et la compréhension de l’environnement dans des scénarios complexes ou partiellement masqués.
Nous recherchons un(e) étudiant(e) de niveau école d’ingénieur ou Master 2, avec de solides bases en traitement du signal, électromagnétisme, radar ou télécommunications. Un intérêt pour l’intelligence artificielle, la modélisation physique et la simulation numérique est attendu. Des compétences en programmation (Matlab, Python) seront appréciées, ainsi qu’une capacité à travailler à l’interface entre modèles théoriques, simulations et expérimentations. Curiosité scientifique, autonomie et motivation pour la recherche sont essentielles.
La candidature doit inclure un CV, un relevé de notes et une lettre de motivation.
Etude des modes et des mécanismes de défaillances des commutateurs RF à base de matériaux à changement de phase
Les commutateurs à base de matériaux à changement de phase (Phase Change Material, PCM) démontrent d'excellente performances RF (FOM <10fs) et peuvent être cointégrés dans le BEOL des filières CMOS. Leur fiabilité reste cependant très peu étudiée aujourd'hui. Des modes de défaillances tels qu'une rupture du heater, la ségrégation ou l'apparition de cavités dans le matériau sont montrés lors de tests d'endurance, mais les mécanismes d'apparition de ces défaillances ne sont pas discutés. L'objectif de cette thèse sera donc d'étudier les modes et les mécanismes de défaillances pour différentes conditions opératoires (endurance, maintien, puissance). L'analyse se fera au travers de caractérisations électriques et physiques et des méthodes de vieillissement accéléré seront mise en œuvre.
Analyse des vulnérabilités des protocoles sur cible matérielle
Le Centre d’Évaluation de la Sécurité des Technologies de l’Information (CESTI) mène des activités dans le domaine de l’évaluation sécuritaire de systèmes électroniques, de composants de logiciels embarqués, soit dans le cadre de schémas de certification, par exemple celui piloté par l’Agence Nationale de la Sécurité des Systèmes d’information (ANSSI), soit à la demande directe d’industriels.
Dans le contexte des évaluations sécuritaires effectuées par le CESTI, les évaluateurs sont, entre autres, amenés à tester la résistance des mécanismes cryptographiques embarqués sur une carte à puce face aux attaques physiques, comme par exemple les attaques par perturbation de la puce ou les attaques par observation des signaux compromettants. Dans un contexte applicatif (bancaire, santé, identité), ces mécanismes sont employés au sein de protocoles cryptographiques, tels que des échanges de clés ou des authentifications. Lorsqu’une vulnérabilité est détectée sur un produit, l’évaluateur doit analyser les impacts sur le protocole. Aujourd’hui cette analyse repose sur l’expertise de l’évaluateur, mais l’utilisation de méthodes formelles serait un avantage pour la recherche de chemin d’attaque ou pour garantir une meilleure assurance quant à l’absence d’exploitation de la vulnérabilité.
Dans un premier temps, cette thèse consistera à étudier les outils de vérification existants (par exemple Tamarin [1]) afin de les tester sur les protocoles utilisés dans les applications couramment évaluées. L’objectif de la thèse sera ensuite d’examiner les différents moyens pour exprimer une vulnérabilité au sein du protocole, d’évaluer la capacité de l’outil à analyser formellement ses impacts en identifiant des chemins d’attaque. Finalement, le doctorant sera amené à compléter l’outil à l’aide de nouvelles briques pour répondre aux besoins identifiés.
Références
[1] Tamarin : https://github.com/tamarin-prover/tamarin-prover
Silicium supraconducteur et détection pour l'observation astrophysique en infrarouge lointain
Les technologies silicium occupent aujourd’hui une place centrale dans le domaine du numérique, tant pour la fabrication de composants semiconducteurs que pour la réalisation de capteurs avancés. En 2006, la découverte de la supraconductivité dans le silicium fortement dopé au bore et activé par recuit laser a ouvert un nouveau champ de recherche. Depuis, plusieurs laboratoires, dont le CEA, explorent ses propriétés électroniques et ses potentialités. Ce matériau émergent présente en effet des caractéristiques particulièrement attractives pour des applications opérant à des températures cryogéniques sub-Kelvin, notamment dans les domaines de l’électronique quantique et des détecteurs ultra-sensibles utilisés en physique fondamentale et en astrophysique.
Malgré ces avancées, la compréhension du silicium supraconducteur fortement dopé en Bore reste encore limitée, en particulier concernant ses propriétés thermiques, mécaniques et optiques à l’échelle micronique. La thèse proposée vise à combler ces lacunes en combinant modélisation, conception, fabrication technologique et caractérisation cryogénique de dispositifs prototypes, dans le cadre d’une collaboration étroite entre le CEA-Léti et le CEA-Irfu. L’objectif principal sera de développer une nouvelle génération de détecteurs fondés sur ce matériau supraconducteur et d’en démontrer la pertinence pour la détection du rayonnement électromagnétique dans les gammes térahertz et infrarouge lointain.
Criblage haut-débit de catalyseurs pour la conversion directe du CO2 en carburants de synthèse
Ce projet doctoral vise à développer une approche innovante de criblage haut-débit de catalyseurs pour la conversion du CO2 par voie directe en carburants de synthèse, dite CO2-FTS. Cette approche combinera une plateforme de criblage de catalyseurs à des techniques de caractérisation in situ/operando et des méthodes d'intelligence artificielle pour accélérer la découverte et l'optimisation de catalyseurs performants. Il vise à identifier des catalyseurs de type FeOx dopés pour la CO2-FTS (>50% conversion, sélectivité forte vers les C8-C16). Plusieurs campagnes de mesures permettront une optimisation itérative des compositions et des conditions réactives. Un modèle numérique du paysage paramétrique sera ainsi proposé. Ce dernier pourra être couplé ultérieurement à la modélisation multi-échelle du site actif au réacteur. Les catalyseurs développés contribueront à la transition énergétique, en permettant une économie circulaire du carbone.