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Systèmes embarqués Edge-AI autonomes pour la protection de la biodiversité

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

Ingénieur M2 Electronique, Systèmes Embarquées, Traitement du Signal

01-10-2021

SL-DRT-21-0808

esteban.cabanillas@cea.fr

Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs (.pdf)

Dans le cadre du développement technologique pour la protection de la biodiversité, les outils de mesure permettant de quantifier précisément l'impact des activités humaines (agriculture, éoliennes, antennes, étalement urbain,?) et des stratégies mises en oeuvre pour la protection de la biodiversité restent à développer. La thèse proposée a pour objectif de remédier à ce manque en proposant de développer un système électronique embarqué autonome et fiable permettant de surveiller et quantifier la biodiversité. La thèse s'appuiera sur des solutions technologiques avancées mettant en oeuvre de l'intelligence artificielle embarquée (edge AI), de la récupération et de la gestion d'énergie (modules photovoltaïques, batterie, circuit de gestion d'énergie), du traitement de données provenant de différents capteurs (audio, vidéo) ainsi que de l'électronique basse consommation (hardware et firmware) notamment pour les aspects traitement de l'information et communication. Le coeur de la thèse portera donc sur la minimisation de la consommation énergétique hardware et firmware des systèmes électroniques embarqués implémentant de l'intelligence artificielle et visant l'application "surveillance et protection de la biodiversité". Un dispositif électronique complet (hardware + firmware) mettant en oeuvre ces innovations et déployé en situation réelle est attendu pour la fin de la thèse.

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Nouvelles topologies de circuits intégrés exploitant des composants capacitifs innovants sur silicium

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire Stockage et Microsources d Energie

microélectronique, électronique, physique

01-10-2021

SL-DRT-21-0814

sami.oukassi@cea.fr

Matériaux et procédés émergents pour les nanotechnologies et la microélectronique (.pdf)

L'objectif de cette thèse est de d'évaluer l'intérêt des capacités hybrides sur silicium développées au LETI comme composants dans de nouvelles architectures de circuits de conversion d'énergie intégrés. Les capacités hybrides présentent une combinaison de propriétés uniques en termes de densité énergétique (stockage ionique de l'ordre de 40 mJ/mm3) et de réponse fréquentielle (stockage diélectrique démontré jusqu'à 30 GHZ), avec une réalisation technologique sur silicium en 200 mm. Il est proposé dans le cadre de ce projet de concevoir des circuits de conversion d'énergie, par exemple de type convertisseur DCDC à découpage capacitif exploitant les qualités intrinsèques de la capacité hybride développée au LETI.

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Raisonnement qualitatif et conception de systèmes complexes

Département Ingénierie Logiciels et Systèmes (LIST)

Labo. ingénierie des langages exécutables et optimisation

MASTER 2 - DIPLOME D'INGENIEUR en informatique

01-04-2021

SL-DRT-21-0823

jean-pierre.gallois@cea.fr

Simulation numérique (.pdf)

La conception de systèmes complexes est une activité qui touche de nombreux domaines industriels ou de recherche. Cela implique une difficulté de modélisation et de simulation par la nature hétérogène des données impliquées, avec des aspects discrets et continus. Deux approches sont possibles. Les méthodes quantitatives, dont les analyses sont numériques, sont les plus utilisées : leurs résultats sont précis mais elles sont très consommatrices de temps et de ressources. Les méthodes qualitatives reposent sur une interprétation symbolique des modèles, et peuvent être utilisées sans connaître tous les paramètres numériques, en s'appuyant sur des relations de dépendance entre variables. Elles sont moins précises mais peuvent s'appliquer très tôt dans la phase de conception et peuvent servir à orienter les simulations numériques en fonction des objectifs à atteindre et améliorer les résultats de certaines analyses (preuves, optimisation, etc.). Les travaux déjà effectués au laboratoire LIDEO du CEA LIST sur la modélisation et la simulation qualitative seront enrichis par l'intégration de concepts de la physique naïve et du raisonnement de sens commun pour aboutir à une démarche plus proche des concepts métiers. Les résultats seront appliqués pour la modélisation, la simulation mais aussi pour l'optimisation sur des cas d'études représentatifs d'exemples industriels.

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Exploration de techniques d'apprentissage pour ?Edge AI" exploitant les Resistive RAM

Département Systèmes et Circuits Intégrés Numériques

Laboratoire Systèmes-sur-puce et Technologies Avancées

Master / ingénieur en électronique

01-09-2021

SL-DRT-21-0825

Francois.RUMMENS@cea.fr

Data intelligence dont Intelligence Artificielle (.pdf)

Les implémentations matérielles classiques de réseaux de neurones artificiels ayant été développées pour tourner uniquement sur des gros calculateurs, elles ne répondent pas aux exigences de frugalité du monde de l'électronique embarquée. Au contraire, une combinaison de solutions calculatoires analogiques ou mixtes et de l'usage de technologies mémoire émergente peut, elle, permettre de satisfaire le besoin de très faible consommation des systèmes embarqués. Cette combinaison permet également d'envisager d'embarquer non seulement l'inférence mais aussi l'algorithme d'apprentissage sur puce. Cette avancée, quasi-inatteignable via des approches classiques, permettra au système de s'adapter en totale autonomie aux variations statistiques des entrées, de réduire la taille du réseau de neuronne et de traiter sans diffusion des données privées. Les approches actuelles utilisent généralement des algorithmes d'apprentissage incompatibles avec les comportements physiques non-idéaux des mémoires résistives. Cette thèse a pour objectif d'explorer diverses solutions algorithmiques d'inférence et d'apprentissage pour proposer des architectures de réseaux de neurones plus adaptées à la réalité des technologies de mémoire résistive développées au LETI.

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Étude de la fiabilité des photo-détecteurs à avalanche 3D

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire de Caractérisation et Test Electrique

microelectronique , optronique

01-10-2020

SL-DRT-21-0830

jean.coignus@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

STMicroelectronics développe de nombreuses technologies CMOS destinées à l'imagerie. L'essor et la démocratisation des capteurs d'image entrainent une diversification des usages technologiques tels que l'imagerie à haute résolution et la télémétrie à usage domestique et pour l'automobile. Un des enjeux est de répondre aux besoins du marché et de s'adapter à la concurrence en améliorant sans cesse les performances et la fiabilité des dispositifs. L'objectif de cette thèse est d'étudier et de modéliser la fiabilité des photodétecteurs à avalanche pour la détection de photon unitaire. Le principe de ce capteur réside dans la capacité à mesurer le temps de transit entre une source optique et le détecteur, de quelques centimètres à plusieurs dizaines de mètres tout en étant insensible à la lumière environnante. Une matrice constituée de milliers de pixel permet de restituer une image 3D fidèle de la cible. A ce jour, de premiers essais montrent que le détecteur se dégrade au cours du temps, conduisant en une perte de sensibilité et en la dégradation de la précision de mesure. Quantifier ces effets et comprendre ces dérives est absolument nécessaire pour améliorer le procéder de fabrication et développer un modèle prédictif de fiabilité. La thèse se focalisera à part égale entre la fiabilité d'un pixel unitaire et la fiabilité d'une matrice de pixels, ceci pour se rapprocher de la fiabilité produit. Le candidat s'appuiera un ensemble d'outils de caractérisation, de mesure de la fiabilité, ainsi que sur des outils de modélisation et simulation développés chez STMicroelectronics.

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Circuit intégré pour l'ajustement électromécanique de la dynamique de dispositifs MEMS

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire Gestion de l'Energie, Capteurs et Actionneurs

Nous recherchons un étudiant diplômé de Master 2 ou Ecole d'ingénieur avec un profil « électronique analogique » et/ou « microélectronique », motivé à appréhender un sujet à cheval entre circuit et composant alliant mécatronique, conception de circuits.

01-09-2021

SL-DRT-21-0837

gael.pillonnet@cea.fr

Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs (.pdf)

Au cours de sa thèse, le doctorant aura à explorer et à évaluer les possibilités d'ajustement par effet de couplage électromécanique entre un dispositif MEMS et son interface électrique. Pour évaluer divers dispositifs, l'étudiant aura accès à des caractérisations électriques et des modélisations préliminaires de différents MEMS développés dans les salles blanches de notre institut de recherche, notamment les dispositifs dits PMUT. Le doctorant pourra également s'inspirer de techniques d'ajustement déjà éprouvées par notre équipe de recherche sur des résonateurs macroscopiques à transduction. Une revue de l'état de l'art international et les contraintes industrielles glanées dans notre environnement collaboratif industrie/recherche permettront également de positionner habillement notre recherche. Le doctorant sera en charge de choisir un niveau de modélisation et de mettre en place un environnement de simulation permettant de prédire les performances de diverses techniques d'ajustement sur l'ensemble de la chaine (du dispositif au circuit). Il prédira notamment l'impact de l'application de champs électriques et/ou magnétiques par l'intermédiaire de tension et courant fournis par l'interface électrique sur différents dispositifs. Par exemple, il combinera de façon avantageuse les concepts d'inversion de charges dans un matériau piézoélectrique, la mise en court-circuit ou circuit-ouvert notamment, pour émuler des charges électriques actives et réactives, qui moduleront la raideur et la masse intrinsèques du résonateur mécanique. Il pourra proposer la modification des dispositifs MEMS (ajout d'électrodes, géométrie maximisant le couplage, matériaux plus adaptés) en collaboration avec des technologues pour explorer une co-optimisation dispositif/circuit la plus adaptée, au moins au niveau simulation. L'aspect de l'auto-ajustement de ces techniques sera également abordé. En fonction des résultats, une ou plusieurs techniques seront identifiés pour leurs pertinences. Elles feront l'objet d'une implémentation en circuit intégré en technologie CMOS. Le doctorant aura en charge la spécification de l'ensemble des sous-blocs constituant la technique (détecteur de tension, étage de commutation, amplificateur?) et réalisera la conception « au niveau transistor ». Le circuit sera fabriqué par un sous-traitant sur une technologie CMOS à maturité industrielle. L'étudiant concevra la carte, conduira les caractérisations électriques du circuit et mettra en ?uvre l'assemblage MEMS/circuit pour prouver expérimentalement l'intérêt des techniques sélectionnées. Le déroulement de la thèse suit un schéma en boucles itératives d'apprentissage (matériau, composant, circuit, caractérisation électrique, modélisation), dont le nombre d'itération sera fonction de l'avancement du travail du candidat sur trois ans, de la fabrication des échantillons, et de l'évolution des dispositifs en salle blanche. Des dispositifs macroscopiques, s'approchant des propriétés des dispositifs MEMS visés en premier ressort, pourront être envisagés pour arriver à une expérimentation couplant dispositif et circuit. Le point de départ sera construit autour de la génération actuelle de composants MEMS pour étendre les caractérisations et construire un macro-modèle qui permettra d'explorer différentes topologies de circuits d'interface. Le doctorant développera ses compétences en conception de circuits intégrés (approximativement 50%), en mécatronique (30%) et en procédé microélectronique (20%) dans un schéma de thèse de conception de circuit proche du dispositif à contrôler. Il sera intégré dans un laboratoire spécialisé en intégration d'interfaces capteurs. Il devra présenter un excellent niveau scolaire et avoir des notions en électronique analogique. La connaissance des procédés microélectroniques et des outils de conception de circuits intégrés seraient des atouts. Enfin, il présentera une bonne capacité de travail personnel, un goût prononcé pour le travail en équipe, et une motivation pour les challenges techniques.

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