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Vérification formelle de la micro-architecture pour l'analyse des effets des injections de fautes et de la robustesse de contre-mesures

Département Systèmes et Circuits Intégrés Numériques

Laboratoire Environnement de Conception et Architecture

Master 2 recherche (cyber-sécurité ou architecture)

01-10-2021

SL-DRT-21-0276

Mathieu.Jan@cea.fr

Cybersécurité : hardware et software (.pdf)

La course sans fin vers l'accroissement des performances en moyenne des systèmes numériques engendre une augmentation perpétuelle de la complexité des architectures matérielles modernes. Ceci met en danger la conception de systèmes embarqués sécurisés via l'ouverture de nouveaux vecteurs d'attaques. Par exemple, la famille d'attaque de type Spectre a mis en lumière les problèmes que peuvent poser les mécanismes de spéculation d'exécution des architectures matérielles. Dans le contexte de cette proposition de thèse, nous considérons que plus l'architecture d'un processeur est complexe, plus la surface d'attaque par injection de fautes est importante. De telles attaques, mises en ?uvre par le biais de perturbations sur les circuit numériques, visent à exploiter la perturbation logique générée au niveau du calcul pour atteindre différents objectifs: réaliser une fuite d'informations, contourner des procédures d'authentification, réaliser une escalade de privilèges, etc. La modélisation des effets logiques d'une perturbation physique sur un système numérique a été étudiée en détails, mais cela reste toujours un défi d'en réaliser une modélisation précise. De plus, des travaux récents ont montrés que la prise en compte des fautes au niveau de la micro-architecture peut engendrer des phénomènes subtils, ouvrant des perspectives de recherche intéressantes quant à la modélisation et l'analyse de ces effets ainsi qu'à leur réduction. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'apport d'une approche de modélisation formelle du matériel pour tout d'abord mieux comprendre les conséquences d'injections de fautes puis de vérifier l'efficacité des contre-mesures utilisées dans les systèmes embarqués sécurisés.

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Convertisseur DC/DC sans inductance

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Electronique Energie et Puissance

Ingénieur, BAC+5, Electronique, Electrotechnique, Automatique

01-10-2020

SL-DRT-21-0277

ghislain.despesse@cea.fr

Efficacité énergétique pour bâtiments intelligents, mobilité électrique et procédés industriels (.pdf)

La réduction des dimensions des convertisseurs de puissance actuels est essentiellement liée à la montée en fréquence de fonctionnement. Cependant, aujourd'hui, nous atteignons plusieurs limites dont celles relevant des composants magnétiques. Pour cause, l'énergie, qui peut être stockée par cycle dans une inductance, diminue drastiquement avec l'augmentation de la fréquence. Pour remédier à cette limitation, nous avons étudié une alternative au stockage magnétique : le stockage transitoire d'énergie sous forme mécanique par la mise en mouvement d'un résonateur piézoélectrique. Nos premiers travaux, qui sont des premières mondiales, nous ont permis de valider le principe pour des puissances allant de 1 à 100W. L'objectif de la thèse sera d'étendre le principe de conversion à d'autres variantes topologiques et notamment à une version isolée galvaniquement. Une grande partie du travail vise la mise au point du cycle électrique de commande qui doit permettre à la fois d'entretenir la résonance de la structure mécanique et d'effectuer des transferts de puissance électrique sans pertes. La mise en ?uvre de ce cycle nécessitera, en outre, la mise au point d'une électronique très basse consommation qui intègrera plusieurs mécanismes de synchronisation et de régulation pour assurer des commutations à zéro de tension, assurer l'entretien des oscillations et réguler la tension de sortie. Le candidat pourra s'appuyer sur l'expertise du laboratoire d'accueil dans le domaine de la conversion et de la piézoélectricité. La thèse se déroulera au CEA/LETI situé à Grenoble (laboratoire orienté microélectronique et microsystème), elle sera dirigée par Mr Ghislain DESPESSE du CEA et par Mr François COSTA du SATIE (laboratoire de physique appliqué et génie électrique rattaché à l'ENS Paris-Saclay).

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Robustesse et performances d'électrodes optimisées de cellules à oxyde solide

Département Thermique Conversion et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire essais et systèmes

The student will have transversal competences in materials and/or mechanic of solids. Skills in modelling will be also appreciated.

01-10-2021

SL-DRT-21-0289

maxime.hubert@cea.fr

Solutions avancées pour l?hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique (.pdf)

Les cellules à oxyde solide (SOCs) sont des convertisseurs électrochimiques fonctionnant à hautes températures qui peuvent être utilisés pour produire soit de l'électricité en mode pile à combustibles (SOFC) ou de l'hydrogène en mode d'électrolyse (SOEC). Grâce à un large éventail de cas d'application, cette technologie est susceptible d'offrir de nombreuses solutions innovantes pour assurer la transition vers l'utilisation massive d'énergies renouvelables. Néanmoins, la durée de vie de cette technologie reste à ce jour insuffisante pour envisager son dépoilement industriel. En effet, la durabilité des SOCs est limitée par de nombreux phénomènes physiques dont notamment l'endommagement mécanique des électrodes. Par exemple, la formation de microfissures dans l'électrode dite à hydrogène est une des sources majeures de dégradation. Les mécanismes mis en jeu ainsi que l'impact des microfissures sur les performances restent cependant mal connus à ce jour. Par une approche de modélisation multi-physique, il est proposé dans cette thèse d'établir le lien entre la baisse des performances de l'électrode à hydrogène et son endommagement mécanique. Une fois le modèle validé sur des expériences originales, une analyse de sensibilité sera conduite et des recommandations seront émises pour des électrodes optimisées. Une ou deux solutions seront retenues et fabriquées pour une validation finale.

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Radar passif

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Sans fils Haut Débit

Ingénieur traitement du signal

01-09-2021

SL-DRT-21-0301

patrick.rosson@cea.fr

Réseaux de communication, internet des objets, radiofréquences et antennes (.pdf)

Le principe des radars passifs est d'utiliser des émetteurs non coopératifs dont on connait la position afin de détecter et localiser des cibles dans une zone définie. Les militaires savent exploiter les signaux émis par les émetteurs puissants tels que les stations FM ou les stations DVD-T. Grace à leurs réseaux d'antennes de réception, ils savent surveiller de vastes étendues en milieu rural grâce à un seul émetteur non coopératif suffisamment puissant. Dans notre contexte urbain ou suburbain, nous proposons d'exploiter les signaux émis par les nombreuses stations de base cellulaires. De nos jours, les stations de base cellulaires couvrent une grande partie du territoire. Elles émettent également dans plusieurs bandes de fréquences de 700 MHz à 3500 MHz sur 2 polarisations orthogonales. L'objectif est d'utiliser la diversité de transmission offerte par ces stations de base pour détecter et localiser nos cibles grâce à un système de réception moins complexe en terme de hardware. Les techniques basées sur les diversités des émetteurs (i.e. polarisation, fréquence, et espace) seront étudiées au niveau théorique avant d'être évaluées sur signaux réels dans un contexte urbain.

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Réseau de capteurs et edge AI basse consommation pour la maintenance prédictive

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs

ingénieur ou master 2 Traitement du Signal, Machine learning, Programmation Embarquée

01-10-2021

SL-DRT-21-0312

vincent.heiries@cea.fr

Data intelligence dont Intelligence Artificielle (.pdf)

La maintenance prédictive est un enjeu majeur pour l'industrie du futur (industrie 4.0), permettant de maximiser les temps d'utilisation des pièces, d'augmenter la durée de vie des machines, de réduire les pannes ainsi que les temps d'immobilisation des équipements; avec à la clé, des gains économiques et environnementaux pour l'entreprise. La maintenance prédictive s'appuie sur des réseaux de capteurs placés sur les équipements à monitorer et sur des mécanismes d'apprentissages mettant en ?uvre de l'intelligence artificielle (Machine Learning). Ces capteurs sont aujourd'hui essentiellement filaires, ce qui rend leur installation complexe : passage de câbles, passage de murs, environnements tournants,? La solution idéale serait de disposer de capteurs communicants sans fil; se pose alors la question de leur autonomie énergétique, ce qui est l'enjeu de cette thèse. Ce sujet de thèse, qui s'inscrit dans la roadmap "Systèmes Cyber-Physiques" du Département Systèmes du CEA-LETI (Grenoble), aura pour objectif de développer un réseau de capteurs basse consommation sans fil permettant de surveiller les équipements industriels et d'anticiper leur défaillance. La thèse s'appuiera sur des solutions technologiques avancées mettant en ?uvre de l'intelligence artificielle embarquée (edge AI), du traitement de données provenant de différents capteurs (audio, vibrations) ainsi que de l'électronique basse consommation (hardware et firmware) notamment pour les aspects traitement de l'information et communication. L'intelligence artificielle est en plein essor avec des enjeux majeurs pour la santé, le transport, la protection de l'environnement ou encore l'industrie. Actuellement, les calculs sont majoritairement déportés sur des serveurs (couramment nommés cloud), ce qui nécessite la transmission complète des données mesurées par les capteurs (par ex. signal audio pour un microphone, ou vibrations pour un accéléromètre). Cette architecture est simple à déployer mais peu efficace du point de vue énergétique avec des serveurs de calcul surdimensionnés pour la plupart, et peu résiliente en cas de défaut de transmission des données. La tendance est donc à l'implémentation des algorithmes de traitement au plus proche des capteurs pour réduire les taux d'utilisation des systèmes de communication, décharger les serveurs de calcul en réduisant leur consommation énergétique et améliorer la résilience de ces réseaux de capteurs. Partant de ce constat, il reste à comprendre comment une tâche de traitement de données initialement réalisée par des serveurs sans contraintes d'alimentation et de puissance de calcul peut être déportée sur un réseau de capteurs à énergie disponible limitée et à puissance de calcul réduite (par ex. microcontrôleurs faible consommation). A cette fin, on pourra entre autre, mettre en ?uvre des méthodes utilisées dans le domaine du compressive sensing, et appliquer des algorithmes de machine learning dans un espace compressé. Le c?ur 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 "maintenance prédictive pour l'industrie". Les questions de recherche et les innovations associées cibleront: (i) le développement d'architectures électroniques basse consommation (fonctions de réveil, ajustement de la fréquence de mesure,?), (ii) le développement et l'implémentation sur microcontrôleurs d'algorithmes de Machine Learning pour les fonctions capteurs (audio, vibrations, températures) et (iii) le développement et l'implémentation sur microcontrôleurs d'algorithmes de Machine Learning pour l'optimisation de l'énergie et de l'autonomie. Un dispositif électronique complet (hardware + firmware) mettant en ?uvre ces innovations et déployé en situation réelle est attendu pour la fin de la thèse.

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Etude de diodes SOI verticales pour la détection LWIR

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire d'Imagerie thermique et THz

Physique des semiconducteurs

01-09-2021

SL-DRT-21-0313

patrick.leduc@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

Les détecteurs thermiques non refroidis absorbent le flux infrarouge pour des longueurs d'onde de 7µm à 14µm. Cette bande spectrale correspond à une fenêtre de transmission atmosphérique et au maximum d'émission d'un corps noir à 300K, ce qui permet de mesurer des variations de température inférieures à 100mK dans la scène imagée. Le principe de fonctionnement des microbolomètres repose sur la mesure de température d'une membrane suspendue absorbant le flux infrarouge. Le transducteur thermique est l'élément sensible du microbolomètre qui détermine son rapport signal sur bruit et donc la performance du pixel bolométrique. La majorité des microbolomètres commerciaux utilisent une thermistance à base de silicium amorphe ou d'oxyde de vanadium pour son coefficient de température élevé (TCR=2-4%/K) et son faible bruit basse fréquence (bruit 1/f). L'objet de la thèse est l'étude d'une technologie en rupture pour la fabrication des microbolomètres. Contrairement aux filières classiques à thermistances, on se propose d'évaluer un transducteur thermique à base de diodes SOI verticales, qui permettra d'améliorer significativement la qualité d'image des détecteurs LWIR. Le sujet portera sur la caractérisation et la modélisation des performances d'un tel dispositif.

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