Méthodes de conception des circuits intégrés analogiques et mixtes - Perspectives sur les systèmes électroniques en interaction avec le vivant
Résumé
Le présent mémoire propose une synthèse de mes activités de recherche sur la période 1993 - 2009 ainsi que mon projet pour les années à venir. Ces travaux se sont déroulés au laboratoire de l'Intégration des Composants et Systèmes Electroniques IXL, initialement dirigé par le Pr. J.P. Dom, et devenu aujourd'hui le laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système IMS, dirigé par le Pr. P. Fouillat. Mon parcours est resté associé à la thématique générale de la Conception Optimisée des Circuits Analogiques et Mixtes, même si ses étapes successives l'ont rattaché à différentes équipes du laboratoire, au fil de son histoire. Ainsi, d'un point de vue institutionnel, mes travaux ont été hébergés par : - l'équipe Caractérisation et Modélisation des Pr. J.P. Dom puis T. Zimmer, durant mon DEA et ma thèse, - l'équipe Modélisation Comportementale des Circuits et Systèmes du Pr. H. Lévi, durant la période 1998 - 2004, - l'équipe Ingénierie des Systèmes Neuromorphiques (ISN) du Pr. S. Renaud, durant la période 2004 - 2009. Mon intégration dans l'équipe ISN a eu lieu à l'occasion de l'encadrement de la thèse de T. Lévi, qui avait pour objectif d'appliquer un concept innovant en conception analogique aux circuits développés par celle-ci. C'est avec un réel intérêt pour les activités de l'équipe ISN en lien avec les Neurosciences, que j'ai décidé d'approfondir mes connaissances sur le sujet, en demandant un Congé pour Recherche et Conversion Thématique qui m'a été accordé sur 2 ans, de 2007 à 2009. Tirant profit de cet aménagement de service, je suis en mesure aujourd'hui de déposer mon dossier d'Habilitation à Diriger des Recherches et d'animer à partir du 1er Janvier 2010 une nouvelle équipe centrée sur l'Interaction des Systèmes Electroniques avec le Vivant, nommée ElIBio. Le contexte scientifique général de ce mémoire est celui des Méthodes et Outils de Conception des Circuits Intégrés Analogiques et Mixtes. La tâche de conception de fonctions électroniques sur circuit intégré ne peut être aujourd'hui menée à bien sans l'aide d'outils informatiques, véritables plate-formes logicielles d'aide à la conception. La complexité croissante des circuits intégrés nécessite une amélioration constante des méthodes 1 et outils de conception, afin de réduire au maximum le temps de développement, tout en assurant la fiabilité des circuits fabriqués. Un paradoxe connu dans l'industrie du semi- conducteur sous le nom de Design Productivity Gap met en avant l'écart entre le nombre de transistors technologiquement disponibles sur une puce et la possibilité de les assembler convenablement pour assurer une fonctionnalité. Cela revient à comparer l'efficacité des technologies de conception à celle des technologies de fabrication. Depuis le début de l'ère des circuits intégrés, ce Design Productivity Gap ne cesse de croître et les recommandations de l'ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) reviennent constamment sur la nécessité de proposer de nouvelles solutions de conception automatisée (EDA, Electronic Design Automation). Ajoutons à cela la montée en puissance des composants intégrés analogiques et mixtes (AMS, Analog and Mixed Systems), sur lesquels cohabitent, au sein d'un même substrat, des fonctions numériques et analogiques. La différence de maturité des processus de conception analogique et numérique apparaît alors nettement et c'est la partie analogique qui requiert le plus grand effort de conception. En effet, alors que la synthèse de circuits numériques est aujourd'hui entièrement automatisée, la conception analogique souffre d'un manque de formalisme défavorable à son automatisation. La variation continue des signaux, la multitude des facteurs de performances, leur interdépendance, leur sensibilité vis-à-vis de fluctuations physiques peuvent être citées comme des freins inhérents à la nature analogique des circuits. Ainsi, mes travaux de recherche ont été effectués dans l'objectif général d'optimiser le flot de conception analogique, c'est-à-dire d'automatiser un maximum de tâches aujourd'hui réalisées manuellement. Cela nécessite avant tout de proposer des méthodes et formalismes qui permettront de passer à la dimension d'outils logiciels de conception. Les 3 premiers chapitres de ce mémoire s'inscrivent pleinement dans cet objectif et déclinent ma contribution selon les 3 axes suivants : - le chapitre 1 est consacré à une réflexion générale sur les Méthodes de Modélisation des Circuits Analogiques et Mixtes, menée de façon transversale sur l'ensemble de mon travail d'encadrement doctoral, - le chapitre 2 s'attache à une question de modélisation particulière et non résolue dans les simulateurs électriques actuels, il s'agit de la Modélisation de Sources de Bruit pour Simulation Temporelle; cela met en œuvre une technique de génération de modèles basée sur les filtres d'ordre non entier, en partenariat avec des chercheurs en Automatique de l'équipe CRONE, 2 - le chapitre 3 met la réutilisation au cœur du processus de conception et propose d'appliquer le concept d'IP (Intellectual Property), connu et efficace en conception de systèmes numériques, à la conception de systèmes intégrés analogiques ; un paradigme de conception analogique à base d'IPs y est développé et appliqué à la conception de circuits neuromimétiques. Le chapitre 4 fait l'exposé de mon projet de recherche qui s'articule autour des Systèmes Electroniques en Interaction avec le Vivant. Ce dernier chapitre commence par introduire le contexte pluridisciplinaire et la problématique des Systèmes d'Acquisition et de Contrôle de l'Activité Bioélectrique, et s'achève par la description du cadre stratégique des projets de l'équipe ElIBio.
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