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This thesis tackles the time-frequency continuous variables degree of freedom encoding of single photons and examine the formal mathematical analogy with the quadrature continuous variables of the electromagnetic field. We define a new type of qubit which is robust against time-frequency displacement errors. We define a new double-cylinder phase space which is particularly adapted for states which have a translational symmetry. We also study how to build a functional phase space distribution which allows to describe a quantum state with spectral and quadrature continuous variables degrees of freedom.; Cette thèse aborde l’encodage de degrés de liberté continus temps-fréquence de photon uniques. Les similitudes mathématiques avec les quadratures du champ électromagnétique amène à généraliser des protocoles exprimées dans ces variables dans notre encodage. On introduit un nouveau type de qubit robuste contre des erreurs du type déplacement dans l’espace des phases temps-fréquence. Un nouvel espace des phases doublement cylindriques est étudié et est une représentation particulièrement adaptée pour des états ayant une symétrie de translation. On étudie également comment construire une distribution de phase fonctionnelle permettant de décrire un état quantique possédant des degrés de libertés continus spectraux et en quadrature.

This manuscript details the work in the scope of a hard X-Ray spatial instrumentation project. Previous developments have reached the design and fabrication of a Cadmium Telluride detector (CdTe) allowing precise photoelectric conversion of light in the hard X-Ray energy range (1keV – 100 keV).This thesis describes all of the design steps of a charge conversion integrated circuit with several specificities: a good spectral resolution, a good spatial resolution, and a four-side abutability.This work organizes through three principal steps. The technology choice for integrated circuit fabrication. The design, fabrication and test of prototypes dedicated to develop the circuit architecture. In addition, the design and test of the final circuit named IDeF-X D²R₂. This circuit of 8.5 mm x 8.5 mm, contains 1024 pixels matrix of 32 x 32) of 250 x 250 µm² each of one allowing charge measurement with a low noise of 40 electrons, a dynamic up to 110 000 electrons (500 keV CdTe), for a nominal power consumption of 200 µW/pixel. A system approach has been done to be compatible to a 32 channels analog to digital converter developed prior to the thesis named OWB-1 leading to a digital output spectro-imaging system. Developments and results are promising for the conception of modular detection plan for future spatial missions in the hard X-Ray energy range, allowing study of energetic celestial objects., Ce manuscrit présente le travail de thèse effectué dans le cadre d’un projet de développement d’instrumentation spatiale pour rayons X-durs. Des développements précédents ont permis la conception d’un détecteur en tellurure de cadmium (CdTe) permettant la conversion photoélectrique du spectre lumineux dans la gamme spectrale des rayons X (1keV – 100 keV).Cette thèse décrit l’ensemble des étapes de conception d’un circuit intégré de conversion de charge permettant de lire le détecteur précédemment développé avec pour spécificités : une haute résolution spectrale, une haute résolution spatiale, et une aboutabilité sur quatre cotés.Ce travail s’est organisé selon trois principales étapes. Le choix de la technologie du circuit intégrés. La conception, fabrication et test de prototypes dédiés à mettre en place l’architecture du système. Et la conception et test du circuit, sujet de ce travail de thèse, nommé IDeF-X D²R₂.Ce dernier circuit intégré de 8.5 mm x 8.5 mm, contient 1024 pixels (matrice de 32 x 32) de 250 x 250 µm² permettant chacun la lecture de charge avec un bruit de 40 électrons, une dynamique allant jusqu’à 110 000 électrons (500 keV CdTe), pour une puissance consommée de 200 µW/pixel. Une approche système a été pensée pour être compatible à un convertisseur numérique analogique nommé OWB-1 permettant une sortie numérique du spectro-imageur. Les résultats sont prometteurs pour le développement de plan de détections modulaires pour de future missions spatiales dans la gamme des X-durs, permettant l’étude d’objets stellaires et inter-stellaires.

Recent silicon technologies are especially prone to imperfections during the fabrication of the circuits. Process variations can induce a noticeable performance shift, especially for high frequency devices. In this thesis we present several contributions to tackle the cost and complexity associated with testing mm-wave ICs. In this sense, we have focused on two main topics: a) non-intrusive machine learning indirect test and b) one-shot calibration. We have in particular developed a generic method to implement a non-intrusive machine learning indirect test based on process variation sensors. The method is aimed at being as automated as possible and can be applied to virtually any mm-wave circuit. It leverages the Monte Carlo models of the design kit and the BEOL variability information to propose a set of non-intrusive sensors. Low frequency measurements can be performed on these sensors to extract signatures that provide relevant information about the process quality, and consequently about the device performance. The method is supported by experimental results in a set of 65 GHz PAs designed in a 55 nm technology from STMicroelectronics. To further tackle the performance degradation induced by process variations, we have also focused on the implementation of a one-shot calibration procedure. In this line, we have presented a two-stage 60 GHz PA with one-shot calibration capability. The proposed calibration takes advantage of a novel tuning knob, implemented as a variable decoupling cell. Non-intrusive process monitors, placed within the empty spaces of the circuit, are used for predicting the best tuning knob configuration based on a machine learning regression model. The feasibility and performance of the proposed calibration strategy have been validated in simulation.; Les technologies silicium récentes sont particulièrement prônes aux imperfections durant la fabrication des circuits. La variation des procédés peut entrainer une dégradation des performances, notamment aux hautes fréquences. Dans cette thèse, plusieurs contributions visant la réduction des coûts et de la complexité du test des circuits millimétriques sont présentées. Dans ce sens, deux sujets principaux ont fait l'objet de notre attention : a) le test indirect non-intrusif basé sur l’apprentissage automatique et b) la calibration non-itérative "one-shot". Nous avons en particulier développé une méthode générique pour implémenter un test indirect non-intrusif basé sur l’apprentissage automatique. La méthode vise à être aussi automatisée que possible de façon à pouvoir être appliquée à pratiquement n'importe quel circuit millimétrique. Elle exploite les modèles Monte Carlo du design kit et des informations de variations du BEOL pour proposer un jeu de capteurs non-intrusifs. Des mesures à basses fréquences permettent ensuite d'extraire des signatures qui contiennent des données pertinentes concernant la qualité des procédés de fabrication, et donc a fortiori de la performance du circuit. Cette méthode est supportée par des résultats expérimentaux sur des PAs fonctionnant à 65 GHz, conçus dans une technologie 55 nm de STMicroelectronics. Pour s'attaquer plus encore à la dégradation des performances induite par les variations des procédés de fabrication, nous nous sommes également penchés sur une procédure de calibration non-itérative. Nous avons ainsi présenté un PA à deux étages qui peut être calibré en post-fabrication. La méthode de calibration exploite une cellule de découplage variable comme moyen de modifier les performances de l'amplificateur. Des moniteurs de variations des procédés de fabrication, placés dans les espaces vides du circuit, sont utilisés afin de prédire la meilleure configuration possible pour les cellules de découplage variables. La faisabilité et les performances de cette approche ont été validés en simulation.

Recent silicon technologies are especially prone to imperfections during the fabrication of the circuits. Process variations can induce a noticeable performance shift, especially for high frequency devices. In this thesis we present several contributions to tackle the cost and complexity associated with testing mm-wave ICs. In this sense, we have focused on two main topics: a) non-intrusive machine learning indirect test and b) one-shot calibration. We have in particular developed a generic method to implement a non-intrusive machine learning indirect test based on process variation sensors. The method is aimed at being as automated as possible and can be applied to virtually any mm-wave circuit. It leverages the Monte Carlo models of the design kit and the BEOL variability information to propose a set of non-intrusive sensors. Low frequency measurements can be performed on these sensors to extract signatures that provide relevant information about the process quality, and consequently about the device performance. The method is supported by experimental results in a set of 65 GHz PAs designed in a 55 nm technology from STMicroelectronics. To further tackle the performance degradation induced by process variations, we have also focused on the implementation of a one-shot calibration procedure. In this line, we have presented a two-stage 60 GHz PA with one-shot calibration capability. The proposed calibration takes advantage of a novel tuning knob, implemented as a variable decoupling cell. Non-intrusive process monitors, placed within the empty spaces of the circuit, are used for predicting the best tuning knob configuration based on a machine learning regression model. The feasibility and performance of the proposed calibration strategy have been validated in simulation., Les technologies silicium récentes sont particulièrement prônes aux imperfections durant la fabrication des circuits. La variation des procédés peut entrainer une dégradation des performances, notamment aux hautes fréquences. Dans cette thèse, plusieurs contributions visant la réduction des coûts et de la complexité du test des circuits millimétriques sont présentées. Dans ce sens, deux sujets principaux ont fait l'objet de notre attention : a) le test indirect non-intrusif basé sur l’apprentissage automatique et b) la calibration non-itérative "one-shot". Nous avons en particulier développé une méthode générique pour implémenter un test indirect non-intrusif basé sur l’apprentissage automatique. La méthode vise à être aussi automatisée que possible de façon à pouvoir être appliquée à pratiquement n'importe quel circuit millimétrique. Elle exploite les modèles Monte Carlo du design kit et des informations de variations du BEOL pour proposer un jeu de capteurs non-intrusifs. Des mesures à basses fréquences permettent ensuite d'extraire des signatures qui contiennent des données pertinentes concernant la qualité des procédés de fabrication, et donc a fortiori de la performance du circuit. Cette méthode est supportée par des résultats expérimentaux sur des PAs fonctionnant à 65 GHz, conçus dans une technologie 55 nm de STMicroelectronics. Pour s'attaquer plus encore à la dégradation des performances induite par les variations des procédés de fabrication, nous nous sommes également penchés sur une procédure de calibration non-itérative. Nous avons ainsi présenté un PA à deux étages qui peut être calibré en post-fabrication. La méthode de calibration exploite une cellule de découplage variable comme moyen de modifier les performances de l'amplificateur. Des moniteurs de variations des procédés de fabrication, placés dans les espaces vides du circuit, sont utilisés afin de prédire la meilleure configuration possible pour les cellules de découplage variables. La faisabilité et les performances de cette approche ont été validés en simulation.

The generalization of integrated circuits and more generally electronics to everyday life systems (military, finance, health, etc) rises the question about their security. Today, the integrity of such circuits relies on a large panel of known attacks for which countermeasures have been developed. Hence, the search of new vulnerabilities represents one of the largest contribution to hardware security. The always rising complexity of dies leads to larger silicon surfaces.Circuit imaging is therefore a popular step among the hardware security community in order to identify regions of interest within the die. In this objective, the work presented here proposes new methodologies for infrared circuit imaging. In particular, it is demonstrated that statistical measurement analysis can be performed for automated localization of active areas in an integrated circuit.Also, a new methodology allowing efficient statistical infrared image comparison is proposed. Finally, all results are acquired using a cost efficient infrared measurement platform that allows the investigation of weak electrical source, detecting power consumption as low as 200 µW.; La généralisation des circuits intégrés et plus généralement de l'électronique à tous les secteurs d'activité humaine, nécessite d'assurer la sécurité d'un certain nombre de systèmes critiques (militaire, finance, santé, etc). Aujourd'hui, l'intégrité de ces systèmes repose sur un éventail d'attaques connues, pour lesquelles des contremesures ont été développées.Ainsi, la recherche de nouvelles attaques contribue fortement à la sécurisation des circuits électroniques. La complexité toujours croissante des circuits, permise par les progrès dans les technologies silicium, a pour conséquence l'apparition de circuits occupant de plus en plus de surface. La retro-ingénierie est donc une étape souvent obligatoire menée en amont d'une attaque afin de localiser les périphériques et autres régions d'intérêts au sein du circuit visé. Dans cet objectif, l'étude présenté dans ce document propose de nouvelles méthodes d'imagerie infrarouge. En particulier, il est démontré que l'analyse statistique des mesures infrarouge permet d'automatiser la localisation des régions électriquement active d'un circuit. Aussi, une nouvelle méthode de comparaison statistique d'image infrarouge est proposée. Enfin, ces résultats sont acquis au moyen d'une plateforme de mesure faible cout, permettant de détecter toute activité électrique possédant une consommation supérieure à 200µW.

The generalization of integrated circuits and more generally electronics to everyday life systems (military, finance, health, etc) rises the question about their security. Today, the integrity of such circuits relies on a large panel of known attacks for which countermeasures have been developed. Hence, the search of new vulnerabilities represents one of the largest contribution to hardware security. The always rising complexity of dies leads to larger silicon surfaces.Circuit imaging is therefore a popular step among the hardware security community in order to identify regions of interest within the die. In this objective, the work presented here proposes new methodologies for infrared circuit imaging. In particular, it is demonstrated that statistical measurement analysis can be performed for automated localization of active areas in an integrated circuit.Also, a new methodology allowing efficient statistical infrared image comparison is proposed. Finally, all results are acquired using a cost efficient infrared measurement platform that allows the investigation of weak electrical source, detecting power consumption as low as 200 µW.; La généralisation des circuits intégrés et plus généralement de l'électronique à tous les secteurs d'activité humaine, nécessite d'assurer la sécurité d'un certain nombre de systèmes critiques (militaire, finance, santé, etc). Aujourd'hui, l'intégrité de ces systèmes repose sur un éventail d'attaques connues, pour lesquelles des contremesures ont été développées.Ainsi, la recherche de nouvelles attaques contribue fortement à la sécurisation des circuits électroniques. La complexité toujours croissante des circuits, permise par les progrès dans les technologies silicium, a pour conséquence l'apparition de circuits occupant de plus en plus de surface. La retro-ingénierie est donc une étape souvent obligatoire menée en amont d'une attaque afin de localiser les périphériques et autres régions d'intérêts au sein du circuit visé. Dans cet objectif, l'étude présenté dans ce document propose de nouvelles méthodes d'imagerie infrarouge. En particulier, il est démontré que l'analyse statistique des mesures infrarouge permet d'automatiser la localisation des régions électriquement active d'un circuit. Aussi, une nouvelle méthode de comparaison statistique d'image infrarouge est proposée. Enfin, ces résultats sont acquis au moyen d'une plateforme de mesure faible cout, permettant de détecter toute activité électrique possédant une consommation supérieure à 200µW.

In this PhD thesis, self-heating phenomena are studied for guiding the design of next-generation 3D Integrated Circuits (ICs). By means of experimental and numerical investigations, associated heat dissipation in 3D Hybrid Bonding imagers is analyzed and the impact of the resulting temperature rise is evaluated. First, in order to develop accurate models, the thermal properties of materials used in ICs are to be determined. Different dielectric thin films involving oxides, nitrides, and low-k compounds are investigated. To do so, Scanning Thermal Microscopy (SThM) and the 3ω electrothermal method, sensitive to low and large effective thermal conductivity, are implemented. In a second step, finiteelement models of 3D ICs are developed. A numerical method involving homogenization and a multiscale approach is proposed to overcome the large aspect ratios inherent in microelectronics. The numerical procedure is validated by comparing calculations and experimental measurements performed with SThM, resistive thermometry and infrared microscopy on a simplified Hybrid Bonding test chip. It is shown that heat dissipation is mainly limited by the heat sink conductance and the losses through air. Finally, numerical and experimental studies are performed on fully-functional 3D Hybrid Bonding imagers. The temperature field is measured with SThM and compared with finite-element computations at the die surface. The numerical results show that the temperature of the pixel surface is equal to that of the imager Front-End-Of-Line. The influence of the temperature rise on the optical performance of the imager is deduced from the analysis. The study also allows assessing the various numerical and experimental methods for characterizing heat dissipation in microelectronics., Dans cette thèse, les phénomènes d’auto-échauffement ont été étudié pour guider la conception de circuits intégrés 3D de nouvelle génération. Grâce à des études expérimentales et numériques, la dissipation thermique dans des imageurs 3D par collage hybride a été analysée et l’impact de l’augmentation de température résultante a été évalué. Premièrement, afin de développer des modèles précis, les propriétés thermiques des matériaux utilisés dans les circuits intégrés ont dû être déterminées. Différents films minces diélectriques impliquant des oxydes, des nitrures et des composés low-k ont été étudiés. Pour ce faire, la microscopie thermique à sonde locale (SThM) et la méthode électrothermique 3ω, sensibles à la conductivité thermique effective faible et élevée, ont été mises en œuvre. Dans un deuxième temps, des modèles éléments finis de circuits intégrés 3D ont été développés. Une méthode numérique nécessitant homogénéisations et approches multi-échelles a été proposée pour surmonter des grands rapports de forme inhérents à la microélectronique. La procédure numérique a été validée en comparant les calculs et les mesures expérimentales effectuées par SThM, la thermométrie résistive et la microscopie infrarouge sur une puce de test par collage hybride simplifiée. Il a été montré que la dissipation de chaleur est principalement limitée par la conductance du puit thermique ainsi que les pertes par l'air. Enfin, des études numériques et expérimentales ont été réalisées sur des imageurs 3D par collage hybride fonctionnels. Le champ de température a été mesuré par SThM et comparé aux calculs par éléments finis à la surface de la matrice. Les résultats numériques ont montré que la température de la surface des pixels est égale à celle du Front-End-Of-Line de l’imageur. L'influence de l'échauffement sur les performances optiques de l'imageur a été déduite de cette analyse. Cette étude a permis également d'évaluer les différentes méthodes numériques et expérimentales pour la caractérisation de la dissipation de chaleur en microélectronique.

National audience

3D stacked ICs package multiple, independently manufactured dies to reduce total system wire-length, improve timing, and reduce area and power. When designing stacked 3D-ICs, arises the question of the grain at which one should consider system partitioning to optimize the gains. This work uses known MAX-CUT graph partitioning algorithms to split designs from 42k up to 800k gates, with gates clustered from 8 and up to 32768 partitions. It has been found that with 2048 clusters, i.e. 20 to 400 gates per cluster depending on the design, a partitioning of the system allows on average to cut 35% of the nets that account for 73% of the total wire-length in 3D., SCOPUS: cp.p, info:eu-repo/semantics/published

Laser fault injections induce transient faults into ICs by locally generating transient currents that temporarily flip the outputs of the illuminated gates. Laser fault injection can be anticipated or studied by using simulation tools at different abstraction levels: physical, electrical or logical. At the electrical level, the classical laser-fault injection model is based on the addition of current sources to the various sensitive nodes of MOS transistors. However, this model does not take into account the large transient current components also induced between the VDD and GND of ICs designed with advanced CMOS technologies. These short-circuit currents provoke a significant IR drop that contribute to the fault injection process. This thesis describes our research on the assessment of this contribution. It shows by simulation and experiments that during laser fault injection campaigns, laser-induced IR drop is always present when considering circuits designed in deep submicron technologies. It introduces an enhanced electrical fault model taking the laser-induced IR-drop into account. It also proposes a methodology that uses standard CAD tools to allow the use of the enhanced electrical model to simulate laser-induced faults at the electrical level in large-scale circuits. On the basis of further simulations and experimental results, we found that, depending on the laser pulse characteristics, the number of injected faults may be underestimated by a factor as large as 3 if the laser-induced IR-drop is ignored. This could lead to incorrect estimations of the fault injection threshold, which is especially relevant to the design of countermeasure techniques for secure integrated systems. Furthermore, experimental and simulation results show that even though laser fault injection is a very local and accurate fault injection technique, the induced IR drops have a global effect spreading through the supply network. This gives experimental evidence that the effect of laser illumination is not as local as usually considered.; Les injections de fautes laser induisent des fautes transitoires dans les circuits intégrés en générant localement des courants transitoires qui inversent temporairement les sorties des portes illuminées. L'injection de fautes laser peut être anticipée ou étudiée en utilisant des outils de simulation à différents niveaux d'abstraction: physique, électrique ou logique. Au niveau électrique, le modèle classique d'injection de fautes laser repose sur l'ajout de sources de courant aux différents nœuds sensibles des transistors MOS. Cependant, ce modèle ne prend pas en compte les grands composants de courant transitoire également induits entre le VDD et le GND des circuits intégrés conçus avec des technologies CMOS avancées. Ces courants de court-circuit provoquent un significatif IR drop qui contribue au processus d'injection de faute. Cette thèse décrit notre recherche sur l'évaluation de cette contribution. Il montre par des simulations et des expériences que lors de campagnes d'injection de fautes laser, le IR drop induite par laser est toujours présente lorsque l'on considère des circuits conçus dans des technologies submicroniques profondes. Il introduit un modèle de faute électrique amélioré prenant en compte le IR drop induite par laser. Il propose également une méthodologie qui utilise des outils CAD standard pour permettre l'utilisation du modèle électrique amélioré pour simuler des fautes induits par laser au niveau électrique dans des circuits à grande échelle. Sur la base de simulations et de résultats expérimentaux supplémentaires, nous avons constaté que, selon les caractéristiques de l'impulsion laser, le nombre de fautes injectées peut être sous-estimé par un facteur aussi grand que 3 si le IR drop induite par laser est ignorée. Cela pourrait conduire à des estimations incorrectes du seuil d'injection des fautes, ce qui est particulièrement pertinent pour la conception de techniques de contre-mesures pour les systèmes intégrés sécurisés. De plus, les résultats expérimentaux et de simulation montrent que même si l'injection de fautes laser est une technique d'injection de fautes très locale et précise, les IR drops induites ont un effet global se propageant à travers le réseau d'alimentation. Cela donne des preuves expérimentales que l'effet de l'illumination laser n'est pas aussi local que d'habitude.

Laser fault injections induce transient faults into ICs by locally generating transient currents that temporarily flip the outputs of the illuminated gates. Laser fault injection can be anticipated or studied by using simulation tools at different abstraction levels: physical, electrical or logical. At the electrical level, the classical laser-fault injection model is based on the addition of current sources to the various sensitive nodes of MOS transistors. However, this model does not take into account the large transient current components also induced between the VDD and GND of ICs designed with advanced CMOS technologies. These short-circuit currents provoke a significant IR drop that contribute to the fault injection process. This thesis describes our research on the assessment of this contribution. It shows by simulation and experiments that during laser fault injection campaigns, laser-induced IR drop is always present when considering circuits designed in deep submicron technologies. It introduces an enhanced electrical fault model taking the laser-induced IR-drop into account. It also proposes a methodology that uses standard CAD tools to allow the use of the enhanced electrical model to simulate laser-induced faults at the electrical level in large-scale circuits. On the basis of further simulations and experimental results, we found that, depending on the laser pulse characteristics, the number of injected faults may be underestimated by a factor as large as 3 if the laser-induced IR-drop is ignored. This could lead to incorrect estimations of the fault injection threshold, which is especially relevant to the design of countermeasure techniques for secure integrated systems. Furthermore, experimental and simulation results show that even though laser fault injection is a very local and accurate fault injection technique, the induced IR drops have a global effect spreading through the supply network. This gives experimental evidence that the effect of laser illumination is not as local as usually considered.; Les injections de fautes laser induisent des fautes transitoires dans les circuits intégrés en générant localement des courants transitoires qui inversent temporairement les sorties des portes illuminées. L'injection de fautes laser peut être anticipée ou étudiée en utilisant des outils de simulation à différents niveaux d'abstraction: physique, électrique ou logique. Au niveau électrique, le modèle classique d'injection de fautes laser repose sur l'ajout de sources de courant aux différents nœuds sensibles des transistors MOS. Cependant, ce modèle ne prend pas en compte les grands composants de courant transitoire également induits entre le VDD et le GND des circuits intégrés conçus avec des technologies CMOS avancées. Ces courants de court-circuit provoquent un significatif IR drop qui contribue au processus d'injection de faute. Cette thèse décrit notre recherche sur l'évaluation de cette contribution. Il montre par des simulations et des expériences que lors de campagnes d'injection de fautes laser, le IR drop induite par laser est toujours présente lorsque l'on considère des circuits conçus dans des technologies submicroniques profondes. Il introduit un modèle de faute électrique amélioré prenant en compte le IR drop induite par laser. Il propose également une méthodologie qui utilise des outils CAD standard pour permettre l'utilisation du modèle électrique amélioré pour simuler des fautes induits par laser au niveau électrique dans des circuits à grande échelle. Sur la base de simulations et de résultats expérimentaux supplémentaires, nous avons constaté que, selon les caractéristiques de l'impulsion laser, le nombre de fautes injectées peut être sous-estimé par un facteur aussi grand que 3 si le IR drop induite par laser est ignorée. Cela pourrait conduire à des estimations incorrectes du seuil d'injection des fautes, ce qui est particulièrement pertinent pour la conception de techniques de contre-mesures pour les systèmes intégrés sécurisés. De plus, les résultats expérimentaux et de simulation montrent que même si l'injection de fautes laser est une technique d'injection de fautes très locale et précise, les IR drops induites ont un effet global se propageant à travers le réseau d'alimentation. Cela donne des preuves expérimentales que l'effet de l'illumination laser n'est pas aussi local que d'habitude.

As the technological processes of integration on silicon evolve by increasing the fine engraving and the integration density, digital processing has become faster at a lower cost in area and power consumption. This reduction in size is made at the expense of analog blocks' precision. The idea is to take advantage of the performance offered by digital circuits to release the specifications for analog blocks and globally win area occupation and consumption. Yet, analog-digital mixed circuit designers are faced with a situation where they have to choose between a purely analog design flow or a pure digital design flow, each ignoring the other. In this thesis, we introduced a new mixed-signal design flow, which aims at unifying both digital and analog design flows. Our design flow is divided into three steps: a placement step, a global routing step and a detailed routing step. During the placement step, the designer describes the relative placement and a set of constraints and our placement tool will generate all the valid placements respecting these constraints. The global routing step determines approximately the shortest path to connect the connectors according to a netlist. The shortest paths take into account several constraints such as symmetry constraints or avoiding obstacles. Finally, the detailed routing step completes the construction of each wire and resolve overlap issues of the wires. Our design flow has been applied to several analog and mixed-signal circuits, placed and routed within a few seconds. Our main goal is to give control to the designer all along the layout design flow steps.; Avec l’évolution des procédés technologiques d’intégration, le traitement numérique devient de plus en plus rapide tout en coûtant moins en surface et en consommation d’énergie. La diminution des dimensions est effectuée au détriment de la précision des blocs analogiques. L’idée est de bénéficier des performances offertes par les circuits numériques pour relâcher les spécifications des blocs analogiques et gagner ainsi globalement en surface et consommation. Or les concepteurs de circuits mixtes analogiques-numériques sont confrontés à une situation où ils doivent choisir entre un flot purement analogique et un flot purement numérique, chacun des deux ignorant l’autre. Cette thèse propose un flot de conception mixte du dessin des masques en unifiant le flot de conception numérique et analogique Dans une phase de placement, le concepteur est amené à décrire un placement relatif de son circuit sous la forme d’un script permettant à notre outil de générer un ensemble de placements valides. Par la suite, une phase de routage global détermine de manière grossière les chemins les plus courts permettant de joindre les connecteurs de chaque net. Ces chemins prennent en compte diverses contraintes du circuit telles que des obstacles ou des contraintes de symétrie. Une phase de routage détaillé vient ensuite compléter la construction et la résolution des problèmes de superposition des fils de routage. Notre flot de conception est appliqué à plusieurs circuits analogiques et mixtes de tailles différentes. Notre approche a pour objectif de donner du contrôle aux concepteurs tout au long de la conception du dessin des masques.

As the technological processes of integration on silicon evolve by increasing the fine engraving and the integration density, digital processing has become faster at a lower cost in area and power consumption. This reduction in size is made at the expense of analog blocks' precision. The idea is to take advantage of the performance offered by digital circuits to release the specifications for analog blocks and globally win area occupation and consumption. Yet, analog-digital mixed circuit designers are faced with a situation where they have to choose between a purely analog design flow or a pure digital design flow, each ignoring the other. In this thesis, we introduced a new mixed-signal design flow, which aims at unifying both digital and analog design flows. Our design flow is divided into three steps: a placement step, a global routing step and a detailed routing step. During the placement step, the designer describes the relative placement and a set of constraints and our placement tool will generate all the valid placements respecting these constraints. The global routing step determines approximately the shortest path to connect the connectors according to a netlist. The shortest paths take into account several constraints such as symmetry constraints or avoiding obstacles. Finally, the detailed routing step completes the construction of each wire and resolve overlap issues of the wires. Our design flow has been applied to several analog and mixed-signal circuits, placed and routed within a few seconds. Our main goal is to give control to the designer all along the layout design flow steps.; Avec l’évolution des procédés technologiques d’intégration, le traitement numérique devient de plus en plus rapide tout en coûtant moins en surface et en consommation d’énergie. La diminution des dimensions est effectuée au détriment de la précision des blocs analogiques. L’idée est de bénéficier des performances offertes par les circuits numériques pour relâcher les spécifications des blocs analogiques et gagner ainsi globalement en surface et consommation. Or les concepteurs de circuits mixtes analogiques-numériques sont confrontés à une situation où ils doivent choisir entre un flot purement analogique et un flot purement numérique, chacun des deux ignorant l’autre. Cette thèse propose un flot de conception mixte du dessin des masques en unifiant le flot de conception numérique et analogique Dans une phase de placement, le concepteur est amené à décrire un placement relatif de son circuit sous la forme d’un script permettant à notre outil de générer un ensemble de placements valides. Par la suite, une phase de routage global détermine de manière grossière les chemins les plus courts permettant de joindre les connecteurs de chaque net. Ces chemins prennent en compte diverses contraintes du circuit telles que des obstacles ou des contraintes de symétrie. Une phase de routage détaillé vient ensuite compléter la construction et la résolution des problèmes de superposition des fils de routage. Notre flot de conception est appliqué à plusieurs circuits analogiques et mixtes de tailles différentes. Notre approche a pour objectif de donner du contrôle aux concepteurs tout au long de la conception du dessin des masques.

Communicating objects are inviting themselves into daily life leading to digitization of the physical world. This explosion of multimedia wireless applications for consumer electronics makes the power consumption a key metric in the design of multi-mode wireless portable devices. Conventional transceivers have fixed performances and are designed to meet high performances in all wireless link conditions. However, most of the time, the channel of communication is not at worst case and these transceivers are therefore over specified. Being aware of the channel link conditions would allow such devices to adapt themselves and to reduce significantly their power consumption. Therefore, the challenge is to propose a QoS (Quality of Service) in terms of communication range, response time as instance, equivalent to industrial modules with a reduced overall power consumption.To address this purpose, this thesis proposes a design strategy for the implementation of adaptive radio-frequency receiver (Rx) modules. Hence the Rx front end achieves the correct QoS for various scenarii of communications with a minimum of power consumption.As a proof of concept, the adaptive approach is demonstrated with the design of a tunable LNA (Low Noise Amplifier). As the first element of the receiver chain, the LNA limits the receiver in terms of sensitivity and is therefore a good candidate to perform reconfiguration. The body biasing of the FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) technology is first exploited to reduce the power consumption of a circuit and then as an opportunity to perform circuit tunability., La pénétration importante d’objets communicants dans notre vie quotidienne révèle des défis important quant à leur développement. Notamment l’explosion d'applications multimédia sans fil pour l'électronique grand public fait de la consommation électrique une métrique clef dans la conception des dispositifs portables multimodes sans fil. Les émetteurs-récepteurs conventionnels proposent des performances fixes et sont conçus pour respecter ces hautes performances dans toutes les conditions de communication sans fil. Cependant, la plupart du temps, le canal n'est pas dans le pire cas de communication et ces émetteurs-récepteurs sont donc surdimensionnés. En connaissant l’état du canal en temps réel, de tels dispositifs pourraient s'adapter aux besoins et réduire significativement leur consommation électrique. Le défi consiste à respecter la Qualité de Service , ou Quality of Service (QoS) en anglais, imposée par les différents standards de communication. Afin de rester compétitifs, les émetteurs-récepteurs adaptatifs doivent donc proposer une même QoS que ceux déjà disponibles sur le marché. Ainsi, ni la portée de communication ni le temps de réponse ne peuvent être dégradés.Basé sur ces exigences, cette thèse propose une technique d'adaptation pour la conception d'un récepteur reconfigurable qui fonctionne à la limite des performances nécessaires pour recevoir le signal utile. Ainsi, le récepteur proposé est toujours au minimum de consommation électrique tout en garantissant la bonne QoS. Ceci permet alors de multiplier la durée de vie de sa batterie par un facteur 5.Cette adaptabilité est démontrée ensuite côté circuit par la conception d'un LNA (Amplificateur Faible Bruit) dont les performances sont reconfigurables. En effet, en tant que premier élément de la chaîne de réception, le LNA limite le récepteur en termes de sensibilité. Ces travaux exploitent la technologie FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) pour d’une part, réduire la consommation du LNA et d’autre part, ajouter de la reconfigurabilité à ce même circuit.

The research of this thesis focuses on the application of the Operations Research (OR)methodology to design new optimization algorithms to enable low cost and efficient embeddedvision systems, or more generally devices for multimedia applications such as signal and imageprocessing.The design of embedded vision systems faces the “Memory Wall” challenge regarding thehigh latency of memories holding big image data. For the case of non-linear image accesses, onesolution has been proposed by Mancini et al. (Proc. DATE 2012) in the form of a software tool,called Memory Management Optimization (MMOpt), that creates an ad-hoc memory hierarchiesfor such a treatment. It creates a circuit called a Tile Processing Unit (TPU) that containsthe circuit for the treatment. In this context, we address the optimization challenge set by theefficient operation of the circuits produced by MMOpt to enhance the 3 main electronic designcharacteristics. They correspond to the energy consumption, performance and size/productioncost of the circuit.This electronic problem is formalized as a 3-objective scheduling problem, which is called3-objective Process Scheduling and Data Prefetching Problem (3-PSDPP), reflecting the 3 mainelectronic design characteristics under consideration. To the best of our knowledge, this problemhas not been studied before in the OR literature. A review of the state of the art, including theprevious work proposed by Mancini et al. (Proc.DATE, 2012) as well as a brief overview onrelated problems found in the OR literature, is then made. In addition, the complexity of someof the mono-objective sub-problems of 3-PSDPP problem is established. Several resolutionapproaches, including exact methods (ILP) and polynomial constructive heuristics, are thenproposed. Finally, the performance of these methods is compared, on benchmarks available inthe literature, as well as those provided by Mancini et al. (Proc.DATE, 2012), against the onecurrently in use in the MMOpt tool.The results show that our algorithms perform well in terms of computational efficiency andsolution quality. They present a promising track to optimize the performance of the TPUs producedby MMOpt. However, since the user’s needs of the MMOpt tool are contradictory, such aslow cost, low energy and high performance, it is difficult to find a unique and optimal solutionto optimize simultaneously the three criteria under consideration. A set of good compromisesolutions between these three criteria was provided. The MMOpt’s user can then choose thebest compromise solution he wants or needs., Les recherches de cette thèse portent sur la mise en oeuvre des méthodes de la rechercheopérationnelle (RO) pour la conception de circuits numériques dans le domaine du traitementdu signal et de l’image, plus spécifiquement pour des applications multimédia et de visionembarquée.Face à la problématique de “Memory Wall”, les concepteurs de systèmes de vision embarquée,Mancini et al. (Proc.DATE, 2012), ont proposé un générateur de hiérarchies mémoiresad-hoc dénommé Memory Management Optimization (MMOpt). Cet atelier de conception estdestiné aux traitements non-linéaires afin d’optimiser la gestion des accès mémoires de cestraitements. Dans le cadre de l’outil MMOpt, nous abordons la problématique d’optimisationliée au fonctionnement efficace des circuits de traitement d’image générés par MMOpt visantl’amélioration des enjeux de performance (contrainte temps-réel), de consommation d’énergieet de coût de production (contrainte d’encombrement).Ce problème électronique a été modélisé comme un problème d’ordonnancement multiobjectif,appelé 3-objective Process Scheduling and Data Prefetching Problem (3-PSDPP), reflétantles 3 principaux enjeux électroniques considérés. À notre connaissance, ce problème n’apas été étudié avant dans la littérature de RO. Une revue de l’état de l’art sur les principaux travauxliés à cette thèse, y compris les travaux antérieurs proposés par Mancini et al. (Proc.DATE,2012) ainsi qu’un bref aperçu sur des problèmes voisins trouvés dans la littérature de RO,a ensuite été faite. En outre, la complexité de certaines variantes mono-objectif du problèmed’origine 3-PSDPP a été établie. Des approches de résolution, y compris les méthodes exactes(PLNE) et les heuristiques constructives, sont alors proposées. Enfin, la performance de cesméthodes a été comparée par rapport à l’algorithme actuellement utilisé dans l’outil MMOpt,sur des benchmarks disponibles dans la littérature ainsi que ceux fournis par Mancini et al.(Proc.DATE, 2012).Les solutions obtenues sont de très bonne qualité et présentent une piste prometteuse pouroptimiser les performances des hiérarchies mémoires produites par MMOpt. En revanche, vuque les besoins de l’utilisateur de l’outil sont contradictoires, il est impossible de parler d’unesolution unique en optimisant simultanément les trois critères considérés. Un ensemble debonnes solutions de compromis entre ces trois critères a été fourni. L’utilisateur de l’outilMMOpt peut alors décider de la solution qui lui est la mieux adaptée.

International audience; This work presents the analyses of single event transients and functional interrupts measured on two designs of readout integrated circuit under a heavy ions beam cooled down at cryogenic temperatures. The analysis of the multiplicity of SETs in the pixel arrays is completed by means of the SEE prediction tool, MUSCA SEP3.

After a a brief recall of the context this research work have been carried, the 1st chapter present the common analog to digital converters (ADC) characteristics with their figures of merit (FoM). A relevant state of the art on realized ADC architectures is presented. A particular emphasis has been done on 180 nm CMOS process node. This preliminary work gives a pertinent overview of the faced challenge. Multi step analog sampling architectures have been avoided from the study because of the transistors limited frequency performances. Chapter 2 presents the different implementations of the Flash digital sampling ADC family architecture. The TIQ architecture embedding in the 180 nm CMOS process are detailed in this chapter. Chapter 3 details the study and the design of an other digital sampling ADC family architecture on 180 nm CMOS process i.e. the signal folding architecture. This 1st part of the document conclude with the choice of the Flash ADC architecture. The building bloc design for this ADC are detailed in the following chapters constituting the part II. Chapter 4 is dedicated to the study and the design on 180 nm CMOS process of the latch comparator responsible of the 2 GHz sampling constraint of the overall ADC. As the retained comparator architecture input refereed non linearity defined the gain constraints of the preamplifier stage, the preamplifier is presented in the next chapter. Chapter 5 present the different characteristics and techniques of the quantifier stage. The comparator preamplifier stage with its different actives loads, its passive full differential transposition and the retained architecture are detailed. The QV technique and its embedding in the retained preamplifier architecture are presented. The thermometric 1 to binary encoder tree is presented in chapter 6. Two implementations of this encoding are studied and design on the Front-End (FE) level. The 1st one is a pipelined Wallace tree realized with a register transfer level (RTL) code on VHDL hardware description language. The synthesis flow on CMOS pull-up pull-down 2 combinatorial logic and rising edge flip flops are used for this architecture. The other architecture is designed using 1 bits multiplexers combinatorial pipelined with pass gated D latches with a full custom schematic implementation. Chapter 7 presents the limitations and the embedding of the interpolation with the retained preamplifier and comparator latch. The study of common drain source follower (CDSF) pairs insertion, mandatory for the biasing of the preamplifier input stage to reach the 8 bits resolution is studied with details. Finally, Monte Carlo sampling mismatch 3 analysis on the resistor references are studied by comparing different topologies and sizing. The overall ADC synoptic is presented with the retained cells and techniques. The bottom-up design approach, mandatory for analog and full-custom design, exposed in this 2nd part conclude on the choice to design a proof of concept ASIC (BuBlC1) including all the critical piece of circuits of the overall ADC with added value and potentially critical for signal conversion. The top-down approach for this ASIC design is detailed in the IIIrd part with the overall ASIC synoptic of the BuBlC1 ASIC sent to multi project wafer (MPW) foundry run integrating all the critical cells.The FE design of this ASIC with its clock tree and its input/output PAD are presented in chapter 8. The Back-End design with the retained cells layout in part II with the cells integration in clusters are presented in chapter 9 with the pad-ring and final integration in digital and analog macro-cells cores.; Après un rappel du contexte dans lequel ce travail de recherche a été conduit, le 1er chapitre présente les caractéristiques communes aux convertisseurs analogiques numériques (ADC) avec leurs figures de mérites. Un état de l’art exhaustif sur les ADC réalisés et plus particulièrement avec le nœud technologique CMOS 1 180 nm y est présenté. Ce travail préliminaire permet de donner un aperçu du défi relevé. Les architectures multi-étapes à échantillonnage analogique ont été éliminées de l’étude du fait des limitations de la technologie pour les contraintes de performances de l’ADC. Le chapitre 2 présente plus en détail les différentes implémentations possibles d’une famille d’ADC à échantillonnage numérique, les flash. Le portage de l’architecture TIQ est détaillé dans ce chapitre. Le chapitre 3 détaille l’étude et le portage en CMOS 180 nm des ADC à échantillonnage numérique à repliement de signal. Cette première partie conclut par le choix de l’architecture flash. La conception des briques de bases de l’ADC flash est détaillée dans les chapitres constituant la partie II du document. Le chapitre 4 est dédié à l’étude et au portage en CMOS 180 nm des étages de comparateurs latchés responsables de l’échantillonnage à 2 GHz de l’ADC flash. La non linéarité ramenée en entrée de l’architecture retenue ayant défini les contraintes sur l’étage de pré-amplification, celui ci est présenté dans le chapitre 5. Le chapitre 5, présente les différentes charges actives étudiées pour l’étage de pré-amplification. Le passage en différentiel passif avec le comparateur full différentiel et l’architecture retenue y sont détaillés. La technique du QV et son portage sur l’architecture de préamplificateur retenu sont présentés. Le décodeur thermométrique 2 binaire est présenté dans le chapitre 6. Deux implémentations de cette logique de décodage sont étudiées et portées. L’une est réalisée à partir d’un code de description matériel (VHDL) et la synthèse de cellules numériques en logique CMOS pull-up pull-down 3 . L’autre est réalisé à partir de multiplexeurs 1 bit et des flip flop à verrou en logique Pass gates complémentaire. Le chapitre 7 présente les limitations et l’implémentation de l’interpolation avec l’emploi des pré-amplificateurs et du comparateur latché retenus. L’étude de l’insertion de paires de suiveurs en drain commun, nécessaire à la polarisation des étages de pré-amplification y est présentée. Enfin, les analyses de tirage de Monte Carlo en mismatch 4 des résistances comme échelle de références sont comparées pour différents dimensionnements et topologies. Le synoptique global de l’ADC est présenté avec les cellules et techniques retenues. L’approche bottom-up incontournable pour la conception de circuits analogiques ou full custom présentée dans cette deuxième partie conclut sur le choix de concevoir un ASIC de preuve de concept. Ce dernier contient ainsi les briques de bases ayant une valeur ajoutée et potentiellement critiques pour la conversion de signaux. L’approche Top-down pour la conception est ainsi détaillée dans la 3e partie en partant du synoptique global de l’ASIC de preuve de concept envoyé en fonderie de circuit multi projet BuBlC1. contenant les cellules critiques à tester. La conception front-end de l’ASIC BuBlC1 avec notamment l’arbre d’horloge et les pads d’entrées sorties est présentée dans le chapitre 8. La phase de back-end avec les layouts des cellules retenues dans la partie II ainsi que leur intégration dans des ensembles (clusters) est présentée dans le chapitre 9 avec le padring et l’intégration finale des macro-ensembles (Cores analogiques et numériques).

The purpose of this manuscript is to exhibit the research work solving the issue of data processing stem from defect localization techniques. This step being decisive in the failure analysis process, scientists have to harness data coming from light emission and laser techniques. Nevertheless, this analysis process is sequential and only depends on the expert’s decision. This factor leads to a not quantified probability of localization. Consequently to solve these issues, a multimodal and multicriteria analysis has been developped, taking advantage of the heterogeneous andcomplementary nature of light emission and laser probing techniques. This kind of process is based on advanced level tools such as signal/image processing and data fusion. The final aim being to provide a quantitive and qualitative decision help for the experts.The first part of this manuscript is dedicated to the description of the entire process for 1D and 2D data enhancement. Thereafter, the spatio-temporal analysis of laser probing waveforms will be tackled. Finally, the last part highlights the decision support brought by data fusion., Ce manuscrit de thèse illustre l’ensemble des travaux de recherche répondant aux problématiques de traitement des données issues des techniques de localisation de défauts. Cette phase de localisation étant une étape déterminante dans le processus d’analyse de défaillances des circuits submicroniques, il est primordial que l’analyste exploite les résultats de l’émission de lumière et du sondage laser. Cependant, ce procédé d’expertise reste séquentiel et dépend uniquement du jugement de l’expert. Cela induit une probabilité de localisation non quantifiée. Afin de pallier cesdifférents défis, nous avons développé tout au long de cette thèse, une méthodologie d’analyse multimodale et multicritères exploitant le caractère hétérogène et complémentaire des techniques d’émission de lumière et de sondage laser. Ce type d’analyse reposera sur des outils de haut niveau tels que le traitement du signal et la fusion de données, pour au final apporter une aide décisionnelle à l’expert à la fois qualitative et quantitative.Dans un premier temps, nous détaillerons l’ensemble des traitements utilisés en post-acquisition pour l’amélioration des données 1D et 2D. Par la suite, l’analyse spatio-temporelle des données en sondage laser sera explicitée. L’aide décisionnelle fera l’objet de la dernière partie de ce manuscrit, illustrant la méthode de fusion de données utilisée ainsi que des résultats de validation.

Miniaturization of electronic circuits continues nowadays with the more recent technology nodes being applied to diverse fields of application such as automotive. Very dense and small integrated circuits are interesting for economic reasons, because they are cheaper to manufacture in mass and can pack more functionalities with elevated performances. The counterpart of size reduction is integrated circuits becoming more fragile electrically. In the automotive world, the new trend of fully autonomous driving is seeing tremendous progress recently. Autonomous vehicles must take decisions and perform critical actions such as braking or steering the wheel. Those decisions are taken by electronic modules, that have now very high responsibilities with regards of our safety. It is important to ensure that those modules will operate no matter the kind of disturbances they can be exposed to. The automotive world is a quite harsh environment for electronic systems. A major source of electrical stress is called the Electrostatic Discharge (ESD). It is a very sudden flow of electricity of large amplitude capable of destroying electronic components, or disturb them during their normal operation. This research focuses on functional failures where functionality can be temporarily lost after an ESD with various impact on the vehicle. To guarantee before manufacturing that a module and its components will perform their duty correctly, new analysis and prediction methods are required against soft-failures caused by electrostatic discharges. In this research, different approaches have been explored and proposed towards that goal. First, a modelling method for reproducing the ESD waveforms from the test generator up to the integrated circuit input is presented. It is based on a hierarchical approach where each element of the system is modelled individually, then added to the complete setup model. A practical case of functional failure at silicon-level is analyzed using simulation tools. To acquire more data on this fault, a testchip has been designed. It contains on-chip monitoring structures to measure voltage and current, and monitor function behavior directly at silicon-level. The last part of this research details different analysis methods developed for identifying efficiently functional weaknesses. The methods rely heavily on simulation tools, and prototypes have been implemented to prove the initial concepts. The first method models each function inside the chip individually, using behavioral models, then enables to connect the models together to deduce the full function's robustness. It enables hierarchical analysis of complex integrated circuit designs, to identify potential weak spots inside the circuit that could require more shielding or protection. The second method is focused on constructing equivalent electrical black box models of integrated circuit functions. The goal is to model the IC with a behavioral, black-box model capable of reproducing waveforms in powered conditions during the ESD. In summary, this research work has led to the development of several hardware and software prototypes. It has also highlighted important modelling challenges to solve in future works to achieve better functional robustness against electrostatic discharges.; La miniaturisation des circuits intégrés se poursuit de nos jours avec le développement de technologies toujours plus fines et denses. Elle permet une intégration des circuits toujours plus massive, avec des performances plus élevées et une réduction des coûts de production. La réduction de taille des circuits s'accompagne aussi d'une augmentation de leur sensibilité électrique. L'électronique automobile est un acteur majeur dans la nouvelle tendance des véhicules autonomes. Ce type d'application a besoin d'analyser des données et d'appliquer des actions sur le véhicule en temps réel. L'objectif à terme est d'améliorer la sécurité des usagers. Il est donc vital de garantir que ces modules électroniques pourront effectuer leurs tâches correctement malgré toutes les perturbations auxquelles ils seront exposés. Néanmoins, l'environnement automobile est particulièrement sévère pour l'électronique. Parmi tous les stress rencontrés, les décharges électrostatiques (ESD - Electrostatic Discharge) sont une importante source d'agression électrique. Ce type d'évènement très bref est suffisamment violent pour détruire des composants électroniques ou les perturber pendant leur fonctionnement. Les recherches présentées ici se concentrent sur l'analyse des défaillances fonctionnelles. À cause des ESD, des fonctions électroniques peuvent cesser temporairement d'être opérantes. Des méthodes d'analyse et de prédiction sont requises au niveau-circuit intégré afin de détecter des points de faiblesses susceptibles de générer des fautes fonctionnelles pendant l'exposition à un stress électrostatique. Différentes approches ont été proposées dans ce but. Une méthode hiérarchique de modélisation a été mise au point afin d'être capable de reproduire la forme d'onde ESD jusqu'à l'entrée du circuit intégré. Avec cette approche, chaque élément du système est modélisé individuellement puis son modèle ajouté au schéma complet. Un cas d'étude réaliste de défaillance fonctionnelle d'un circuit intégré a été analysé à l'aide d'outils de simulation. Afin d'obtenir plus de données sur cette faute, une puce de test a été développée, contenant des structures de surveillance et de mesure directement intégrées dans la puce. La dernière partie de ce travail de recherche est concentrée sur le développement de méthodes d'analyse dans le but d'identifier efficacement des fautes par simulation. Une des techniques développées consiste à modéliser chaque bloc d'une fonction individuellement puis permet de chaîner ces modèles afin de déterminer la robustesse de la fonction complète. La deuxième méthode tente de construire un modèle équivalent dit boite-noire d'une fonction de haut-niveau d'un circuit intégré. Ces travaux de recherche ont mené à la mise au point de prototypes matériels et logiciels et à la mise en évidence de points bloquants qui pourront constituer une base pour de futurs travaux.

For nearly half a century, the microelectronics industry has flourished based on the scaling of the silicon CMOS transistor technology. However, the race to transistor miniaturization encounters inevitable physical barriers. Thus, many technological works are under way for the realization of future transistors on emerging and advanced technologies. These technologies, notably the graphene and the CMOS FD-SOI, represent great opportunities for research in the fields of microelectronics, and especially for the design of radiofrequency and millimeter circuits. Besides, with the rising evolution of wireless devices and services, researchers are intensively working on the fifth generation (5G) wireless systems. The demand for high speed data and the need for more spectrum, have motivated the use of millimeter wave carrier frequencies. Therefore, the 5G research is faced with an evolving set of challenges. One of the major challenges of the next generation communication technology is reducing energy consumption. In fact, the power efficiency is directly related to the reliability and cost of the communication systems. It is widely known that the radiofrequency power amplifier is the most power consuming component in the radio transceivers, and is also one of the most critical building blocks in radio front-end. Therefore, research in this area is crucial for next generation communication systems. Consequently, the objective of this thesis is to study and design power amplifiers on emerging and advanced technologies for 5G applications., Depuis près d'un demi-siècle, l'industrie de la microélectronique a prospéré grâce à la miniaturisation des transistors Si CMOS. Cependant, la course à la miniaturisation se heurtera dans les prochaines années à des barrières physiques incontournables. Ainsi, de nombreux travaux technologiques sont en cours de réalisation sur les technologies émergentes et avancées. Ces technologies, notamment le graphène et la CMOS FD-SOI, représentent de grandes opportunités dans le domaine de la microélectronique, et notamment pour la conception de circuits radiofréquences et millimétriques. En outre, avec l'évolution croissante des objets et services connectés, les chercheurs travaillent intensivement sur les systèmes sans fil de cinquième génération (5G). La demande de débit de donnés et le besoin de spectre ont motivé l'utilisation de fréquences millimétriques. Par conséquent, la recherche 5G est confrontée par un ensemble de défis. L'un des défis majeurs de la 5G est la réduction de la consommation d'énergie. En fait, l'efficacité énergétique est directement liée à la fiabilité et au coût des systèmes de communication. L'amplificateur de puissance est l’élément le plus consommateur d'énergie, et l'un des blocs les plus critiques des émetteurs-récepteurs radio. Ainsi, la recherche dans ce domaine est cruciale pour les systèmes de communication de la prochaine génération. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est d'étudier et de concevoir des amplificateurs de puissance sur les technologies émergentes et avancées pour les applications 5G.

The purpose of this manuscript is to exhibit the research work solving the issue of data processing stem from defect localization techniques. This step being decisive in the failure analysis process, scientists have to harness data coming from light emission and laser techniques. Nevertheless, this analysis process is sequential and only depends on the expert’s decision. This factor leads to a not quantified probability of localization. Consequently to solve these issues, a multimodal and multicriteria analysis has been developped, taking advantage of the heterogeneous andcomplementary nature of light emission and laser probing techniques. This kind of process is based on advanced level tools such as signal/image processing and data fusion. The final aim being to provide a quantitive and qualitative decision help for the experts.The first part of this manuscript is dedicated to the description of the entire process for 1D and 2D data enhancement. Thereafter, the spatio-temporal analysis of laser probing waveforms will be tackled. Finally, the last part highlights the decision support brought by data fusion., Ce manuscrit de thèse illustre l’ensemble des travaux de recherche répondant aux problématiques de traitement des données issues des techniques de localisation de défauts. Cette phase de localisation étant une étape déterminante dans le processus d’analyse de défaillances des circuits submicroniques, il est primordial que l’analyste exploite les résultats de l’émission de lumière et du sondage laser. Cependant, ce procédé d’expertise reste séquentiel et dépend uniquement du jugement de l’expert. Cela induit une probabilité de localisation non quantifiée. Afin de pallier cesdifférents défis, nous avons développé tout au long de cette thèse, une méthodologie d’analyse multimodale et multicritères exploitant le caractère hétérogène et complémentaire des techniques d’émission de lumière et de sondage laser. Ce type d’analyse reposera sur des outils de haut niveau tels que le traitement du signal et la fusion de données, pour au final apporter une aide décisionnelle à l’expert à la fois qualitative et quantitative.Dans un premier temps, nous détaillerons l’ensemble des traitements utilisés en post-acquisition pour l’amélioration des données 1D et 2D. Par la suite, l’analyse spatio-temporelle des données en sondage laser sera explicitée. L’aide décisionnelle fera l’objet de la dernière partie de ce manuscrit, illustrant la méthode de fusion de données utilisée ainsi que des résultats de validation.

In order to reduce the production costs of integrated circuits (ICs), outsourcing the fabrication process has become a major trend in the Integrated Circuits (ICs) industry. As an inevitable unwanted side effect, this outsourcing business model increases threats to hardware products. This process raises the issue of un-trusted foundries in which, circuit descriptions can be manipulated with the aim to possibly insert malicious circuitry or alterations, referred to as Hardware Trojan Horses (HTHs). This motivates semiconductor industries and researchers to study and investigate solutions for detecting during testing and prevent during fabrication, HTH insertion.However, considering the stealthy nature of HTs, it is quite impossible to detect them with conventional testing or even with random patterns. This motivates us to make some contributions in this thesis by proposing solutions to detect and prevent HTH after fabrication (during testing).The proposed methods help to detect HTH as well during testing as during normal mode(run-time), and they are logic testing based.Furthermore, we propose prevention methods, which are also logic testing based, in order tomake harder or quasi impossible the insertion of HTH both in netlist and layout levels.; Pour réduire le coût des Circuits Intégrés (CIs), les entreprises de conception se tournent de plus en plus vers des fonderies basées dans des pays à faible coût de production (outsourcing). Cela a pour effet d’augmenter les menaces sur les circuits. En effet, pendant la fabrication,le CI peut être altéré avec l’insertion d’un circuit malicieux, appelé cheval de Troie Matériel (CTM). Ceci amène les vendeurs de CI à protéger leurs produits d’une potentielle insertion d’un CTM, mais également, d’en assurer l’authenticité après fabrication (pendant la phase de test).Cependant, les CTMs étant furtifs par nature, il est très difficile, voire impossible de les détecter avec les méthodes de test conventionnel, et encore moins avec des vecteurs de test aléatoires. C’est pourquoi nous proposons dans le cadre de cette thèse, des méthodes permettant de détecter et de prévenir l’insertion de CTM dans les CIs pendant leur fabrication.Ces méthodes utilisent des approches orientées test logique pour la détection de CTM aussi bien en phase de test (après fabrication du CI) qu’en fonctionnement normal (run-time).De plus, nous proposons des méthodes de prévention qui elles aussi s’appuient sur des principes de test logique pour rendre difficile, voire impossible l’insertion de CTM aussi bien au niveau netlist qu’au niveau layout.

Due to the trend to outsourcing semiconductor manufacturing, the integrity of integrated circuits (ICs) became a hot topic. The two mains threats are hardware Trojan (HT) and counterfeits. The main limit of the integrity verification techniques proposed so far is that the bias, induced by the process variations, restricts their efficiency and practicality. In this thesis we aim to detect HTs and counterfeits in a fully embedded way. To that end we first characterize the impact of malicious insertions on a network of sensors. The measurements are done using a network of Ring oscillators. The malicious adding of logic gates (Hardware Trojan) or the modification of the implementation of a different design (counterfeits) will modify the voltage distribution within the IC.Based on these results we present an on-chip detection method for verifying the integrity of ICs. We propose a novel approach which in practice eliminates this limit of process variation bias by making the assumption that IC infection is done at a lot level. We introduce a new variation model for the performance of CMOS structures. This model is used to create signatures of lots which are independent of the process variations. A new distinguisher has been proposed to evaluate whether an IC is infected. This distinguisher allows automatically setting a decision making threshold that is adapted to the measurement quality and the process variation. The goal of this distinguisher is to reach a 100\% success rate within the set of covered HTs family. All the results have been experientially validated and characterized on a set of FPGA prototyping boards., Avec la mondialisation du marché des semi-conducteurs, l'intégrité des circuits intégrés (CI) est devenue préoccupante... On distingue deux menaces principales : les chevaux de Troie matériel (CTM) et les contrefaçons. La principale limite des méthodes de vérification de l’intégrité proposées jusqu'à maintenant est le biais induit par les variations des procédés de fabrication. Cette thèse a pour but de proposer une méthode de détection embarquée de détection de CTM et de contrefaçons. À cette fin, une caractérisation de l'impact des modifications malveillantes sur un réseau de capteurs embarqué a été effectuée. L'addition malicieuse de portes logiques (CTM) ou la modification de l'implémentation du circuit (contrefaçons) modifie la distribution de la tension à la l'intérieur du circuit. Une nouvelle approche est proposée afin d'éliminer l'influence des variations des procédés. Nous posons que pour des raisons de cout et de faisabilité, une infection est faite à l'échelle d'un lot de production. Un nouveau modèle de variation de performance temporelle des structures CMOS en condition de design réel est introduit. Ce modèle est utilisé pour créer des signatures de lots indépendantes des variations de procédé et utilisé pour définir une méthode permettant de détecter les CTMs et les contrefaçons.Enfin nous proposons un nouveau distingueur permettant de déterminer, avec un taux de succès de 100%, si un CI est infecté ou non. Ce distingueur permet de placer automatiquement un seuil de décision adapté à la qualité des mesures et aux variations de procédés. Les résultats ont été expérimentalement validés sur un lot de cartes de prototypage FPGA.

For the thermomechanical stress assessment in silicon, piezoresistive sensors (in rosette) composed of 4nMOS and 4pMOS were developed and embedded into microelectronic products.The characteristic relations between piezoresistive, electrical and mechanical quantities were established.Piezoresistive quantities were identified thanks to a four-points bending calibration machine. This machine was designed and fabricated in the frame of this PhD and enables applying a known uniform uniaxial stress into silicon sample and then calculating the three piezoresistive coefficients.The sensors embedded into different technologies such as CMOS65, BiCMOS55, CMOS40, BSI140 and PIC25 were calibrated with this machine.These MOS sensors were used for studying stresses induced by TSV (CMOS65 technology), by packaging with 3D stacking (CMOS65 technology) and 2D stacking (BiCMOS55 technology).The results give stress components (σyy, σzz) which are not in a good agreement with simulation results. Electrical responses of the MOS oriented at 90° ([010] direction with respect to the x axis ([100] direction)) are questioned because the coefficients (π12) obtained from this MOS acts directly on the two components.In addition, stress variations in sensors area, as well as inter-chips and inter-wafers variabilities disturb the results.Integrated into the same test chip of the CMOS40 technology, different structures were studied, namely the MOS transistors, the bandgap structure and the poly-Si resistances which were also calibrated.For this technology, a study of thermomechanical stress induced by packaging revealed a significant impact on the output responses (MOS mobility, bandgap voltage). Through a minimization parametric study, this impact was reduced by controlling the geometrical dimensions of components and the material properties of the moulding compound.These results show that, MOS rosettes can be used as stress sensors but with a limited efficiency. The use of active resistances as stress sensors is therefore envisaged. However, these MOS can be used to study the impact of stresses on the chip operation.; Pour la détermination des contraintes thermomécaniques au niveau du silicium, les capteurs piézorésistifs (en rosette) composés de 4nMOS et 4pMOS ont été développés et embarqués dans des produits de la microélectronique.Les relations caractéristiques liant les grandeurs piézorésistives, électriques et mécaniques ont été établies.La détermination des grandeurs piézorésistives nécessite un test de calibration effectué ici à l’aide d’une machine de flexion quatre-points. Cette machine a été conçue et fabriquée dans le cadre de cette thèse et permet d’appliquer une contrainte uniforme uni-axiale dans l’échantillon de silicium et de déterminer ainsi les trois coefficients piézorésistifs.Les capteurs intégrés sur différentes technologies telles que CMOS65, BiCMOS55, CMOS40, BSI140 et PIC25 ont été calibrés avec cette machine.Ces capteurs MOS ont été utilisés dans les cas d’études des contraintes induites par le TSV (technologie CMOS65), par la mise en boitier avec un empilement 3D (technologie CMOS65) et un empilement 2D (technologie BiCMOS55).Les résultats donnent des composantes de contraintes (σyy, σzz) qui ne sont pas en bonne corrélation avec les résultats de simulations. Les réponses électriques des MOS orientés à 90° (direction [010]) par rapport à l’axe des x (direction [100]) sont mises en question, car le coefficient (π12) obtenu à partir de ce MOS agit directement sur les deux composantes de contraintes.D’autre part, les variations de contraintes dans la zone des capteurs, les variabilités inter-puces et inter-plaques perturbent les résultats.Intégrées dans la même structure de test de la technologie CMOS40, différents composants ont été étudiés, notamment les transistors MOS rosette, la structure bandgap et les résistances poly-Si qui ont aussi été calibrés.Une étude de la contrainte thermomécanique induite par la mise en boitier de cette technologie a révélé un fort impact sur les réponses de sortie (mobilité des MOS, tension bandgap).Par une étude de minimisation paramétrique, cet impact a été réduit en agissant sur les dimensions géométriques des constituants et les propriétés matériaux de la résine de moulage.Ces résultats montrent que les MOS en rosette peuvent être utilisés comme capteurs de contraintes mais avec une efficacité limitée. L’utilisation des résistances actives comme capteurs de contraintes est donc envisageable. Par contre, ces MOS peuvent être utilisés pour déterminer l’impact des contraintes sur le fonctionnement de la puce.

Nowadays, more and more microelectronic circuits are used for critical purposes, such as payment or identification. Then those circuit sparked interest form attackers. Among the different ways to retrieve the cipher key, laser illumination is a very efficient one. Thereby, the protection of the circuit against these attacks becomes an important point for designers. However, to determine the resistance of a circuit against laser injection, laser illumination has to be performed. If the circuit do not match the security requirement, it has to be changed, which represent a large cost in terms of design time and fabrication cost. In order to predict the effect of a laser injection, electrical model and simulator have been developed.First, a description of the physical phenomenon (photoelectric effect), which leads to the fault injection in the circuit, is given. Then a description of the first electrical model developed using current sources to model the illumination effect.Then, a practical attack is performed on a crypto processor implanting the AES algorithm. This experimentation allows us to compare the two ways of laser injections, injection from the front side or the back side of the circuit. It comes out that the best way of injection depends on the circuit aimed and the laser bench at disposal of the attacker. Indeed, on the studied circuit, better exploitable fault can be injected, from the front side injection with a large laser spot than from the back side with the same laser spot size. This result can be explained by the effect of the metal lines above the circuit, which reduce the area of illuminated silicon.We discuss then about the validity of the electrical model for more recent technology nodes. Thus a new electrical model is developed for more recent CMOS bulk and Fully Depleted Silicon On Insulator (FDSOI) technologies. From its transistor structure, the CMOS FDSOI technology seems to be more resistant to laser injection than the CMOS bulk technology. This observation is confirmed by experimentation.Finally, we perform laser injection on a memory element (here a flip-flop chain). These experimentations show that even if the CMOS FDSOI technology seems to be more resistant, fault can be injected. With a one micro meter laser spot, the attacker can inject the wanted fault type in the flip-flop (bit set or bit reset) on 28nm CMOS bulk and FDSOI technologies. Even if, the fault injection is still possible, from the attacker point of view, fault injection is more difficult in a circuit using the CMOS 28nm FDSOI technology than the CMOS 28nm bulk one. Indeed, the gap between the fault injection threshold and the breaking threshold is narrower for the FDSOI than the bulk. Moreover, a breaking phenomenon has been observed in the FDSOI technology when multiple laser shot are performed in the same place.To conclude, the previous work allows updating and developed a new electrical model for the recent CMOS bulk and FDSOI technology under illumination, to compare those technologies against laser illumination. It comes out, that even if fault injection is possible for both technologies, the practical attack is more difficult to achieve on a CMOS FDSOI circuit.; De nos jours, de plus en plus de circuits électroniques sont utilisés pour des usages critiques, tels le paiement ou l’identification. Ces circuits peuvent ainsi susciter l’intérêt de personnes malveillantes. Parmi toutes les méthodes permettant d’obtenir les clés de chiffrement, l’illumination du circuit à l'aide d'un laser est une des méthodes particulièrement efficace. Il est donc important de pouvoir prémunir les circuits sécurisés de ces attaques. Cependant, afin de tester la résistance du circuit face à l’injection laser, il est nécessaire de réaliser des injections sur celui-ci. Si le circuit ne correspond pas aux exigences sécuritaires, il est donc nécessaire de le modifier, ce qui induit un coût important en termes de temps de conception et de coût de fabrication. Afin de prédire l’effet de l’illumination laser et donc éviter ce surcoût, des simulateurs et des modèles électriques modélisant l’effet d’une illumination laser ont été développé.Dans un premier temps, nous décrivons le phénomène physique lié à l’injection laser (effet photoélectrique) qui conduit à la génération de faute dans le circuit. Puis nous donnons une description des premiers modèles électriques de simulation d’injection laser, utilisant des sources de courant afin de représenter l’effet de l’illumination dans le silicium.Ensuite, nous présentons une mise en pratique d’attaques sur un crypto processeur implémentant un AES 128. Cette expérience a permis de comparer les deux méthodes d’injections possibles avec un laser, l’injection par la face avant et par la face arrière. Il ressort de cette comparaison que la cible et le matériel d’injection à disposition sont un élément important dans le choix de la méthode d’injection. En effet, il est possible pour certains circuit d’obtenir plus de fautes exploitables (mono-bit ou mono-octet) en injectant par la face avant avec un faisceau large que par la face arrière avec un faisceau aussi large. Cet effet s’explique par un filtrage des lignes de métaux, présentes au-dessus du silicium, qui ont pour effet de réduire la zone de silicium illuminée.Nous nous intéressons ensuite à la validité des modèles électriques d’injection laser pour les technologies les plus récentes. Nous avons donc développé des nouveaux modèles sur les technologies bulk et CMOS Fully Depleted Silicon On Insulator (FDSOI). De par sa structure, le transistor CMOS FDSOI semble à priori plus résistant à l’injection laser que le transistor CMOS bulk. Cette observation est validée par l’expérience.Finalement, nous réalisons des injections sur un élément de mémorisation (chaîne de bascules DFF). Ces expériences ont montré que malgré la plus grande résistance d’une technologie CMOS FDSOI très récentes, il est possible d’injecter des fautes dans les bascules. Avec un faisceau laser d’un micromètre, pour cette bascule, il est même possible suivant la zone d’injection de choisir le type de faute injectée. Malgré le fait que l’injection soit toujours possible pour ces technologies, la technologie CMOS FDSOI est plus résistante car la différence entre le seuil énergétique d’injection de faute et de casse est plus faible et aussi par l’effet d’une « casse » lors de plusieurs injections successives.En conclusion, les travaux précédents ont permis de mettre à jour et de développer de nouveaux modèles électriques d’injection laser pour des technologies CMOS bulk et FDSOI très récentes et de comparer ces deux technologies face à l’injection laser. Il en ressort que malgré une injection de faute encore possible pour ces deux technologies, l’injection est plus difficile lorsque le circuit est implanté en technologie CMOS FDSOI.

Many aspects of our current life rely on the exchange of data through electronic media. Powerful encryption algorithms guarantee the security, privacy and authentication of these exchanges. Nevertheless, those algorithms are implemented in electronic devices that may be the target of attacks despite their proven robustness. Several means of attacking integrated circuits are reported in the literature (for instance analysis of the correlation between the processed data and power consumption). Among them, laser illumination of the device has been reported to be one important and effective mean to perform attacks. The principle is to illuminate the circuit by mean of a laser and then to induce an erroneous behavior.For instance, in so-called Differential Fault Analysis (DFA), an attacker can deduce the secret key used in the crypto-algorithms by comparing the faulty result and the correct one. Other types of attacks exist, also based on fault injection but not requiring a differential analysis; the safe error attacks or clocks attacks are such examples.The main goal of the PhD thesis was to provide efficient CAD tools to secure circuit designers in order to evaluate counter-measures against such laser attacks early in the design process. This thesis has been driven by two Grenoble INP laboratories: LCIS and TIMA. The work has been carried out in the frame of the collaborative ANR project LIESSE involving several other partners, including STMicroelectronics.A RT level model of laser effects has been developed, capable of emulating laser attacks. The fault model was used in order to evaluate several different secure cryptographic implementations through FPGA emulated fault injection campaigns. The injection campaigns were performed in collaboration with TIMA laboratory and they allowed to compare the results with other state of the art fault models. Furthermore, the approach was validated versus the layout of several circuits. The layout based validation allowed to quantify the effectiveness of the fault model to predict localized faults. Additionally, in collaboration with CMP (Centre Microélectronique de Provence) experimental laser fault injections has been performed on a state of the art STMicroelectronics IC and the results have been used for further validation of the fault model. Finally the validated fault model led to the development of an RTL (Register Transfer Level) countermeasure against laser attacks. The countermeasure was implemented and evaluated by fault injection campaigns according to the developed fault model, other state of the art fault models and versus layout information., De nombreux aspects de notre vie courante reposent sur l'échange de données grâce à des systèmes de communication électroniques. Des algorithmes de chiffrement puissants garantissent alors la sécurité, la confidentialité et l'authentification de ces échanges. Néanmoins, ces algorithmes sont implémentés dans des équipements qui peuvent être la cible d'attaques. Plusieurs attaques visant les circuits intégrés sont rapportées dans la littérature. Parmi celles-ci, les attaques laser ont été rapportées comme étant très efficace. Le principe consiste alors à illuminer le circuit au moyen d'un faisceau laser afin d'induire un comportement erroné et par analyse différentielle (DFA) afin de déduire des informations secrètes.L'objectif principal de cette thèse est de fournir des outils de CAO efficaces permettant de sécuriser les circuits en évaluant les contre-mesures proposées contre les attaques laser et cela très tôt dans le flot de conception.Cette thèse est effectuée dans le cadre d'une collaboration étroite entre deux laboratoires de Grenoble INP : le LCIS et le TIMA. Ce travail est également réalisé dans le cadre du projet ANR LIESSE impliquant plusieurs autres partenaires, dont notamment STMicroelectronics.Un modèle de faute au niveau RTL a été développé afin d’émuler des attaques laser. Ce modèle de faute a été utilisé pour évaluer différentes architectures cryptographiques sécurisées grâce à des campagnes d'injection de faute émulées sur FPGA.Ces campagnes d'injection ont été réalisées en collaboration avec le laboratoire TIMA et elles ont permis de comparer les résultats obtenus avec d'autres modèles de faute. De plus, l'approche a été validée en utilisant une description au niveau layout de plusieurs circuits. Cette validation a permis de quantifier l'efficacité du modèle de faute pour prévoir des fautes localisées. De plus, en collaboration avec le CMP (Centre de Microélectronique de Provence) des injections de faute laser expérimentales ont été réalisées sur des circuits intégrés récents de STMICROELECTRONICS et les résultats ont été utilisés pour valider le modèle de faute RTL.Finalement, ce modèle de faute RTL mène au développement d'une contremesure RTL contre les attaques laser. Cette contre-mesure a été mise en œuvre et évaluée par des campagnes de simulation de fautes avec le modèle de faute RTL et d'autres modèles de faute classiques.

One important objective of the electromagnetic compatibility (EMC) studies is to make the products compliant with the EMC requirement of the customers or the standards. However, all the EMC compliance verifications are applied before the delivery of final products. So we might have some new questions about the EMC performance during their lifetime. Will the product still be EMC compliant in several years? Can a product keep the same EMC performance during its whole lifetime? If not, how long the EMC compliance can be maintained? The study of the long-term EMC level, which is called “electromagnetic robustness”, appeared in the recent years. Past works showed that the degradation caused by aging could induce failures of electronic system, including a harmful evolution of electromagnetic compatibility. In this study, the long-term evolution of the EMC levels of two electronic component groups has been studied. The first electronic component type is the integrated circuit. The high-frequency currents and voltages during the switching activities of ICs are responsible for unintentional emissions or coupling. Besides, ICs are also very often the victim of electromagnetic interference. Another group of components is the passive component. In an electronic system, the IC components usually work together with the passive components at PCB level. The functions of passive components in an electronic system, such as filtering and decoupling, also have an important influence on the EMC levels.In order to analyze the long-term evolution of the EMC level of the electronic components, the study in this thesis tends to propose general predictive methods for the electromagnetic compatibility levels of electronic components which evolve with time.; Un objectif important des études de la compatibilité électromagnétique (CEM) est de rendre les produits conformes aux exigences CEM des clients ou les normes. Cependant, toutes les vérifications de la conformité CEM sont appliquées avant la livraison des produits finis. Donc nous pourrions avoir de nouvelles questions sur les performances CEM des systèmes électroniques au cours de leur vie. Les comportements CEM de ces produits seront-ils toujours conformes dans plusieurs années ? Un produit peut-il garder les mêmes performances CEM pendant toute sa durée de vie ? Si non, combien de temps la conformité CEM peut-elle être maintenue ?L'étude à long terme de l'évolution des niveaux CEM, appelée "robustesse électromagnétique», est apparue ces dernières années. Les travaux précédents ont montré que la dégradation causée par le vieillissement pourrait induire des défaillances de système électronique, y compris une évolution de la compatibilité électromagnétique. Dans cette étude, l'évolution à long terme des niveaux CEM de deux groupes de composants électroniques a été étudiée. Le premier type de composant électronique est le circuit intégré. Les courants de hautes fréquences et les tensions induites au cours des activités de commutation de circuits intégrés sont responsables des émissions électromagnétiques non intentionnelles. En outre, les circuits intégrés sont aussi très souvent les victimes d'interférences électromagnétiques. Un autre groupe de composants est formé par les composants passifs. Dans un système électronique, les circuits intégrés fonctionnent souvent avec les composants passifs sur un même circuit imprimé. Les fonctions des composants passifs dans un système électronique, telles que le filtrage et le découplage, ont également une influence importante sur les niveaux de CEM.Afin d'analyser l'évolution à long terme des niveaux CEM des composants électroniques, les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de proposer des méthodes générales pour prédire l'évolution dans les temps des niveaux de compatibilité électromagnétique des composants électroniques.

The globalization of integrated circuits fabrication involves several questions about the integrity of the fabricated circuits. Malicious modifications called Hardware Trojans (HT) can be introduced during the circuit production process. Due to the complexity of an integrated circuit, it is really difficult to find this kind of alterations.This work focuses on a non-destructive method of HT detection. We use the paths delays of the studied design as a channel to detect HT. A model to describe paths delays is defined. It takes into account two important parameters which are the experimental conditions and the process variations.Faults attacks by clock glitches based on timing constraints violations have been performed to measure data paths delays. Reliable circuits are used for reference. After validating the relevance of this channel to get information on the internal behavior of the targeted design, experimental detections of HT inserted on two different abstraction levels (RTL and after place and route) were achieved. Process variations are taken into consideration in the studies to detect if the tested circuits are infected., L'exportation et la mutualisation des industries de fabrication des circuits intégrés impliquent de nombreuses interrogations concernant l'intégrité des circuits fabriqués. On se retrouve alors confronté au problème d'insertion d'une fonctionnalité dissimulée pouvant agir de façon cachée : on parle de Cheval de Troie Matériel (CTM). En raison de la complexité d'un circuit intégré, repérer ce genre de modification se révèle particulièrement difficile. Le travail proposé dans ce manuscrit s'oriente vers une technique de détection non destructrice de CTM. L’approche consiste à utiliser les temps de calculs internes du système étudié comme canal permettant de détecter des CTM. Dans ces travaux, un modèle décrivant les temps de calcul est défini. Il prend notamment en compte deux paramètres importants que sont les conditions expérimentales et les variations de procédés.Des attaques en faute par glitchs d’horloge basée sur la violation de contraintes temporelles permettent de mesurer des temps de calcul internes. Des cartes fiables sont utilisées pour servir de référence. Après avoir validé la pertinence de ce canal d’étude concernant l’obtention d’informations sur le comportement interne du circuit cible, on procède à des détections expérimentales de CTM insérés à deux niveaux d’abstraction (niveau RTL et après l'étape de placement/routage). Des traitements avec prise en compte des variations de procédés permettent d'identifier si les cartes testées sont infectées par un CTM.

Electromigration (EMG) is a consequence of miniaturization of integrated circuits in general and the reduction of interconnect dimensions in particular. It is identified as one of the critical reliability phenomenon for integrated circuits designed in submicron technologies. The methods of checking this phenomenon at design level are mostly based on current density rules and temperature. These rules are becoming difficult to implement due to increasing current density in interconnection network. This thesis is based on researching for ways to improve detection of electromigration risks at design level. The goal is to establish a relation between electrical rules and interconnect degradation mechanism. Results obtained from ageing tests permit us to relax current limit without altered circuit lifetimes. Finally, this project has been instrumental to define design rules based on optimization of clock tree cells placement in integrated circuit power grid. The application of solution proposed during this work permit to design robust circuits toward EMG., L'électromigration (EMG) est l'une des conséquences de la course à la miniaturisation des composants électroniques en général et la réduction des dimensions des interconnexions en particulier. Il est identifié comme l'un des phénomènes critiques de fiabilité pour les circuits intégrés en technologies submicroniques. Les méthodes de vérification de ce phénomène utilisées durant la conception de circuits sont pour la plupart basées sur des règles de densité de courants et de température. Ces règles deviennent de plus en plus difficiles à mettre en place, compte tenue de l'augmentation des densités de courant dans les réseaux d'interconnexions. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans la dynamique de recherches de moyens d'amélioration de la détection des risques d'électromigration durant la phase de conception. Le but est d'établir une relation entre violations des règles électriques et la physique de dégradation des interconnexions. Les résultats obtenus au cours des tests de vieillissement nous ont permis de repousser les limites de courant sans altérer les durées de vie des circuits. Enfin, ce projet été l'occasion de définir des règles conception basé sur l'optimisation des cellules d'horloges dans la grille d'alimentation des circuits intégrés. L'application des solutions proposées au cours de ces travaux ont permis de réaliser des circuits robustes aux effets EMG.

Nowadays, electromagnetic compatibility modeling has become an importantstep during integrated circuits design which allows time-to-market and production costsreduction. In this PhD thesis, we present a contribution to the characterization and modelingof integrated circuits susceptibility to electromagnetic interferences. First, a substantialevolution of the RFIP technique, which represents a measurement technique of integratedcircuits conducted susceptibility, is presented. Different characterization steps of thedeveloped measurement probe as well as the measurement test bench are shown. RFIPmeasurement principle is validated through simulation and measurement, especially on ananalog-to-digital converter (ADC) embedded in a microcontroller. Then, the methodology ofthe extraction of the ADC’s immunity macromodel is explained according to the ICIM-CImodel structure. Macromodel’s parameters are deduced from RFIP measurement results.Different approaches for the construction of the macromodel’s blocks are discussed. RFIPtechnique shows many advantages leading to enhance understanding, characterization andmodeling of integrated circuits immunity., De nos jours, la modélisation de la compatibilité électromagnétique est devenue une étape importante de la conception des circuits intégrés permettant un gain sur les délais de validation et les coûts de production. Dans ces travaux de thèse, une contribution à la caractérisation et à la modélisation de la susceptibilité conduite des circuits intégrés est présentée. D’abord, une évolution substantielle de la technique RFIP est élaborée. Cette technique permet de caractériser la susceptibilité conduite des circuits intégrés. Nous avons montré les différentes étapes de caractérisation de la sonde de mesure développée ainsi que du banc de mesure en vue d’une extraction des paramètres d’immunité d’un circuit intégré soumis à des perturbations électromagnétiques. Le principe de la mesure RFIP a été validé par simulation et par mesure notamment lors de la caractérisation de l’immunité d’un convertisseur analogique-numérique embarqué dans un microcontrôleur. Ensuite, la méthodologie de construction de macromodèles d’immunité électromagnétique appliqués aux circuits intégrée est présentée. Le macromodèle construit du convertisseur est basé sur la structure du modèle ICIM-CI et ses paramètres sont extraits à partir des résultats de mesure RFIP. Les différentes approches de construction des blocs du macromodèle sont discutées. La technique RFIP s’est avérée avantageuse pour l’amélioration de la compréhension, la caractérisation et la modélisation de l’immunité des circuits intégrés.

Flip chip technology is increasingly prevalent in electronics assembly [threedimensional (3D) system in package] and is mainly used at fine pitch for manufacture of megapixel large focal-plane detector arrays. To estimate the reliability of these assemblies, numerical simulations based on finite-element methods appear to be the cheapest approach. However, very large assemblies contain more than one million solder bumps, and the optimization process of such structures through numerical simulations turns out to be a very time-consuming task. In many applications, the interconnection layer of such flip-chip assemblies consists of solder bumps embedded in epoxy filler. For such configurations, we propose an alternative approach, which consists in replacing this heterogeneous interconnection layer by a homogeneous equivalent material (HEM). A micromechanical model for the estimation of its equivalent thermoelastic properties has been developed. The constitutive law of the HEM obtained was then implemented in finite-element software (Abaqus®). Elastic properties of materials that compose the assembly were found in literature and by using mechanical characterization method especially nano-indentation. Thermomechanical responses of tested assemblies submitted to loads corresponding to manufacturing conditions have been analyzed. The homogenization-localization process allowed estimation of the mean values of stresses and strains in each phase of the interconnection layer. To access more precisely to the stress and strain fields in these phases, two models of structural zoom (model coupling and submodeling), taking into account the real solder bump geometry, have been tested. The local stress and strain fields obtained corroborate the experimentally damage initiation of the solder bumps observed, La technologie flip chip est de plus en plus répandue dans l'industrie électronique [trois dimensions (3D) System in Package] et est principalement utilisée pour la fabrication de réseaux détecteurs de grand format (mégapixels) et faible pas. Pour étudier la fiabilité de ces assemblages, des simulations numériques basées sur des méthodes d'éléments finis semblent être l'approche la moins chère. Cependant, de très grands assemblages contiennent plus d'un million de billes de brasure, et le processus d'optimisation de ces structures par des simulations numériques se révèle être une tâche très fastidieuse. Dans de nombreuses applications, la couche d'interconnexion de tels assemblages flip chip se compose de microbilles de brasure noyées dans de l'époxy. Pour ces configurations, nous proposons une approche alternative, qui consiste à remplacer cette couche d'interconnexion hétérogène par un matériau homogène équivalent (MHE). Un modèle micromécanique pour l'estimation de ses propriétés thermoélastiques équivalentes a été mis au point. La loi de comportement obtenue pour le MHE a ensuite été implémentée dans le logiciel par éléments finis (Abaqus®). Les propriétés élastiques des matériaux de l'assemblage sont définies par la littérature et également déterminées expérimentalement par une méthode de caractérisation mécanique : la nano-indentation. Les réponses thermomécaniques des assemblages testés soumis à des chargements correspondant aux conditions de fabrication ont été analysées. La technique d'homogénéisation-localisation a permis d'estimer les valeurs moyennes des contraintes et des déformations dans chaque phase de la couche d'interconnexion. Pour accéder plus précisément aux champs de contraintes et déformations dans ces phases, deux modèles de zoom structurel (couplage de modèles et submodeling), en tenant compte de la géométrie réelle de la bille de brasure, ont été testés. Les champs de contrainte et de déformation locaux obtenus corroborent avec les initiations de dommage observées expérimentalement sur les billes de brasure

Be connected to broadband WEB in flight is a trade issue which has motivated the launch of a project named FAST (Fiber-like Aircraft Satellite Communications). Under this project, Axess-Europe company with seven other partners including LAAS-CNRS, worked on the design of an active phased-array antenna with an electronically controlled beam steering. This thesis deals with the frequency synthesis of the antenna transceiver. In order to be able to connect to different satellites with their own frequency map, and also compensate for the Doppler effect to a certain extent, this focuses on the increase of the frequency resolution of a PLL (Phase-Locked Loop) using a fractional-N frequency divider. When considering a PLL, a fractional-N divider offers several advantages: increase frequency resolution without decreasing the reference frequency, and thus allows to keep the loop dynamic, as well as bandwidth and phase noise performances. However, fractional-N division generates spurious, which can yet be reduced by different well known techniques. Among these techniques, the DDS (Direct Digital Synthesizer) can be used as a fractional-N divider, but the increase of its frequency resolution would dramatically increase its size. So we designed a variant DDS-based topology, which allows to keep the advantage of the DDS in spurious reduction while increasing its frequency resolution without increasing its size. A comprehensive study of this novel structure is proposed.; Être connecté en haut débit au WEB à bord des avions est un marché à fort potentiel commercial qui a motivé le lancement d'un projet nommé FAST (Fiber-like Aircraft SaTellite communications). Dans le cadre de ce projet, la société Axess Europe, en partenariat avec sept partenaires dont le LAAS-CNRS a développé une antenne plane à matrice d'éléments rayonnants dont l'orientation du faisceau est gérée électroniquement. Cette antenne permet la communication avion-satellite. Cette thèse traite de la partie synthèse de fréquence de l'électronique d'émission-réception de l'antenne. Afin de pouvoir s'adapter à n'importe plan de fréquence de satellite, mais aussi la volonté de pouvoir compenser l'effet Doppler dans une certaine mesure, ces travaux se sont tournés vers l'amélioration de la résolution d'une boucle à verrouillage de phase (PLL), et plus particulièrement sur l'étude et la réalisation d'un diviseur de fréquence fractionnaire capable de satisfaire ces exigences. Dans une PLL, la division fractionnaire permet d'augmenter la résolution fréquentielle sans devoir diminuer la fréquence de référence, ce qui permet de conserver la dynamique de boucle, la bande passante ainsi que les caractéristiques en bruit de phase. Cependant, elle génère des raies parasites gênantes, que l'on peut toutefois atténuer avec plusieurs techniques bien connues. Parmi ces techniques, on trouve le DDS (synthétiseur numérique direct) utilisé comme diviseur fractionnaire, mais il ne permet d'atteindre la résolution fréquentielle souhaitée que pour une taille trop importante. Nous avons donc développé une variante basée sur un DDS qui permet d'en conserver les avantages pour la réduction des raies parasites, tout en augmentant la résolution fréquentielle sans devoir en augmenter la taille. Une étude exhaustive de cette structure originale est proposée.