Réseau de service asynchrone pour contrôle distribué dans un circuit numérique ou mixte

Asynchronous network service for distributed control in a digital or mixed-signal circuit

• Auteur / Autrice : Soundous Chairat
• Direction : Marc Belleville, Édith Beigné
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 23/10/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Lorena Anghel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Sentieys
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Didier Legat, Pascal Benoit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Circuits asynchrones

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Réseau de service asynchrone

Contrôle distribué

Circuit numérique ou mixte

Network service

Distributed control

Digital or mixed circuit

Résumé

Les réseaux de capteurs sans fils (WSN) ont connu un succès important ces dernières années, en particulier grâce à l’émergence de l’Internet des Objets (IoT), qui a permis des applications beaucoup plus intéressantes. Les réseaux de capteurs sont utilisés dans presque toutes les applications de maisons et villes intelligentes et des objets connectés personnels. Beaucoup de ces applications nécessitent que les nœuds de capteurs constituant le réseau soient autonomes et donc efficaces en énergie. Le thème de l'efficacité énergétique pour les WSN est riche et adressé par de nombreuses équipes de recherches. L'une des solutions les plus prometteuses est l'intégration de blocs adaptatifs dans le nœud, qui peuvent ajuster leurs performances et leurs dépenses énergétiques selon les besoins de l'application, son environnement ou l’énergie disponible. L’objectif est de permettre à un nœud de fonctionner à un point d'énergie optimal et d'atteindre l'efficacité énergétique la plus élevée possible. Le travail présenté dans cette thèse traite du contrôle de ces blocs adaptatifs. Un nœud de WSN doit être capable de se réveiller et de se remettre en veille rapidement ce qui impose l'utilisation d'un réseau de contrôle efficace. Les données de contrôle peuvent être analogiques ou numériques. Ceci entraîne le besoin d'un réseau de communication complémentaire au réseau qui sert à transmettre les données numériques. Dans ce travail, un premier réseau de communication asynchrone est proposé pour adresser ce besoin de transfert de données de configuration dans un nœud. Cette communication basée sur événement utilise la logique asynchrone QDI. Ce premier réseau est numérique et deux versions ont été conçues, une série et une hybride. La version série a été implémentée en silicium et testée. Les deux se sont avérées efficaces en énergie ; le réseau série n’utilise que 1pJ/bit, tandis que l'hybride consomme 0,07pJ/bit à 0.6V en technologie FDSOI de 28nm.Dans la deuxième partie de ce travail, une amélioration visant des circuits plus simples et mixtes a été réalisée, incluant la conception et l'analyse d'un réseau capable de transférer efficacement des données analogiques.

Wireless sensor network (WSN) have experienced an incredible success these past years, especially due to the Internet of Thing (IoT) paradigm, which opened the door to much more interesting applications. The wireless sensor network nodes (WSNN) are used in nearly all smart houses applications, as a network of wearables or as entertainment devices. This keen interest in WSN is not without consequences, as many of these applications require from the node to be autonomous and thus energy efficient. The topic of energy efficiency for the WSN is rich and many teams are proposing as many solutions as there are applications. One of the most promising solutions is the integration of adaptive blocks in the node, which can adapt their performances and thus their energy expenditure according to the application, environment or the energy budget. This would allow any type of WSNN to operate at an optimum energy point and achieve the highest energy efficiency possible. However, this solution has its own issues. The work presented in this thesis deals with the control of these adaptive blocks.The aim of this work is to efficiently transfer the control data and the sense&react data throughout the node to and from the corresponding adaptive blocks. The nature of WSNN itself imposes the use of a communication network capable of a fast and independent wake and sleep mode, while the nature of the data dictate the need for a complementary communication network, as the data can be either analog or digital, and as such, a typical network is not capable of handling it without the help of secondary conversion blocks.In this manuscript, a first asynchronous communication network is proposed to deal with the issue at hand, mainly the transfer of configuration data throughout a network, in an event-driven fashion, hence the use of the QDI asynchronous logic. This network is digital only and two versions were designed, a serial and a hybrid one, and the serial version was implemented in silicon. Both proved to be energy efficient, as the serial network only needs 1pJ/bit, while the hybrid one consumes 0,07pJ/bit at 0.6V in a 28nm FDSOI technology.In the second part of this work, an improvement targeting simpler and mixed-signals circuits was carried out, including the design and analysis of a network capable of efficiently transferring analog data.