Circuits à empreinte énergétique quasi nulle permettant une extension des profils de mission et un fonctionnement continu des systèmes destinés à l'internet-des-objets

Extension of socs mission capabilities by offering near-zero-power performances and enabling continuous functionality for Iot systems

• Auteur / Autrice : Guénolé Lallement
• Direction : Jean-Luc Autran, Daniela Munteanu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 12/11/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….) - STMicroelectronics (Crolles, Isère, France)
• Jury : Président / Présidente : Massimo Alioto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Cochet, Pascal Vivet, Fady Abouzeid, Édith Beigné, James Myers
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Bol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés à faible consommation

Nanoélectronique

Microélectronique

Mots clés libres

22 nm FDX

28 nm FD-SOI

Apprentissage machine

Conception de circuits numériques

Efficience énergétique

Gestion de puissance adaptative

Microcontroleur (MCU)

Point energétique minimum

Polarisation du substrat

Ultra-Basse-Consommation (ULP)

Ultra-Basse-Tension (ULV

22nm FDX

28nm FD-SOI

Adaptive power management

Body biasing

Digital circuit design

Energy-Efficiency

Machine learning

Microcontroller (MCU)

Minimum energy point

Ultra-Low-Power (ULP)

Ultra-Low-Voltage (ULV)

Résumé

Les développements récents dans le domaine des circuits intégrés (IC) à basse tension ont ouvert la voie à des dispositifs électroniques économes en énergie dans un réseau mondial en plein essor appelé l’internet des objets (IoT) ou l’internet des choses (IoE). Cependant, la durabilité de tous ces capteurs interconnectés est compromise par le besoin constant d’une batterie embarquée – qui doit être rechargée ou remplacée – ou d’un récupérateur d’énergie à rendement très limité. La consommation d’énergie des systèmes électroniques grand public actuels est en effet cinquante fois plus élevée que celle d’un collecteur d’une taille de l’ordre du cm 2 , ou limitée à quelques mois sur une petite batterie. Cela contraint la viabilité de solutions fonctionnant à l’échelle d’une vie humaine. Les systèmes sur puce (SoCs) à venir nécessitent donc de relever le défi de cette lacune énergétique en optimisant l’architecture, de la technologie au niveau du système. L’approche technique de ce travail vise à démontrer la faisabilité d’un SoC efficient, ultra-basse tension (ULV) et ultra-basse puissance (ULP) utilisant exclusivement les dernières directives industrielles en matière de technologies FD-SOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) 28 nm et 22 nm. Plusieurs SoCs multi-domaines basés sur des cœurs ARM sont implémentés pour démontrer des stratégies de réveil basées sur les entrées des capteurs. Ainsi, en optimisant l’architecture du système, en sélectionnant et en concevant correctement les composants avec des caractéristiques technologiques choisies de manière adéquate, et en ajustant soigneusement l’implémentation physique, on obtient un SoC entièrement optimisé en énergie

Recent developments in the field of low voltage integrated circuits (IC) have paved the way towards energy efficient electronic devices in a booming global network called the internet-of-things (IoT) or the internet-of-everything (IoE). However, the sustainability of all these inter- connected sensors is still undermined by the constant need for either an on-board battery – that must be recharged or replaced – or an energy harvester with very limited power efficiency. The power consumption of present consumer electronic systems is fifty times higher than the energy available by cm 2-size harvester or limited to a few months on a small battery, thus hardly viable for lifetime solutions. Upcoming systems-on-chip (SoCs) must overcome the challenge of this energy gap by architecture optimizations from technology to system level. The technical approach of this work aims to demonstrate the feasibility of an efficient ultra-low-voltage (ULV) and ultra-low-power (ULP) SoC using exclusively latest industrial guidelines in 28 nm and 22 nm fully depleted silicon on insulator (FD-SOI) technologies. Several multi-power-domain SoCs based on ARM cores are implemented to demonstrate wake up strategies based on sensors inputs. By optimizing the system architecture, properly selecting and designing compo- nents with technology features chosen adequately, carefully tuning the implementation, a fully energy-optimized SoC is realized