Caractérisation électromagnétique du canal de propagation sur silicium : applications aux interconnexions sans fils intra-puce pour les systèmes WiNoC

Electromagnetic characterization of the propagation channel on silicon : Intra-chip wireless interconnections - applications for WiNoC systems

• Auteur / Autrice : Ihsan El Masri
• Direction : Thierry Le Gouguec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 06/11/2019
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance
• Jury : Président / Présidente : Luca Varani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Le Gouguec, Luca Varani, Jean-Marc Laheurte, Philippe Ferrari, Raphaël Gillard, Rozenn Allanic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Laheurte, Philippe Ferrari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Silicium

Systèmes sur puce

Mots clés libres

Canal de propagation

Antennes

Silicium

Système WiNoC

Communication intra-puce

Propagation channel

Antennas

Silicon

WiNoC system

Intra-chip communication

Résumé

À l'ère de l'intelligence artificielle, de Big Data et de l'Internet des Objets, le développement des NoC est devenu une priorité. Dans le cadre du projet BBC, nous avons opté pour les interconnexions WiNoC, qui assurent les besoins de communications efficaces au niveau intra-puce (latence faible, débit élevé, efficacité énergétique minimale, compatibilité avec la technologie CMOS, adaptabilité pour le broadcast).Cette thèse se concentre sur l’étude électromagnétique la couche physique de WiNoC, et particulièrement sur la caractérisation des canaux de propagation sur des substrats silicium. Dans ce contexte, nous mettons en évidence au travers de simulations et de mesures en bandes Ka et V, les problèmes de la propagation à très hautes fréquences dans des structures sur Si (cavités, ondes de surface et trajets multiples). Par la suite, nous proposons une solution permettant de limiter ces problèmes dus aux réflexions sur les interfaces Si/Air en ajoutant une couche absorbante autour du substrat. Nous montrons à l’aide de simulations et de mesures en bandes Q et V, l’amélioration de la transmission et l’élargissement des bandes passantes. Dans le but de réduire la taille des antennes et d'augmenter le débit, nous étudions dans la bande Sub-THz des réseaux de monopoles intégrés dans un substrat Si placé entre deux plaques métalliques.Finalement, nous estimons les performances et nous montrons la possibilité de transmettre au moins 12 Gbps sur une portée de 21,2 mm et avec une efficacité énergétique de l’ordre de 4,5 pJ/bit. Ces résultats sont comparables avec les solutions concurrentes (WiNoC, RF guidées, optiques).

In the age of artificial intelligence, Big Data and the Internet of Things, the development of NoCs has become a priority. As part of the BBC project, we have opted for WiNoC interconnects, which provide efficient communication requirements at the intra-chip level (low latency, high throughput, minimal energy efficiency, compatibility with CMOS technology, adaptability for broadcast).This thesis focuses on the electromagnetic study the physical layer of WiNoC, and particularly on the characterization of propagation channels on silicon substrates.In this context, we highlight, through simulations and measurements in Ka and V bands, the problems of propagation in Si structures at very high frequency (cavities, surface waves and multiple paths).Subsequently, we propose a solution to limit these problems (due to reflections on the Si / Air interfaces) by adding an absorbing layer around the substrate. Using simulations and measurements in Q and V bands, we show improved transmission with a large bandwidth (>16 GHz).In order to reduce the size of the antennas and to increase the data rate, we study in the Sub-THz band, networks of monopoles embedded in a Si substrate placed between two metal plates.Finally, we estimate the performance and we show the possibility of transmitting at least 12 Gbps over a range of 21.2 mm and with an energy efficiency of the order of 4.5 pJ / bit. These results are comparable with competing solutions (WiNoC, RF interconnects, optical interconnects).