Section 07 Sciences de l'information : traitements, systèmes intégrés matériel-logiciel, robots, commandes, images, contenus, interactions, signaux et langues

VII. Systèmes sur puce

A. Les grandes avancées actuelles et les thèmes émergents

L'avènement de l'internet des objets et de l'informatique en nuage s'appuie sur des systèmes embarqués à ultra-faible consommation pour instrumenter et interagir avec l'environnement physique en temps réel et de manière autonome, ainsi que sur des centres de calcul haute performance pour manipuler et stocker, de manière sécurisée, les exa-octets de données recueillies. Ces systèmes ont également besoin d'une infrastructure de communication capable de véhiculer des centaines de Mbps par terminal mobile ou des centaines de Gbps par nœud de calcul. Les systèmes sur puce au cœur de ces maillons de la révolution numérique comptent aujourd'hui plusieurs dizaines de milliards de transistors élémentaires de dimensions autour de 20 nm. Ils sont organisés en architectures comptant quelques dizaines (voire centaines) de cœurs, et sont capables de se reconfigurer pour s'adapter aux besoins applicatifs. D'une complexité inouïe, ils nécessitent des méthodes de conception, de vérification et de test extrêmement puissantes pour garantir un fonctionnement efficace.

La recherche en architectures de systèmes intégrés, en interface avec la recherche en informatique embarquée, permet la conception des objets connectés et intelligents tirant parti des nouvelles technologies. L'architecture idéale serait ainsi : adaptative (offrant le meilleur compromis de calculs par unité d'énergie) ; complète (contenant les capteurs, les calculateurs et la connexion aux réseaux) ; sûre (résistante aux attaques visant la confidentialité et l'intégrité des informations qu'ils traitent) ; traçable (garantissant l'origine des composants contre les fraudes et les vols ; on parle de confiance matérielle pour la sûreté et la traçabilité) ; résiliente et hautement disponible (fonctionnant malgré les fautes, le vieillissement et les pannes) ; virtualisée (proposant aux applications des cellules de traitement génériques) ; et interopérable (capable de communiquer avec plusieurs réseaux suivant plusieurs protocoles). Les architectes doivent proposer des solutions pour gérer : le vieillissement des circuits ; les variations des procédés de fabrication ; l'intégration de technologies hétérogènes (analogiques, mécaniques, etc.) ; l'émergence de la troisième dimension des circuits ; la montée du parallélisme des systèmes ; et enfin l'énergie. Ils doivent sans cesse repenser leurs outils de conception et de validation. Les futures solutions architecturales seront nécessairement matérielles et logicielles, et intègreront des systèmes d'exploitation embarqués.

La conception des systèmes cyber-physiques nécessite la prise en compte de l'interaction entre le monde électronique, des systèmes issus de l'ingénierie hors numérique, et leur environnement physique. Cette interaction passe par des interfaces qui rendent les systèmes électroniques technologiquement hétérogènes. Cette hétérogénéité amène le besoin de langages de modélisation et de simulation adaptés à des fonctions numériques et non numériques. D'autre part, la conception des circuits analogiques/mixtes et RF exige de nouvelles idées au niveau architectural ou au niveau circuit pour s'adapter aux évolutions des besoins et des technologies disponibles. La gestion de l'énergie (consommation et production locale) devient aussi une problématique de recherche nouvelle, en particulier pour les réseaux de capteurs.

Les dispositifs d'e-santé bénéficient d'avancées technologiques permettant d'en faire des systèmes autonomes et adaptatifs, sous des contraintes spécifiques aux applications biomédicales (innocuité des dispositifs, sécurité des données, faible coût). Elles trouvent leur prolongement naturel dans des interactions multidisciplinaires avec la médecine, la biologie, la biochimie et les matériaux.

Au niveau des technologies et modèles de calcul, plusieurs thèmes en rupture émergent et doivent être pris en compte : exploitation des nouvelles technologies (mémoires non-volatiles MRAM ou RRAM, photonique silicium, etc.), intégration de méthodes d'apprentissage neuro-inspirées robustes, impact sur les systèmes et les applications, notamment en reconnaissance de formes, fouille de données, etc.

B. Interactions avec d'autres disciplines

Depuis ses origines, le domaine des systèmes intégrés est transdisciplinaire entre informatique et électronique. L'évolution des technologies de fabrication conduit à de nouvelles interactions avec la physique : modélisations multiphysiques (thermique, mécanique pour les MEMS, photonique, etc.), émergence de nouveaux procédés physiques (spintronique, électronique moléculaire, etc.). Par ailleurs, l'explosion de la complexité amène de nouvelles interactions avec l'informatique : compilation, langages, logiciels embarqués, systèmes d'exploitation, vérification, optimisation, etc. Enfin, les interactions avec le traitement du signal sont renforcées par l'émergence de nouveaux algorithmes et de nouvelles applications. L'évolution vers les systèmes embarqués augmente aussi les interactions avec les mathématiques (cryptographie, tolérance aux dispersions, etc.) ; la biochimie (biomatériaux), les neurosciences (traitement de l'information neuro-inspiré) et la médecine (neurologie, cardiologie, orthopédie, urologie, etc.).

C. Place de la France dans le contexte mondial

La recherche française est reconnue dans de nombreux domaines des thématiques des systèmes intégrés matériels-logiciels, en particulier : architecture (manycore, réseau sur puce (NoC), synthèse de haut niveau) ; systèmes cyber-physiques (systèmes hétérogènes, langages et modélisation, capteurs, MEMS, systèmes AMS&RF spécifiques, gestion et conversion d'énergie) ; confiance matérielle (attaques physiques et contre-mesures, cryptographie appliquée) ; test. Dans le domaine des objets connectés, elle a une expertise en systèmes à basse consommation d'énergie et dans les dispositifs médicaux intelligents. Il en est de même dans le domaine du calcul émergent, et pour l'intégration de fonctions neuro-mimétiques.

D. Points forts/points faibles de la recherche en France

En ce qui concerne les points forts, trois traits ressortent. Tout d'abord, cette recherche montre une grande richesse, avec des forces pluridisciplinaires complémentaires menant des recherches aux frontières et aux interfaces avec les autres disciplines. Ensuite, cette communauté est dynamique, expérimentée et pérenne, et elle bénéficie d'un soutien institutionnel (GDR SoC-SiP). Enfin, la recherche française dans ce domaine est menée de longue date en collaboration avec un tissu industriel national qui couvre toute la chaîne : technologie, composants, caractérisation, circuits, systèmes, outils de CAO, équipements, sociétés de service. L'essentiel des effectifs (90 %) est constitué d'enseignants-chercheurs, cette recherche est ainsi très liée à l'enseignement, en liaison avec les besoins industriels (GIP CNFM). Toutefois, la transdisciplinarité de cette recherche est compliquée par un découpage académique interne complexe : trois sections du CNU (27, 61, 63), deux sections du Comité National (7, 8) et deux instituts du CNRS (INS2I, INSIS). Une piste d'amélioration serait de dépasser le clivage entre logiciel et matériel, particulièrement marqué en France. Cette évolution serait en accord avec la vision internationale du domaine, clairement illustrée par le regroupement de ENIAC, ARTEMIS et EPoSS dans ECSEL au niveau européen.

E. Retombées sociales, économiques (valorisation), culturelles

Les retombées économiques sont très importantes pour les entreprises des secteurs électronique (STMicroelectronics, PMEs) et équipementier, et pour les startups en création dans le secteur des objets connectés (domotique, e-santé, tissus intelligents, jeux, etc.). Il faut aussi noter le renouveau d'une industrie autour des architectures manycores en France (KALRAY, CORTUS, etc.) et en Europe (ARM, etc.). Enfin, la maîtrise de la conception et de la fabrication des composants, des systèmes intégrés et des systèmes embarqués critiques joue un rôle stratégique pour les enjeux de souveraineté nationale.