Soutenance de thèse de Yoann MOLINE

9 December 2015

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Catégorie : Soutenance de thèse

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Cette soutenance aura lieu Mercredi 16 Décembre 2015 à 10h30

Lieu de la soutenance : CEA Saclay DIGETEO, Bât 565, 91191 Gif-sur-Yvette - salle 33-34

devant le jury composé de :

• Bertrand GRANADO, Professeur, Université Paris 6, Rapporteur
• Marc WINTER, Chercheur, Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien, Rapporteur
• Philippe COUSSY, Professeur, Université de Bretagne Sud, Examinateur
• Paolo MUTTI, Chercheur, Institut Laue-Langevin, Examinateur
• Michel PAINDAVOINE, Professeur, Université de Bourgogne, Directeur de thèse
• Mathieu THEVENIN, Ingénieur-Chercheur, CEA Saclay, Encadrant
• Gwenolé CORRE, Ingénieur-Chercheur, CEA Saclay,Encadrant

Mots clés en français :

Instrumentation nucléaire, traitement numérique des impulsions (DPP), traitement numérique du signal (TNS), architecture électronique distribuée.

Mots clés en anglais :

Nuclear instrumentation, Digital Pulse Processing (DPP), Digital Signal Processing (DSP), Distributed computing.

Résumé de la thèse en français :

Le domaine de l’instrumentation nucléaire couvre un large spectre d’applications qui évoluent de façon permanente grâce à l’avancée des technologies du numérique et du traitement du signal. Malgré des exigences communes, des chaînes de mesure dédiées sont généralement mises au point pour répondre aux problèmes spécifiques d’un marché de niche. Cette tâche est complexe et nécessite une expertise dans différents domaines tels que la physique, la chimie, les statistiques, la micro-électronique, l’informatique, etc. La mesure de radioactivité se caractérise par l’analyse d’un signal spécifique constitué d’impulsions d’amplitudes et de durées aléatoires dont les occurrences sont issues d’un processus poissonnien homogène. Ce signal influence la conception des architectures actuelles qui s’oriente vers des solutions de traitements en flux de données sous contrainte de temps mort, ce qui ne permet pas l’utilisation de composants programmables du marché. Ce manuscrit propose un modèle d'exécution qui permet l'utilisation de composants programmables pour les chaînes d'instrumentation. L'architecture qui en découle doit pouvoir s'adapter à l’ensemble des applications traditionnelles du domaine. Pour cela, il convient de prendre en compte les contraintes liées à l’instrumentation nucléaire : temps réel, multivoie, gestion du temps mort et programmabilité. Cette architecture est composée d’extracteurs d’impulsions placés en sortie des convertisseurs analogiques numériques. Ils sont capables d’extraire dynamiquement les impulsions en fonction de leurs tailles pour n’importe quel type de détecteur délivrant des impulsions. Ces impulsions sont ensuite distribuées sur un ensemble d’unités fonctionnelles (FUs) programmables indépendantes pilotées par les impulsions. Ces FUs sont capables de gérer l’arrivée d’évènements non déterministes et des durées d’exécution de programme variables et indéterminées à l’avance. Dans un premier temps, le modèle d'exécution est analysé analytiquement. Ce travail a ensuite permis de proposer une architecture qui a été modélisée et validée en SystemC au cycle d’horloge près. Les résultats obtenus sont prometteurs en termes de passage à l’échelle tout en maintenant le zéro-temps mort quelle que soit la durée d’exécution du programme. Cela valide le modèle d’exécution et permet de proposer une première implémentation de l’architecture. Ces travaux ouvrent la voie à des applications innovantes de traitement numérique des impulsions jusqu’alors exécutées hors-ligne.

Résumé de la thèse en anglais :

The field of nuclear instrumentation covers a wide range of applications. These applications are constantly evolving thanks to the advances in the domain of the digital signal processing. Up to now, instrumentation chains are full-custom and application-specific designs which require expertise in different fields such as physics, chemistry, statistics, microelectronics, computers engineering, etc. The electric signal obtained by the radioactivity measurement made of random amplitude and durations pulse. Their occurrences follow the uniformly distributed Poisson process. This signal requires current architectures to work in dataflow mode (sample per sample) to avoid dead time. This mode makes it impossible the use of programmable component off the shelf. The work presented in this manuscript is an execution model that enables the uses of programmable component in nuclear instrumentation chains. The architecture derived from the execution must be flexible enough to execute the traditional applications of nuclear instrumentation and fit with specific constraints: real-time, multi-channel, dead time management and programmability.  The proposed architecture is composed of pulse extractors placed at the output of the Analog Digital Convertors (ADC). They are capable of dynamically extracting the pulses according to their size for any type of detector that delivering pulses. Then, pulses are distributed on a set of programmable and independent Functional Units (FU). These FUs are able to handle the arrival of non-deterministic events and variable program execution times and indeterminate in advance thanks to proposed « pulse driven » execution model. The propositions are first analyzed analytically. The proposed architecture is then modeled and validated in a cycle-accurate SystemC. The results are promising in terms of scalability while maintaining zero dead time whatever the program duration. This validates execution model and allows us to offer a first implementation of the architecture. This work paves the way for innovative applications of Digital Pulse Processing (DPP) which were previously performed offline.