Modélisation et simulation haut-niveau de micro-systèmes électromécaniques pour le prototypage virtuel multi-physique en SystemC-AMS

par Benoît Vernay

Thèse de doctorat en Informatique

Soutenue le 16-06-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Laboratoire d'informatique de Paris 6 / LIP6 (laboratoire) .

Le jury était composé de Habib Mehrez, Gaëlle Lissorgues, Matthieu Moy, Skandar Basrour, Robert Sobot.


  • Résumé

    L'évolution des systèmes embarqués se traduit aujourd'hui par des ensembles complexes, dits systèmes cyber-physiques, opérant principalement en réseau et interagissant fortement avec leur environnement.Intégrés à des circuits de contrôle et de traitement du signal, les micro-systèmes électromécaniques, ou MEMS, jouent un rôle primordial dans ces ensembles en tant que capteurs ou actionneurs.La conception de tels systèmes requiert des solutions globales et pluri-disciplinaires telles que le prototypage virtuel.Basée sur des modèles haut-niveau, cette technique permet d'anticiper le comportement du système dès les premières phases de conception et de le raffiner lors de phases plus avancées.Ces méthodes ont progressivement été appliquées à la conception de circuits intégrés, notamment avec l'utilisation de langages de description matérielle, tels que VHDL ou Verilog.En adoptant un niveau d'abstraction supérieur, SystemC a largement contribué au développement concourant des parties matérielles et logicielles.Parallèlement, les extensions proposées dans SystemC-AMS répondent au nombre croissant de composants analogiques dans les circuits intégrés et constituent une base prometteuse pour le prototypage virtuel de systèmes hétérogènes.Pour cette raison, cette thèse traite de la modélisation et de la simulation haut-niveau de dispositifs MEMS en SystemC-AMS.Dans un premier temps, nous évaluons les capacités actuelles du standard et des modèles de calcul proposés dans SystemC-AMS.Nous démontrons les limites et la difficulté d'élaborer des modèles équivalents de dispositifs MEMS dont la géométrie et les couplages internes nécessitent des descriptions plus détaillées.Nous proposons donc, dans un deuxième temps, d'intégrer directement dans SystemC-AMS des modèles réduits de dispositifs MEMS.La réduction d'ordre de modèle est une méthode mathématique permettant de créer des représentations compactes de systèmes initialement très larges en termes de degrés de liberté.Ainsi, nous utilisons les modèles générés depuis l'outil d'analyse en éléments finis \emph{MEMS+} et proposons une interface de programmation pour les insérer dans des modèles SystemC-AMS.Après avoir détaillé les principales fonctionnalités de l'interface, nous discutons les améliorations possibles du standard et de la solution présentée.Enfin, nous vérifions notre solution avec l'étude d'un accéléromètre et comparons les résultats avec l'état de l'art en termes de précision des modèles et de performances de simulation.Cette thèse propose ainsi une méthodologie complète pour intégrer des dispositifs MEMS dans un environnement de simulation haut-niveau.

  • Titre traduit

    System-level modeling and simulation of microelectromechanical systems for multi-physics virtual prototyping in SystemC-AMS


  • Résumé

    Embedded systems have evolved to more complex assemblies, called Cyber-Physical Systems (CPS), mostly operating through networks and tightly interacting with the environment.As actuators or sensors, micro-electromechanical systems (MEMS) are essential elements in these systems where they are integrated along with control and signal processing units.Designing such solutions requires a multi-domain approach like virtual prototyping.Based on system-level models, this technique allows to anticipate the global behavior in early-design phases and to further refine it in more advanced steps.Integrated circuits were progressively designed with respect to this method, especially through Hardware Description Languages (HDLs) like VHDL or Verilog.By adopting a higher-abstraction degree, SystemC enabled the co-development of hardware/software specific applications.In parallel, the Analog and Mixed-Signal (AMS) extensions proposed in SystemC-AMS partly addressed the increasing amount of analog components and are considered as a promising alternative for the virtual prototyping of heterogeneous systems.To that end, this thesis addresses the system-level modeling and simulation of MEMS devices in SystemC-AMS.First, we evaluate the current capabilities of the standard and supported models of computation in SystemC-AMS.We demonstrate the limitations and the the difficulty to elaborate equivalent models of MEMS devices whose geometry and internal coupling require more detailed descriptions.Second, we propose to directly integrate MEMS reduced models in SystemC-AMS.Model-order reduction is a mathematical technique to decrease the number of degrees of freedom and generate compact models from large-scale systems.We thus integrate the reduced models exported from the finite-element analysis tool \emph{MEMS+} and propose an Application Programmable Interface (API) to insert these \textit{ad hoc} models in SystemC-AMS.After reviewing the main API features, we discuss some improvements of both the standard and the presented solution.Finally, we verify our solution through the use case of an accelerometer and compare the results with the state of the art in terms of modeling accuracy and simulation performance.This thesis introduces a framework to integrate MEMS devices with the surrounding electronics in a unified system-level simulation environment.


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