CENTRALE LYON - Doctorant Conception de circuit ferroélectrique pour la logique ternaire

L'Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL) est une Unité Mixte de Recherche (UMR 5270) dont les tutelles sont le CNRS, l'ECL, l'INSA, l'Université Lyon 1 et CPE Lyon. La mission de l'INL est de développer une recherche technologique multidisciplinaire dans le domaine des nanotechnologies et leurs applications. La recherche menée s'étend des matériaux aux systèmes, et le laboratoire s'appuie sur la plateforme technologique NanoLyon. Les domaines d'applications couvrent les principaux secteurs économiques tel que l'industrie des semi-conducteurs, les technologies de l'information, les technologies de la vie et de la santé, l'énergie et l'environnement.

Le laboratoire est multi-sites, notamment sur les campus d'Ecully et de Lyon-Tech La Doua. Il rassemble environ 200 personnes, dont 121 membres permanents. L'INL est un acteur majeur du Pôle de Recherche et d'Enseignement Supérieur.

L'objectif principal de l’équipe d'électronique est de développer des technologies, des dispositifs et des systèmes pour des applications spécifiques. De nouvelles technologies sont explorées en utilisant des approches top-down et bottom-up pour la démonstration de dispositifs et de circuits nanoelectroniques avancés. De nouvelles méthodologies et outils de conception sont également développés dans le cadre de nos activités. Grâce aux collaborations des équipes de dispositifs et de conception du département d'électronique avec d'autres groupes de l'INL dans les départements des Matériaux, de la Photonique et de la Biotechnologie, nous avons orienté nos activités de recherche vers les circuits hétérogènes pour les biotechnologies et les systèmes électroniques pour la santé.

L'efficacité énergétique des systèmes de calcul constitue l'un des enjeux majeurs de l'industrie microélectronique actuelle, des objets connectés aux supercalculateurs. Les architectures conventionnelles reposent sur la technologie CMOS, qui se heurte aujourd'hui à des limitations fondamentales : fin du scaling technologique, consommation statique croissante, et « mur mémoire » — ce dernier représentant entre 70 et 90 % de l'énergie totale consommée par un système de calcul. Pour répondre à ces défis, le calcul en mémoire (In-Memory Computing, IMC) émerge comme un paradigme prometteur, en intégrant les opérations directement au sein du cœur mémoire afin de réduire drastiquement les transferts de données. Dans ce contexte, les transistors à effet de champ ferroélectriques (FeFET) sont des candidats prometeur : compatibles avec les procédés CMOS standards, non volatils et basse consommation, ils permettent la conception de portes logiques reconfigurables dont l'un des opérandes est stocké de manière permanente dans la grille ferroélectrique — une approche déjà démontrée à l'INL.

Le projet ANR eCAT (Enabling Computer Architecture for Tomorrow, PRCI franco-allemand 2025), qui réunit l'INL, Inria Rennes, l'Université de Heidelberg et la TU Dresden, vise à construire un écosystème complet pour l'exploration d'architectures hétérogènes combinant processeurs RISC-V, unités IMC à base de FeFETs, calcul proche mémoire (NMC) et calcul approché (AxC). L'INL est responsable des tâches dédiées à la caractérisation et à la conception des circuits FeFET du dispositif au système. La présente thèse s'inscrit dans ce cadre en explorant une voie originale : l'exploitation de la logique ternaire, rendue possible par la capacité des dispositifs ferroélectriques à présenter des états de polarisation intermédiaires stables, ouvrant la voie à une densité d'intégration et une expressivité logique accrues par rapport au binaire conventionnel.

L'objectif principal de cette thèse est de concevoir, modéliser et caractériser des circuits logiques ternaires à base de dispositifs ferroélectriques (FeFET/FeCap), en vue de leur intégration dans des unités de calcul en mémoire (IMC) au sein de l'architecture hétérogène cible du projet eCAT. À partir des modèles compacts de capacités ferroélectriques disponibles à l'INL. Le/la doctorant·e étudiera dans un premier temps les conditions de programmation permettant d'obtenir des états de polarisation intermédiaires stables, puis concevra une bibliothèque de portes logiques ternaires élémentaires (inverseur ternaire, portes MIN/MAX, comparateurs, etc.) caractérisées en termes de délai, énergie et endurance, à l'aide des outils EDA industriels disponibles à l'INL.

Dans un second temps, des opérateurs arithmétiques ternaires (additionneur, multiplieur) seront conçus et évalués pour les applications cibles d'eCAT, notamment les réseaux de neurones convolutifs. Une attention particulière sera portée à l'introduction du calcul approché via la modulation du schéma de programmation ferroélectrique. Les modèles résultants seront abstraits à différents niveaux d'abstraction et intégrés dans le simulateur système du projet, afin d'évaluer les gains effectifs en énergie, précision et performance sur des applications réelles.

Le candidat devra posséder une solide expérience dans les domaines suivants :

• Conception de circuits numériques : maîtrise des flots de conception (schématique, simulation, synthèse), idéalement avec des outils EDA industriels (Cadence Virtuoso/Spectre, Synopsys).

• Physique des composants : connaissances en physique des semiconducteurs et des dispositifs MOS ; un intérêt ou une première expérience sur les mémoires non volatiles ou les matériaux ferroélectriques sera apprécié.

• Logique numérique avancée : curiosité pour les logiques non conventionnelles (logique multi-valuée, calcul approché) et les nouvelles architectures mémoire.

• Programmation et simulation : compétences en Verilog-A ou VHDL/Verilog pour la modélisation comportementale ; des notions de Python ou de scripting pour l'automatisation des simulations sont un atout.

• Qualités personnelles : rigueur scientifique, autonomie, goût pour le travail en équipe dans un contexte de projet collaboratif international (interactions régulières avec les partenaires français et allemands d'eCAT).

• La maîtrise de l'anglais scientifique (lecture, rédaction, présentation orale) est indispensable.