La sécurité est un sujet de plus en plus important dans notre société actuelle, afin de protéger les ressources critiques contre la divulgation d'informations, le vol ou les dommages. Le modèle informel des arbres d'attaque introduit par Schneier, et largement utilisé dans l'industrie, est recommandé dans le rapport de l'OTAN de 2008 pour gouverner l'évaluation de la menace dans l'analyse des risques. Depuis, les arbres d'attaque ont fait l'objet de nombreux travaux théoriques abordant différentes approches formelles. Ces travaux théoriques considèrent souvent deux généralisations différentes des arbres d'attaque, soit en ajoutant des contre-mesures (arbres d'attaque-défense), soit en considérant un système dynamique au lieu d'un cadre statique. Nous présentons d'abord un cadre mathématique pour traiter simultanément les deux généralisations des arbres d'attaque : nous équipons les arbres d'attaque-défense (ADT) d'une sémantique de langage (de traces), permettant d'avoir une interprétation dynamique originale des contre-mesures. Fait intéressant, l'expressivité des ADT coïncide avec les langages sans étoile, et les contre-mesures imbriquées impactent l'expressivité des ADT. Avec une notion appropriée de "profondeur des contre-mesures", nous exposons une hiérarchie stricte des langages sans étoile qui ne coïncide pas avec les hiérarchies classiques. De plus, nous définissons les ADT-games, des jeux (similaire aux jeux d'Ehrenfeucht-Fraïssé) capables de déterminer si un langage peut être exprimé par un ADT avec un certain nombre de contre-mesures imbriquées. Par ailleurs, motivés par l'utilisation des ADT en pratique, nous abordons les problèmes de décision concernant l'appartenance d'une trace à la sémantique, la non-vacuité et l'équivalence, et étudions leurs complexités computationnelles paramétrées par la profondeur des contre-mesures. De plus, nous proposons une interprétation à deux joueurs du formalisme des arbres d'attaque. Pour ce faire, nous remplaçons les systèmes de transition par des arènes de jeu concurrentes, et notre sémantique associée consiste en des stratégies. Nous montrons qu'une sémantique inductive canonique définissant cet ensemble, comme c'est courant pour les arbres d'attaque, n'est pas facilement réalisable dans ce cadre. Nous montrons ensuite que le problème de vacuité, connu pour être NP-complet dans la sémantique à 1 joueur, est désormais PSPACE-complet. De plus, nous montrons que le problème d'appartenance est coNP-complet pour notre interprétation à deux joueurs, tandis qu'il se réduit à PTIME dans la sémantique à 1 joueur.

Les Ressources Éducatives Libres (RELs) sont des matériaux d'enseignement, d'apprentissage et de recherche destinés au public, permettant leur utilisation libre. Elles peuvent être utilisées par les enseignants pour créer de nouveaux cours. Les enseignants peuvent combiner différentes RELs pour atteindre un objectif d'apprentissage spécifique. Le projet CLARA a été lancé pour permettre aux enseignants de créer des cours sous licence basées sur des RELs existantes. Dans cette thèse, financée par le projet CLARA, notre objectif est d'enrichir le corpus éducatif CLARA de RELs contenant des relations utiles entre elles, facilitant ainsi la navigation pour les enseignants. Pour ce faire, plusieurs contributions ont été apportées dans cette thèse. Premièrement, la création d'un outil de construction de dataset qui permet aux utilisateurs de créer leurs propres datasets éducatifs personnalisés à partir de transcriptions de vidéos YouTube. Deuxièmement, le développement d'une représentation vectorielle (embedding) qui prend en compte les spécificités des RELs, à savoir la centralité du contenu et la présence de caractéristiques sémantiques. Troisièmement, la proposition d'une méthode de requête qui récupère les RELs pertinentes pour une liste de mots-clés en se basant sur représentations RELs. Quatrièmement, la conception d'un modèle qui identifie les relations de précédence possibles entre des paires de REL en utilisant un Graphe de Connaissance (Knowledge Graph) et en exploitant un Réseau de Neurones sur Graphes (GNN). Les contributions faites fonctionnent en harmonie afin d'enrichir le corpus CLARA avec des ressources éducatives, de les récupérer et d'identifier les relations possibles entre elles, facilitant ainsi la navigation pour les utilisateurs.

La conception de circuits complexes, tels que les processeurs, nécessite un prototypage itératif afin d’explorer diverses caractéristiques micro architecturales et d’obtenir des performances optimales. Ce processus repose usuellement sur l’utilisation des langages de description matérielle comme Verilog qui nécessitent beaucoup de travail et sont sujets aux erreurs. Modifier un design impose souvent une réécriture significative du code HDL, rendant la conception itérative et l’exploration de l’espace de conception fastidieuses et inefficaces, en particulier avec l’augmentation de la complexité matérielle. La synthèse de haut niveau (HLS) offre une alternative en permettant aux concepteurs de décrire le comportement des processeurs dans des langages de haut niveau comme le C/C++. Cependant, comme la HLS repose sur un ordonnancement statique, elle gère de manière conservatrice les dépendances dans le processeur, dégradant ainsi les performances en augmentant l’intervalle d’initiation (II). Ce manuscrit propose une méthodologie pour concevoir des processeurs entièrement pipelinés en HLS sans exposer les détails du pipeline dans la spécification de haut niveau. Les contributions principales incluent des techniques de multi-threading statique et dynamique, un mécanisme d’ordonnancement dynamique et une architecture multi-coeur. Ces innovations permettent un pipelining efficace, une exploration rapide de l’espace de conception ainsi qu’une exécution performante. Les designs proposés sont validées sur FPGA, démontrant leur praticité et leur performances.

La cryptanalyse traditionnelle repose souvent sur des méthodes heuristiques et statistiques, mais les outils automatisés ont récemment suscité une attention particulière. Cette thèse explore leur application pour améliorer la cryptanalyse de chiffrements spécifiques. Nous revisitons d’abord les attaques boomerang à clés liées sur AES, en introduisant un modèle MILP avancé pour gérer les générations de sous-clés non linéaires, ce qui permet de réduire considérablement la complexité temporelle par rapport aux approches précédentes. Ensuite, nous améliorons l’attaque par rebond sur la fonction de hachage Grøstl avec un modèle MILP unifié qui automatise la recherche de chemins différentiels dans les phases entrantes et sortantes. Enfin, nous étendons le cadre MITM différentiel des chiffrements AndRX orientés mots aux chiffrements orientés bits, en proposant le premier modèle bit par bit automatisé pour identifier les attaques MITM différentielles complètes pour ces chiffrements. Les résultats présentés dans cette thèse mettent en évidence le potentiel des outils automatisés pour améliorer la cryptanalyse des chiffrements par blocs modernes et des fonctions de hachage, ouvrant la porte à de nouvelles avancées possibles dans la lutte contre des conceptions cryptographiques de plus en plus complexes.

Le tatouage numérique intègre des informations dans des contenus numériques tels que des images, de l'audio ou du texte, imperceptibles pour les humains mais détectables de manière robuste par des algorithmes spécialisés. Cette technologie a des applications importantes dans de nombreux défis de l'industrie tels que la modération de contenu, le traçage de contenu généré par IA et la surveillance de l'utilisation des modèles IA. Les contributions de cette thèse incluent le développement de nouvelles techniques de tatouage numérique pour les images, l'audio et le texte. Nous introduisons d'abord des méthodes pour la modération active des images sur les plateformes sociales. Nous nous concentrons ensuite sur des méthodes dédiées au contenu généré par IA. Nous démontrons spécifiquement des méthodes pour adapter les modèles génératifs latents afin d'incorporer des tatouages numériques dans tout contenu généré, identifier les sections marquées dans la parole, et améliorer le tatouage numérique dans les grands modèles de langage avec des tests qui garantissent un faible taux de faux positifs. De plus, nous explorons l'utilisation du tatouage numérique pour détecter le mésusage de modèle, par la détection de tatouages dans des modèles de langage affinés sur du texte tatoué, et par le tatouage des poids de transformer larges sans aucun entraînement. À travers ces contributions, la thèse offre des solutions efficaces pour les défis posés par l'utilisation croissante des modèles d'IA génératifs et le besoin de surveillance des modèles et de modération de contenu. Elle examine enfin les défis et les limitations des techniques de tatouage numérique, puis discute des orientations futures potentielles pour la recherche dans ce domaine.

Les dispositifs haptiques portables procurent des sensations tactiles tout en restant compacts. Ils ont été peu utilisés en réalité augmentée (RA), où le contenu virtuel est intégré à la perception du monde réel. Dans cette thèse, nous étudions leur utilisation pour améliorer les interactions de la main avec des objets virtuels et augmentés en RA. Nous commençons par étudier l'impact du rendu visuel sur la perception des textures vibrotactiles virtuelles qui augmentent des surfaces réelles touchées directement par le doigt. Nous proposons un système d’augmentation de textures visuo-haptiques à l'aide d'un casque de RA et d'un dispositif vibrotactile portable. Nous évaluons ensuite comment la rugosité perçue des textures augmentées diffère lorsqu'elles sont touchées via une main virtuelle, en réalité virtuelle (RV) et en RA, ou par sa propre main. Nous étudions alors le réalisme et la cohérence de la combinaison des textures augmentées visuelles et haptiques en RA. Nous étudions ensuite comment des retours sensoriels visuo-haptiques augmentant la main améliorent les performances et l’expérience utilisateur lors de la manipulation d'objets virtuels en RA. Nous commençons par étudier l'effet de six retours visuels de la main virtuelle comme augmentation de la main réelle. Nous évaluons ensuite deux techniques de contact vibrotactile à quatre endroits différents sur la main et nous les comparons à deux augmentations visuelles de la main.

Ce manuscrit présente les méthodes développées pour permettre l’exploration autonome d’un environnement 3D inconnu par un robot mobile. L’exploration est une tâche transverse, regroupant divers sous-problèmes ; ici, nous nous intéressons en particulier à la planification de trajectoires, essentielle pour la navigation autonome du robot. Nous proposons en particulier deux méthodes nouvelles de construction de graphes de navigation, utilisées ensuite comme base pour l’élaboration de stratégies d’exploration plus haut-niveau. Deux approches principales sont présentées, reflétant les deux grands courants de la littérature sur le sujet : l’exploration guidée par les frontières et l’exploration par maximisation de l’information. Les méthodes proposées sont évaluées en simulation et dans divers environnements réels.

Le traitement des données des charges utiles spatiales a été jusqu'à présent effectué au sol en raison des performances limitées des plates-formes de traitement embarquées. Cependant, grâce aux récents systèmes sur puce hétérogènes qualifiés pour l'espace, il est possible d'envisager une migration partielle des pipelines de traitement de données au sol vers la plateforme d'exécution embarquée des satellites. Cependant, en raison des caractéristiques très différentes des processeurs CPU et des FPGA (circuit reconfigurable), il est difficile d'effectuer efficacement la co-conception matérielle/logicielle. En particulier, en raison des propriétés de reconfigurabilité des FPGA, nous avons besoin d'une exploration de l'espace de conception (DSE) spécifique au matériel (HW) et à l'application, basée sur plusieurs fonctions objectifs. Dans cette thèse de doctorat, nous proposons des méthodologies efficaces d'exploration de l'espace de conception dédiées à la co-conception matérielle/logicielle. Nous proposons un modèle de performance permettant de comparer différentes implémentations matérielles/logicielles et de les positionner par rapport aux performances maximales théoriques de la plateforme d’exécution. Ainsi, les équipes chargées de la charge utile peuvent choisir une implémentation appropriée lorsqu'elles disposent de plusieurs bibliothèques matérielles/logicielles. Deuxièmement, nous proposons un outil d'aide à la conception matériel/logiciel qui permet à l'utilisateur de décider rapidement d'une cible d'exécution appropriée (CPU / FPGA) sans passer par un processus de conception laborieux. L'outil utilise la représentation intermédiaire LLVM et les passes d'analyse et de transformation de LLVM. Il prend en entrée un algorithme décrit à un haut niveau d’abstraction et fournit en sortie une description matérielle destinée à un outil de synthèse de haut niveau et accompagnée des optimisations à mettre en œuvre pour une cible FPGA. Ce type d’outil s’adresse en particulier aux utilisateurs qui souhaitent mettre en œuvre à partir de zéro un algorithme de traitement des données à embarquer dans un satellite et qui doivent très rapidement décider entre une cible d’exécution CPU ou FPGA.

Cette thèse porte sur la synthèse automatique de processeurs à jeu d'instructions en utilisant la synthèse de haut niveau (HLS). En particulier, nous visons à générer automatiquement des cœurs de processeurs pipelinés in-order à partir d'une description de haut niveau en C sous la forme d'un simulateur de jeu d'instructions (ISS). Au cours de notre travail, nous avons développé un flot de conception matérielle entièrement automatisé qui permet de compiler une description algorithmique en circuit spéculatif, SpecHLS. Nous proposons un ensemble de transformations de code basées sur le pipeline spéculatif de boucles, afin de révéler des opportunités de spéculation sur le flot de contrôle et la mémoire dans du code C, et nous générons du code spéculatif synthétisable à l'aide d'une chaîne d'outils de HLS commerciale. SpecHLS est capable de gérer plusieurs spéculations entremêlées, des spéculations indépendantes dans des modules matériels découplés, ainsi que la spéculation mémoire. Notre travail aboutit à un flot de conception capable de générer plusieurs instances de processeurs RISC-V in-order à partir d'un ISS. Nous montrons que nous pouvons explorer efficacement un espace de conception avec des centaines de milliers de configurations matérielles spéculatives possibles en quelques minutes, et générer des processeurs compétitifs avec des cœurs de processeurs embarqués.

Cette dissertation introduit et formalise la notion de structures comme moyen mathématique de capturer diverses propriétés dans plusieurs domaines scientifiques. Nous définissons les représentations structurelles comme des arbres ou des graphes acycliques dirigés (DAG) de structures, où la sémantique globale est la composition des structures individuelles, permettant un raisonnement inductif et modulaire. Nous formaliserons les notions de représentations inductives et de représentations canoniquement inductives. Nous étudions les conditions nécessaires et suffisantes pour que les représentations structurelles soient canoniques, en introduisant le concept de « confluence structurelle », non formalisée auparavant, et en proposant plusieurs approximations. Nous appliquons notre théorie aux fonctions Booléennes, montrant qu'elle unifie la plupart des variantes de diagrammes de décision binaire tout en suggérant une manière systématique d'en concevoir de nouvelles. Enfin, nous discutons brièvement de leur mise en œuvre et des résultats expérimentaux encourageants, qui soutiennent notre affirmation selon laquelle les représentations basées sur la structure sont conçues pour une utilisation pratique.