Da un sogno da studente all’opportunità concreta di realizzarlo: così nasce il progetto PoliHeePo che ha l’obiettivo di rendere l’Italia più autonoma nella produzione di chip e allo stesso tempo insegnare agli studenti come si progettano e costruiscono.
La Società Italiana di Elettronica ha voluto raccontare la nascita di questo progetto intervistando due dei principali protagonisti: il prof. Maurizio Martina e il ricercatore Luigi Giuffrida, entrambi ingegneri elettronici del Politecnico di Torino.
“La mia passione per l’ingegneria elettronica è nata in un modo piuttosto atipico. Dopo il liceo scientifico non sapevo praticamente nulla di elettronica, non avevo la curiosità di smontare, programmare e nemmeno l’informatica mi era familiare. Ho iniziato ingegneria elettronica completamente “scevro da condizionamenti”, e infatti all’inizio ho faticato parecchio perché erano concetti nuovi per me. La scelta di studiare ingegneria elettronica era dettata dal desiderio di lavorare in un’azienda che producesse strumenti musicali elettronici. Poi durante la tesi ho conosciuto i dottorandi del laboratorio e mi sono incuriosito. Da lì in poi mi sono appassionato alla ricerca occupandomi soprattutto di elettronica digitale e circuiti digitali integrati, che sono rimasti il mio ambito principale anche oggi”.
L’esperienza personale maturata durante gli anni da studente del Prof. Martina è stata la vera e propria chiave di volta del progetto. L’idea di ripensare il modo in cui si insegna la progettazione dei circuiti integrati offre oggi agli studenti la possibilità di seguirne l’intero ciclo di vita.
“Da studente ho imparato a progettare un circuito digitale integrato in modo molto incrementale e frammentato. Mi sarebbe invece piaciuto poter affrontare la progettazione di un circuito integrato nella sua interezza, arrivando fino alla fabbricazione. Il flusso di progetto, però, era suddiviso in molte parti, spesso affrontate senza una vera formalizzazione all’interno degli insegnamenti, se non in alcuni percorsi di tesi rivolti a chi già si inseriva in ambiti fortemente specialistici. Quando ho avuto l’opportunità di contribuire agli insegnamenti di elettronica digitale, il mio obiettivo è stato proprio quello di mostrare agli studenti come si progetta un circuito digitale integrato dall’inizio alla fine. In questo senso credo di esserci riuscito solo in parte. Esiste infatti un insegnamento, Integrated System Architecture, che rappresenta il corso più specialistico del nostro settore, all’interno del quale mostriamo circa il 90% del flusso di progetto di un circuito digitale integrato. Ciò che ancora manca è la possibilità di mandare effettivamente in fabbricazione un circuito e riceverlo indietro, per poterlo misurare, testare e valutarne le prestazioni reali”.
Una parte del desiderio del prof. Martina nato durante gli anni da studente ha trovato realizzazione ma a restare esclusa era la produzione del chip per ragioni economiche.
L’elettronica del chip PoliHeePo
“Questo progetto ha un forte valore simbolico: dimostrare che è possibile realizzare un chip. E dal momento che avevamo delle risorse a disposizione, abbiamo deciso di ‘lanciare il cuore oltre l’ostacolo’ e progettare qualcosa che non fosse fine a sé stesso, ma che avesse elementi di reale interesse e innovazione. Le principali novità del chip progettato sono tre. La prima è il processore RISC-V, basato su un insieme di istruzioni che sono completamente accessibili a tutti e gratuite. Le altre due novità riguardano la presenza di acceleratori hardware dedicati a due grandi categorie di applicazioni oggi particolarmente rilevanti: l’intelligenza artificiale e la crittografia post-quantum, pensata per resistere ad attacchi provenienti da computer quantistici. Il processore RISC-V è stato sviluppato dai colleghi del Laboratorio di Sistemi Embedded del Politecnico di Losanna, dove lavora un nostro ex studente del Politecnico di Torino, oggi attivo proprio in quel laboratorio. Un ringraziamento va anche al progetto SERICS, che ha fornito i finanziamenti nell’ambito del PNRR, e alla Fondazione Chips-IT, che ci ha supportato nella fase finale, immediatamente precedente alla messa in produzione del chip”.
Guardando al futuro, il prof. Martina immagina di realizzare chip sempre più sofisticati, con processori e acceleratori più potenti. Sul fronte tecnologico, invece, il tema centrale resta l’open hardware, cioè la possibilità di progettare e condividere chip in modo trasparente e accessibile a tutti.
“In futuro vorremmo provare a realizzare altri chip analoghi, da un lato utilizzando processori più sofisticati e dall’altro integrando acceleratori diversi, anch’essi più avanzati. Questo è un aspetto principalmente legato alla ricerca scientifica. C’è poi una dimensione che vedo più connessa alla tecnologia e, forse ancora di più, all’ingegneria: la crescente diffusione delle tecnologie open. Uno dei problemi della progettazione di circuiti integrati è che gli strumenti di progetto sono software che girano su PC e sono a pagamento. Non si tratta di un ostacolo insormontabile grazie ai consorzi che permettono di accedervi a costi ridotti, ma esiste un secondo nodo, più complesso, legato alla fabbricazione del chip. Le tecnologie produttive e le aziende che realizzano i chip non rendono infatti disponibili le informazioni a chiunque, ma solo dopo la firma di accordi di riservatezza. Questo rende difficile, dal punto di vista operativo, arrivare davvero alla realizzazione di un chip. Noi, come Politecnico, abbiamo la fortuna di accedere agli strumenti di progettazione e alle tecnologie di fabbricazione mentre realtà più piccole incontrano molte più difficoltà. Negli ultimi anni, però, stanno emergendo tecnologie open che permettono a chiunque, anche a un privato cittadino, di provare a progettare un circuito elettronico digitale dall’inizio alla fine. Rimane ovviamente il tema dei costi di progettazione, ma quando la tecnologia è open il progettista ha piena visibilità di tutti i dettagli di ciò che andrà a realizzare. È su questo fronte che, a mio avviso, l’ingegneria elettronica dovrà fare un passo avanti nei prossimi anni”.
L’ingegnere elettronico come figura chiave
Nella realizzazione del progetto PoliHeePo, il prof. Martina ha coinvolto il suo team abituale, tra cui Luigi Giuffrida, che ha scelto di mettersi in gioco in questo esperimento. Secondo il ricercatore, oggi ciò che distingue un ingegnere elettronico è la capacità di lavorare in modo trasversale.
“Oggi ciò che viene davvero richiesto è la trasversalità, e credo che l’ingegnere elettronico sia particolarmente adatto a svilupparla. Nel mio lavoro quotidiano mi confronto sia con aspetti circuitali sia con quelli informatici, tutto ciò che consente di comprendere cosa accade dal momento in cui si preme un tasto sul computer fino a ciò che cambia sullo schermo. È una marcia in più che noi ingegneri elettronici abbiamo. Le competenze tecniche si acquisiscono e poi si specializzano nel tempo, a seconda dei diversi ambiti applicativi. All’inizio, però, servono soprattutto curiosità e disponibilità a imparare in modo trasversale. È fondamentale sapersi muovere in più direzioni, soprattutto in progetti come il nostro, dove è necessario avere internamente tutte le competenze: dalla progettazione all’implementazione, fino alla fase in cui il chip arriva e bisogna saperlo usare davvero, conoscendo anche il codice che viene eseguito. Si tratta anche di provare a muoversi verso tecnologie più scalate e più avanzate. Non parlo solo di processori e acceleratori più complessi, ma di tecnologie che pongono sfide ingegneristiche più articolate. Questo ci permetterebbe di avvicinarci allo stato dell’arte dell’industria, che è molto diverso da quello accademico. È stimolante capire se sia possibile gestire una complessità di questo tipo e riuscire comunque a ottenere misure affidabili”.
Secondo il prof. Martina, questo approccio trasversale nelle scuole è poco sviluppato. L’informatica è più accessibile e cattura facilmente l’interesse degli studenti, mentre l’elettronica rimane più distante, con il rischio che molti non abbiano l’occasione di scoprire le proprie capacità in questo campo.
“A questo si aggiunge un effetto storico legato all’elettronica in Italia: chi si occupa di elettronica digitale è sempre visto come una figura particolare, che vive in una zona d’ombra all’interfaccia tra elettronica e informatica. Gli elettronici di un tempo ci vedevano come informatici, mentre gli informatici ci percepiscono come elettronici. Questo ha creato ancora oggi l’idea che l’ingegnere elettronico sia o chi aggiusta la radio e la TV, trascorrendo le giornate a saldare e riparare oggetti, oppure chi progetta sistemi così complessi da richiedere competenze quasi impossibili. C’è la percezione che l’ingegneria elettronica sia una scienza vecchia, polverosa; se poi la avvicini all’informatica diventa simile a questa, ma più difficile, perché porta con sé questioni legate ai circuiti, che molti percepiscono come complicate”.
Luigi Giuffrida aggiunge che se le scuole sapranno stimolare questa attitudine fin dall’inizio, le nuove generazioni di ingegneri elettronici saranno pronte a confrontarsi con sfide sempre più ambiziose.
“Nell’informatica la barriera d’ingresso è un po’ più bassa. Se uno studente vuole provare a sperimentare con un linguaggio di programmazione, il “costo” è semplicemente scaricare un software, seguire un tutorial e mettersi al lavoro. Nell’elettronica, invece, le cose sono più complesse: c’è il rischio di prendere la corrente, e per iniziare bisogna conoscere leggi fisiche di base, quindi l’approccio è intrinsecamente più difficile”.
