“Ho sempre avuto una grande passione per i computer. Però, più che l’aspetto esterno, mi ha sempre incuriosito quello che c’era dentro: il funzionamento, i componenti, la logica che rende possibile tutto. Ricordo che nei primi anni di liceo mi sono divertito ad assemblare il mio primo computer. Pensavo che l’ingegnere informatico si occupasse del software, mentre quello elettronico dell’hardware e, siccome ero affascinato proprio dalla parte “fisica” delle macchine, alla fine del liceo ho scelto ingegneria elettronica. Ma devo ammettere che, al momento dell’iscrizione all’università, non avevo davvero idea di cosa fosse nel concreto questa disciplina”.

A raccontare del suo percorso esplorativo dell’ingegneria elettronica è Piergiulio Mannocci, ricercatore presso il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria al Politecnico di Milano.

“Ho scoperto l’ingegneria elettronica studiandola ed è stato bello proprio perché è avvenuto in modo del tutto esplorativo. Più andavo avanti, più mi rendevo conto di quanto questo campo fosse vasto e articolato. L’elettronica è un grande contenitore con al suo interno tantissime discipline diverse, ognuna con le proprie peculiarità e i propri ambiti di interesse. Il fatto di aver scoperto questo mondo senza aspettative precise mi ha permesso di apprezzarlo ancora di più”.

 

Elettronica e informatica non sono così distanti

“Il tradizionale paradigma che separava nettamente informatica e software da un lato ed elettronica e hardware dall’altro, un tempo molto radicato e compartimentato, negli ultimi anni si è progressivamente dissolto. Oggi i confini tra queste discipline sono sempre più sfumati. L’ingegnere elettronico, infatti, non può più limitarsi alla sola progettazione hardware: deve essere in grado di muoversi con disinvoltura anche tra concetti di software, programmazione e machine learning. Con l’avvento dell’intelligenza artificiale, la comprensione degli algoritmi è diventata fondamentale anche nelle attività di progettazione e sviluppo tipiche dell’elettronica. Allo stesso tempo, chi si occupa di software non può prescindere da una conoscenza approfondita dell’hardware su cui il codice verrà eseguito. Le prestazioni, l’efficienza e persino alcune scelte progettuali dipendono sempre più dall’interazione stretta tra questi due livelli. Sono ormai diffusissimi sistemi integrati, acceleratori e architetture in cui hardware e software sono progettati congiuntamente. A ciò si aggiunge un panorama applicativo estremamente vasto e in continua espansione, che richiede flessibilità, aggiornamento continuo e una visione sempre più interdisciplinare”.

 

Come si realizza un chip intelligente

Piergiulio Mannocci spiega come il “chip intelligente” sviluppato presso il Politecnico di Milano rappresenti un esempio concreto e avanzato di integrazione tra competenze e discipline diverse. Un sistema in cui hardware, software e algoritmi danno vita a soluzioni innovative, capaci di rispondere alle attuali sfide tecnologiche.

“Alla base di questo dispositivo c’è un concetto noto come calcolo in memoria (in-memory computing). L’idea nasce dall’esigenza di superare uno dei limiti strutturali dei calcolatori tradizionali, che ancora oggi si basano in larga parte su una netta separazione tra due componenti fondamentali: da un lato l’unità di calcolo, dove vengono eseguite le operazioni, e dall’altro l’unità di memoria, dove i dati sono immagazzinati. Questo paradigma, dominante per decenni e alla base sia delle architetture hardware sia di quelle software, è stato estremamente efficace nelle prime fasi dello sviluppo dell’informatica. Oggi, però, con le esigenze delle applicazioni moderne, in particolare quelle legate all’intelligenza artificiale, che richiedono l’elaborazione di enormi quantità di dati, questo modello sta mostrando i suoi limiti. Il problema principale è legato al continuo trasferimento di dati tra memoria e unità di calcolo. Ogni operazione richiede che i dati vengano prelevati dalla memoria, spostati verso il processore, elaborati e poi riscritti nuovamente in memoria. Questo flusso continuo comporta un costo elevatissimo in termini di energia e tempo, arrivando a rappresentare una parte predominante del consumo complessivo. Il chip che abbiamo sviluppato affronta direttamente questa criticità, eliminando la separazione tra memoria e calcolo. Invece di avere due unità distinte, il sistema integra le capacità di elaborazione direttamente dove i dati sono conservati. In altre parole, i calcoli vengono eseguiti all’interno della memoria stessa. Questo approccio consente di ridurre drasticamente, o addirittura eliminare, il trasferimento dei dati, con benefici significativi in termini di velocità ed efficienza energetica. Il risultato è un sistema più rapido, più efficiente e anche più sostenibile, in linea con uno degli obiettivi principali della nostra ricerca: sviluppare tecnologie avanzate che non solo migliorino le prestazioni, ma riducano anche l’impatto energetico complessivo”.

La realizzazione del chip intelligente si colloca nell’ambito del progetto ANIMATE (ANalogue In-Memory Computing with Advanced device Technology), guidato dal Prof. Daniele Ielmini. Il progetto si fonda su una linea di ricerca preliminare dedicata al paradigma del CL-IMC (Closed-Loop In-Memory Computing), cioè il calcolo in memoria ad anello chiuso. Tra le potenzialità emergono tempi di elaborazione più rapidi e un consumo energetico fino a 5.000 volte inferiore rispetto ai tradizionali sistemi di calcolo digitali.

“Il chip, realizzato in collaborazione con STMicroelectronics, è progettato attorno a questa nuova architettura e, in particolare, sfrutta un fenomeno puramente elettronico: la retroazione. Si tratta di una configurazione circuitale in cui l’uscita di un sistema viene riportata all’ingresso, permettendo di accelerare alcune operazioni, soprattutto quelle di tipo inverso. Queste operazioni sono centrali in numerosi ambiti applicativi: dall’intelligenza artificiale, ad esempio nell’addestramento delle reti neurali, fino alle telecomunicazioni, dove vengono eseguite quotidianamente nelle stazioni base del 5G e del 6G. Si tratta però di processi estremamente onerosi dal punto di vista computazionale, perché richiedono un numero molto elevato di elaborazioni per risolvere problemi complessi. Il nostro chip è in grado di affrontare questa sfida in modo radicale, accelerando tali operazioni e riducendo il consumo energetico, con un notevole abbattimento anche della latenza. In questo senso, introduce una nuova architettura di calcolo che potrebbe rappresentare la base per una futura generazione di acceleratori, pensati per gestire una classe di problemi sempre più diffusa, dalle infrastrutture urbane intelligenti fino ai dispositivi personali, ma con costi energetici e operativi drasticamente ridotti”.

Il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Daniele Ielmini, di cui fa parte l’ingegnere Mannocci, rappresenta una realtà di primo piano nel panorama della ricerca sull’elettronica avanzata, distinguendosi per un approccio fortemente interdisciplinare e orientato all’innovazione.

“Stiamo lavorando su dispositivi di memoria emergenti, con applicazioni che spaziano sia nell’ambito dello storage sia in quello del calcolo. Parallelamente, portiamo avanti diverse linee di ricerca dedicate allo studio dei materiali, in particolare quelli bidimensionali, utilizzati ad esempio per lo sviluppo di dispositivi di memoria non volatile. In passato, queste tecnologie sono state impiegate anche nella realizzazione di sistemi per il rilevamento e la previsione di crisi epilettiche.

Accanto a queste attività, sono in corso ulteriori progetti in collaborazione con STMicroelectronics, focalizzati sulla progettazione di chip per reti neurali destinati al settore automotive. In questo contesto, le applicazioni principali riguardano il riconoscimento di immagini e l’analisi di sequenze, ambiti sempre più centrali nello sviluppo di sistemi intelligenti per la mobilità”.

L’ingegnere elettronico del futuro

Secondo il ricercatore Mannocci, oggi l’ingegnere elettronico non può più considerarsi un professionista confinato alla propria nicchia perché deve confrontarsi con una contaminazione continua di discipline diverse, dall’informatica e dalla matematica fino a settori applicativi come le telecomunicazioni o l’ingegneria biomedica.

“Con lo sviluppo dei sistemi embedded, sempre più orientati a dispositivi portatili e applicazioni reali, diventa imprescindibile avere una conoscenza trasversale e mantenere un contatto stretto con tutte queste aree, integrando competenze per progettare sistemi complessi ed efficienti. La perfusione rappresenta la sfida imminente. I sistemi stanno evolvendo da un’architettura tradizionalmente centralizzata, caratterizzata da grandi nodi centrali, a un ecosistema distribuito, in cui numerosi piccoli calcolatori devono svolgere compiti specifici e collaborare tra loro. Questo cambiamento porta con sé una serie complessa di sfide: dal consumo energetico all’ottimizzazione della comunicazione, passando per la gestione e l’immagazzinamento dei dati, il tutto con l’obiettivo di trasferire le informazioni nel minor tempo possibile. In questo contesto emergono sfide tecnologiche fondamentali. Sin dall’avvento dei semiconduttori, abbiamo fatto affidamento sul processo di miniaturizzazione, arrivando oggi ai limiti fisici dei materiali, fino alle dimensioni atomiche. Per proseguire lungo questa strada, è necessario sviluppare nuove tecnologie e materiali innovativi. È un lavoro che richiederà decenni di ricerca, e per affrontarlo servono ingegneri elettronici preparati e motivati, pronti a guidare le prossime frontiere dell’innovazione”.

Guardando alle nuove generazioni, l’ingegnere rivolge alcuni consigli agli studenti e agli ingegneri di domani, per affrontare il percorso di studi e costruire le competenze del futuro, dalle difficoltà iniziali fino all’importanza dell’esperienza pratica.

“Chi riesce a superare i primi anni, spesso caratterizzati da molta teoria, ne trae poi un grande beneficio, acquisisce una visione più completa della disciplina ed è in grado di applicare con maggiore consapevolezza i concetti in contesti pratici. All’inizio, la materia può risultare respingente proprio perché non immediatamente intuitiva e si sente il bisogno di vedere applicazioni concrete per appassionarsi davvero. Al Politecnico di Milano si sta investendo sempre di più nel potenziamento della didattica laboratoriale fin dai primi anni. È un passo importante, anche se c’è ancora margine per rafforzare ulteriormente la parte pratica senza trascurare quella teorica. In questo equilibrio tra teoria e pratica, un ruolo chiave è svolto anche dalle associazioni studentesche che rappresentano un’opportunità preziosa. Durante il mio percorso universitario ho partecipato a un’associazione in cui progettavamo e costruivamo razzi sonda, arrivando a lanciarli fino a un chilometro di apogeo. Esperienze di questo tipo sono veri e propri banchi di prova, in cui i concetti appresi a lezione prendono forma e diventano strumenti concreti. Il consiglio che mi sento di dare, che è anche quello che avrei voluto ricevere, è di non lasciarsi scoraggiare dalla complessità iniziale. È del tutto normale trovarsi di fronte ai grandi concetti dell’elettronica e non comprenderli subito. Si tratta di una disciplina che richiede tempo e pazienza, ma che è accessibile a chiunque sia disposto ad affrontarla con costanza. Spesso viene percepita come astrusa, e questo può portare alcuni studenti a scoraggiarsi fino ad abbandonare. In realtà, se affrontata con i giusti tempi e senza fretta, può essere compresa e apprezzata molto più di quanto si immagini”.