“Il mio lavoro consiste nel dialogare con chi sviluppa i dispositivi in azienda per capire quali siano le nuove esigenze, sviluppare modelli fisici in grado di descrivere questi fenomeni e integrarli nei software di simulazione. In questo modo, gli ingegneri possono progettare nuovi dispositivi tenendo conto anche di effetti che prima non erano considerati, rendendo i nostri strumenti di simulazione sempre più accurati e potenti”.
In questa intervista per la Società Italiana di Elettronica, la professoressa Susanna Reggiani, ricercatrice e docente all’Università di Bologna, ci ha spiegato come l’ingegnere elettronico possa inserirsi nell’ambito della modellazione fisica, mettendo in dialogo la comprensione dei fenomeni microscopici con le esigenze concrete della progettazione tecnologica dei dispositivi.
“I dispositivi elettronici sono piccole strutture realizzate all’interno di un cristallo di silicio, con configurazioni specifiche che permettono di ottimizzare il comportamento della corrente in funzione della tensione applicata. In questo modo il dispositivo diventa, di fatto, un interruttore: siamo in grado di controllare il passaggio della corrente, attivandola o interrompendola. Per ottenere però le migliori prestazioni dobbiamo arrivare a controllare la materia su scale estremamente piccole, quasi fino al livello degli atomi che costituiscono questi dispositivi. Entriamo quindi nel campo della fisica dei semiconduttori, perché dobbiamo capire come gli elettroni si muovono all’interno di un materiale solido e come trasportano la carica. Potrebbe sembrare che non ci sia nulla di veramente nuovo, perché i circuiti integrati esistono ormai da moltissimi anni. In realtà, ogni nuova generazione tecnologica richiede cambiamenti nei materiali utilizzati e nelle strutture dei dispositivi. Bisogna quindi individuare, ogni volta, la configurazione ottimale per migliorare parametri come la frequenza di funzionamento, la corrente e le tensioni applicate, in risposta alle nuove esigenze applicative. Nel flusso di progettazione dei dispositivi, infatti, una fase fondamentale è proprio quella iniziale dello studio teorico, che si basa quasi sempre sull’utilizzo di modelli di simulazione. Abbiamo un modello fisico-matematico e algoritmi che ne risolvono le equazioni, permettendoci di prevedere come dovrebbe comportarsi il dispositivo prima ancora di realizzarlo fisicamente. La difficoltà nasce dal fatto che queste strutture cambiano in modo molto rapido e radicale. Gli effetti fisici che dobbiamo descrivere nei modelli di simulazione non sono quasi mai completamente disponibili o già pronti: devono essere continuamente migliorati, perché ogni nuova tecnologia introduce fenomeni che prima non erano stati considerati. Il mio lavoro consiste proprio in questo: ascoltare chi sviluppa i dispositivi in azienda per comprendere quali siano le nuove esigenze, sviluppare il modello fisico necessario, implementarlo negli strumenti di simulazione e permettere, da quel momento in poi, di effettuare simulazioni tenendo conto anche di quegli effetti che prima non erano inclusi. In questo modo contribuiamo ad arricchire continuamente i software di simulazione, rendendoli strumenti sempre più accurati per progettare i dispositivi elettronici del futuro”.
Secondo la professoressa Reggiani, è proprio in questo spazio, tra fisica e tecnologia, che si colloca il ruolo dell’ingegnere elettronico. Parliamo, infatti, di professionisti in grado di comprendere i fenomeni alla base del funzionamento dei dispositivi e, allo stesso tempo, di tradurre questa conoscenza in modelli, strumenti e soluzioni applicabili nella progettazione.
“Gli ingegneri elettronici sono probabilmente tra le figure più vicine alla fisica perché nel nostro lavoro studiamo proprio i meccanismi fisici innovativi e cerchiamo di trasformarli in strumenti concreti per lo sviluppo di nuovi dispositivi. La differenza rispetto all’approccio più tradizionale della fisica è nella finalità del modello. Un fisico generalmente sviluppa un modello con l’obiettivo di comprendere e descrivere un determinato fenomeno fisico. Un ingegnere elettronico, invece, ha la necessità di costruire un modello che sia il più possibile semplice, compatto ed efficiente, in modo che possa essere utilizzato immediatamente nella pratica, cioè nella progettazione di nuovi dispositivi e nella realizzazione di prototipi. È quindi una modalità di lavoro diversa: come ingegnere devo prima comprendere il problema e poi trovare una soluzione che possa essere applicata concretamente e in tempi utili. Oggi questo percorso richiede inevitabilmente anche un passaggio verso l’intelligenza artificiale, perché l’AI rappresenta uno strumento che risponde sempre di più alla necessità di integrare competenze diverse: da una parte la comprensione profonda dei fenomeni fisici, dall’altra la capacità ingegneristica di trasformare questa conoscenza in soluzioni tecnologiche. In questo senso si apre un ambito di ricerca estremamente innovativo, con prospettive scientifiche molto interessanti. Naturalmente, a seconda delle aziende con cui si collabora, le applicazioni possono essere molto diverse, ma l’approccio rimane lo stesso. Nella mia esperienza spesso sono proprio le aziende a rivolgersi a noi, perché hanno l’esigenza di andare oltre la semplice applicazione del momento e sviluppare dispositivi basati su fondamenti fisici più solidi, pronti per essere utilizzati nelle tecnologie future. Queste collaborazioni generalmente durano diversi anni, perché il rapporto non si conclude con la realizzazione del modello. Seguiamo infatti anche la fase successiva, osservando come il modello viene implementato e acquisito all’interno degli strumenti di progettazione, continuando a collaborare ogni volta che emergono nuove problematiche o nuove esigenze di sviluppo”.
Oggi, la capacità dell’ingegnere elettronico di tradurre i fenomeni fisici in strumenti concreti per la progettazione è fondamentale per affrontare le nuove sfide tecnologiche. L’intelligenza artificiale ne è un esempio emblematico perché il suo sviluppo non dipende solo dal miglioramento degli algoritmi, ma anche dall’evoluzione dell’hardware che deve supportarne la crescita in termini di prestazione.
“La sfida principale oggi è sicuramente rappresentata dall’intelligenza artificiale. Finora l’AI è stata associata soprattutto agli algoritmi e al software, ma ci si sta rendendo sempre più conto che è necessario tornare a concentrarsi anche sull’hardware, cioè sulle tecnologie che devono permettere a questi sistemi di funzionare. Un aspetto spesso non evidente è infatti che la complessità delle GPU moderne richiederà una evoluzione continua dei dispositivi elementari che ne determinano le prestazioni. Quello che sta diventando sempre più evidente è che il vero elemento dominante nello sviluppo dell’intelligenza artificiale è proprio la tecnologia dei semiconduttori. I dispositivi che costituiscono queste piattaforme devono quindi continuare a migliorare ed è proprio in questo ambito che entra in gioco il ruolo degli ingegneri elettronici. Il nostro compito è contribuire allo sviluppo di tecnologie sempre più avanzate, capaci di sostenere la crescita dell’AI e di superare le nuove sfide di progettazione. È un settore che, almeno dal punto di vista tecnologico, ha ancora grandi possibilità di evoluzione: sappiamo che investendo risorse e sviluppando nuove soluzioni sarà possibile continuare a migliorare le prestazioni dei dispositivi. Tuttavia, per accompagnare questo progresso servono anche scelte strategiche a livello globale: in particolare, la spinta verso queste innovazioni dovrà essere sostenuta anche dalle normative e dalle politiche dei grandi Paesi. Un altro tema estremamente critico riguarda la disponibilità di competenze. Si sta creando una situazione in cui la società utilizza quotidianamente prodotti e servizi basati su queste tecnologie, ma quando arriva il momento di scegliere un percorso professionale sono ancora pochi i giovani che decidono di intraprendere studi di ingegneria e di specializzarsi proprio nei settori che saranno fondamentali per il futuro”.
