La Prof.ssa Francesca Palumbo dell’Università di Cagliari, intervistata dalla Società Italiana di Elettronica, punta l’attenzione su due aspetti importanti per le scelte dei giovani che si affacciano al mondo universitario: l’importanza di un buon metodo di studio e la fiducia nel proprio percorso, al di là delle paure iniziali.

“La paura di scegliere il percorso di studi, in fondo, non dovrebbe esistere quando si hanno delle buone basi”.

È con queste parole che la Prof.ssa Palumbo ha iniziato a raccontare del momento in cui si è trovata a scegliere il suo corso di laurea.

“Ricordo che, davanti all’enorme mole di fisica e matematica che avrei dovuto affrontare, mi sono chiesta più volte se le mie basi fossero davvero sufficienti. Ma col tempo ho capito che ciò che conta di più è il metodo. Essere pronti al percorso con un atteggiamento aperto e consapevole fa davvero la differenza”.

La sua esperienza personale dimostra che anche una formazione classica può fornire buone basi per gli ambiti scientifici.

“Ho una formazione classica, durante la quale mi sono appassionata alla fisica e, in particolare, all’elettronica. Inizialmente avevo il timore di non avere le basi giuste per affrontare un percorso tecnico, ma il mio professore di fisica mi rassicurò dicendomi che, proprio grazie al liceo classico, avevo sviluppato una forma mentis solida e versatile, capace di affrontare qualsiasi corso di laurea. Fu lui, con i suoi preziosi consigli e un discorso illuminante sugli sbocchi professionali dell’elettronica, a indirizzarmi verso questa strada. Mi sono così iscritta al corso di laurea in Ingegneria Elettronica presso l’Università di Cagliari, con un interesse particolare per l’ambito dello sviluppo hardware, e in particolare per l’elettronica digitale”.

La prof.ssa Palumbo ha sottolineato, inoltre, che ogni percorso universitario presenta delle difficoltà, ma ognuno richiede abilità diverse:

“Ingegneria elettronica è sicuramente una facoltà impegnativa, ma non lo è più di altre. Ogni percorso ha le sue sfide: ad esempio, giurisprudenza richiede una grande capacità di memorizzazione, che è a sua volta un’abilità. Anche lo studio del greco classico mi ha lasciato qualcosa di profondo: mi ha insegnato a ragionare, a decifrare, a vedere oltre le parole. Ed è lo stesso tipo di pensiero analitico e strutturato che ritrovo oggi nelle materie scientifiche. Alla fine, ciò che resta davvero è la capacità di pensare, e quella si costruisce un passo alla volta, qualunque sia la strada che si sceglie”.

L’ingegneria elettronica e i sistemi embedded

“Mi occupo di sistemi embedded e di dispositivi edge, ovvero tecnologie vicine all’utente perché portatili o indossabili. Il mio lavoro consiste nel portare la computazione complessa il più possibile vicino alla fonte dell’informazione. Per esempio, significa integrare l’intelligenza artificiale direttamente nelle telecamere di sorveglianza o in un braccialetto da polso per il monitoraggio dei parametri vitali. È un ambito fortemente legato all’informatica, ma senza i dispositivi e le architetture progettati dagli ingegneri elettronici, quell’AI vicina alle persone non potrebbe essere supportata. L’elettronica è diventata parte integrante e pervasiva della nostra vita: c’è, funziona, e spesso la diamo per scontata. Ma dietro un assistente vocale come Alexa, c’è qualcuno che ha progettato l’hardware su cui tutto si basa”.

La prof.ssa Palumbo ci ha illustrato il nuovo progetto a cui sta lavorando, basato sull’utilizzo del natural language processing (NLP), ovvero la capacità dell’intelligenza artificiale di comprendere e analizzare il linguaggio umano. Il progetto si inserisce nell’ambito della smart agriculture, un settore in cui si fa sempre più affidamento su dispositivi complessi. L’obiettivo è rendere l’interazione con questi strumenti più semplice ed efficiente, ad esempio attraverso comandi vocali. Questo approccio non solo migliora l’esperienza d’uso, ma aumenta anche la sicurezza, poiché consente all’operatore di controllare i dispositivi senza doverli toccare fisicamente.

“Per intenderci, un dispositivo come Alexa non funzionerebbe in una campagna isolata della Sardegna, dove non c’è accesso a Internet. Portare quella complessità ‘vicino’ alla persona significa rendere possibile l’elaborazione direttamente sul dispositivo, senza dipendere necessariamente dalla connessione. Questo richiede un grande lavoro sull’architettura del sistema e sulle capacità hardware: è qui che l’ingegneria elettronica diventa fondamentale. Senza una solida base elettronica, tutta l’intelligenza artificiale non avrebbe un supporto fisico su cui operare”.

MYRTUS è un altro progetto a cui la Prof.ssa Palumbo sta lavorando, con l’obiettivo di utilizzare l’intelligenza artificiale non per lo sviluppo di applicazioni, ma per la gestione dei sistemi di calcolo. Infatti, l’elaborazione in locale (edge computing) non è sempre sufficiente. Oggi il trend più rilevante è la creazione di un continuum computazionale: una rete di dispositivi, dal più vicino all’utente fino al cloud, che collaborano tra loro.

“In alcuni scenari, come nel caso di un braccialetto indossabile, la potenza di calcolo è limitata e si rende necessario affidarsi al cloud. In altri casi, invece, per risparmiare energia e ridurre la latenza, è preferibile elaborare localmente, evitando l’invio dei dati, l’attesa della risposta e il conseguente dispendio energetico. Questo continuum, per quanto potente, è difficile da gestire: spesso la distribuzione delle risorse è stabilita manualmente e rimane statica. MYRTUS propone un approccio innovativo, in cui è l’intelligenza artificiale a gestire dinamicamente le risorse disponibili, adattandosi al contesto e alle esigenze in tempo reale. Non si tratta di un progetto legato a una specifica applicazione, ma di una soluzione trasversale, applicabile a moltissimi ambiti diversi”.

Un altro progetto, sviluppato nell’ambito del PNRR, riguarda il riconoscimento di comportamenti stereotipati legati alla sindrome di Rett, attraverso l’utilizzo di un braccialetto indossabile. L’obiettivo è individuare, tramite l’analisi locale dei dati rilevati dai sensori sul bracciale, movimenti ripetitivi delle mani tipici della sindrome e attivare in risposta un sistema domotico in grado auspicabilmente di interrompere in maniera non invasiva questi comportamenti.

“Ad esempio, il braccialetto può comunicare via Bluetooth con l’ambiente circostante per attivare luci o suoni, come una melodia, che distraggano e distolgano l’attenzione dal gesto compulsivo”.

Consigli per i futuri ingegneri elettronici

Il ruolo dell’ingegnere elettronico nell’ambito dei sistemi embedded è quello di trovare soluzioni nuove. Bisogna sviluppare architetture in grado di rispondere a esigenze sempre più caratterizzate da ottime prestazioni, velocità e funzionalità. Le architetture devono essere low power e abbiamo a che fare con un set di risorse limitate.

“La sfida è portare quanto più vicino a noi le architetture che ci servono, rispettando l’ambiente in cui viviamo. Non ci sono confini nei sistemi embedded ed è stimolante. Consiglio sempre ai miei studenti, nel momento in cui devono scegliere la laurea magistrale, di non chiudersi in una scatola. Oggi sono molto in voga percorsi fortemente orientati a settori specifici, come la robotica o l’automotive. Questo è molto interessante, ma il mio invito è a mantenere una visione ampia e trasversale, perché il mondo della tecnologia evolve rapidamente e ciò che oggi è centrale, domani potrebbe essere superato”.

La prof.ssa Palumbo ha concluso la sua intervista sottolineando che non può esserci un futuro senza l’elettronica o senza l’informatica, che spesso vengono viste come discipline separate, quasi in contrapposizione, ma in realtà devono essere alleate.

“Noi ci occupiamo di sviluppare architetture, ma chi progetta i dispositivi deve conoscere a fondo i meccanismi della computazione. Solo così è possibile creare soluzioni davvero efficaci e innovative. Il mio consiglio è di restare sempre aggiornati, curiosi, con lo sguardo rivolto al mondo. Discipline come l’elettronica e l’informatica sono cruciali perché rispondono a un bisogno reale: siamo affamati di innovazione, e servono persone capaci di costruirla.
La vera sfida è questa: come possiamo trasformare il mondo in cui viviamo in un mondo più sostenibile? Come possiamo appassionarci al miglioramento delle tecnologie che ci circondano? Non possiamo tornare indietro, ma possiamo, e dobbiamo, andare avanti, migliorando ogni passo”.

“Un ingegnere elettronico deve avere la passione e il desiderio di vedere un progetto completo e funzionante. Deve essere mosso dalla voglia di risolvere problemi e trasformare le idee in realtà. L’esame finale del mio corso consiste proprio nel realizzare un progetto concreto. Spesso gli studenti mi raccontano che, nonostante l’impegno richiesto, non hanno percepito il lavoro come una fatica, ma come una sfida piacevole. Mi dicono: ‘Volevo vederlo finito, e per questo continuavo a lavorarci finché non ha funzionato’”.

È con questo spirito che Paolo Meloni, Professore associato all’Università di Cagliari, ha intrapreso il suo percorso, ed è lo stesso entusiasmo che oggi trasmette ai suoi studenti.

Intervistato dalla Società Italiana di Elettronica, ci ha raccontato delle sue attività di ricerca nell’ambito delle architetture di calcolo e di componenti elettronici che vengono integrati in sistemi all’interno di un unico chip. La sua attività si concentra sui sistemi embedded, cioè quei sistemi di calcolo progettati per svolgere un’applicazione specifica.

“Questi sistemi sono fortemente ottimizzati in termini di consumo energetico, costi e portabilità, proprio in funzione delle esigenze delle applicazioni che devono eseguire. Negli ultimi anni, stiamo lavorando maggiormente su hardware per intelligenza artificiale. Studiamo nuovi processori, acceleratori e sistemi che rendano possibile l’esecuzione di calcoli complessi richiesti dagli algoritmi di AI”.

Il Prof. Meloni ha spiegato che si occupa principalmente di intelligenza artificiale applicata all’edge, quindi l’esecuzione del calcolo direttamente all’interno del sistema embedded che ospita anche il sensore che acquisisce i dati.

“Si tratta di un approccio opposto rispetto a quello più tradizionale e diffuso, in cui i dati vengono raccolti e poi inviati a un cloud remoto per essere elaborati da cluster di supercalcolo. Quest’ultimo modello presenta alcune criticità, come la latenza e la scarsa portabilità, che lo rendono inadatto a certe applicazioni. Nel nostro caso, invece, ci concentriamo su soluzioni ottimizzate in grado di effettuare un primo livello di processamento dei dati direttamente in locale, senza la necessità di comunicare con l’esterno. Questo consente di ridurre i tempi di risposta e migliorare l’efficienza, soprattutto in contesti in cui la tempestività e l’autonomia sono fondamentali”.

La maggior parte dell’attività di ricerca del Prof. Meloni si inserisce all’interno di progetti congiunti, finanziati dalla Comunità Europea. Attualmente è impegnato in due progetti europei che coinvolgono diversi partner industriali.

“Alcune delle aziende con cui collaboriamo partecipano allo sviluppo dell’architettura e dei componenti. Altre, invece, sono aziende utilizzatrici: il loro obiettivo è integrare tecnologie basate sull’intelligenza artificiale nei propri processi per migliorarne l’efficienza. In questi casi, forniamo supporto per l’integrazione dell’AI nei loro prodotti e strumenti, anche se non operano direttamente nel settore dell’elettronica. Ci sono poi aziende focalizzate sullo sviluppo software, che, pur non progettando l’hardware direttamente, hanno la necessità di programmarlo in modo efficiente. Per farlo, devono conoscerne a fondo le caratteristiche e ricevono da parte nostra un supporto tecnico per sfruttarne appieno le potenzialità”.

I due principali progetti a cui il prof. Meloni sta attualmente lavorando si chiamano EdgeAI e H2TRAIN e riguardano, rispettivamente, lo sviluppo di nuove soluzioni per il calcolo at-the-edge, e l’applicazione di tali architetture nei settori dell’healthcare e del monitoraggio dell’attività sportiva.

Di recente, in questo contesto, il team di UNICA si è occupato di testare nuove soluzioni che ricadono nell’ambito dell’hardware neuromorfico:

“Abbiamo sviluppato una piattaforma hardware a cui abbiamo dato il nome di SYNtzulu, che in sardo significa “zanzara”, un nome che riflette la sua natura compatta, leggera e reattiva. SYNtzulu utilizza un’architettura pensata per processare reti neurali spiking, ispirata al funzionamento del cervello umano, e sta offrendo risultati molto promettenti in termini di efficienza e flessibilità. Il dispositivo è stato pensato per diversi tipi di utilizzo. Per esempio, in diversi casi è impiegato a diretto contatto con segnali biologici, per acquisire e interpretare dati fisiologici in tempo reale, da utilizzare appunto in ambito sportivo o sanitario”.

L’ingegnere elettronico e le sfide del futuro

La visione dell’ingegnere elettronico delineata dal Prof. Meloni è quella di una figura sempre più competente ed efficiente, sia nella progettazione che nella programmazione, capace di affrontare le problematiche con un approccio ampio e trasversale nell’utilizzo dei sistemi.

“Non ci si può limitare al proprio ambito di competenza: per ottenere soluzioni realmente ottimizzate, è necessario comprendere a fondo l’interazione tra hardware, software e i livelli intermedi che li connettono. Questo approccio è particolarmente interessante anche per chi è appassionato di tecnologie più inerenti l’informatica. L’elettronico, infatti, oltre a utilizzare strumenti, librerie o applicazioni sviluppate da altri, possiede una conoscenza profonda dei livelli sottostanti. Questo gli consente di creare un legame diretto tra ciò che progetta e i principi fisici che ne regolano il funzionamento, sfruttando una prospettiva unica e completa sul sistema”.

Secondo il prof. Meloni, la possibilità di spostare l’elaborazione dai sistemi centralizzati verso i dispositivi locali non è più solo una tendenza, ma sta rapidamente diventando una necessità.

“L’esplosione dell’intelligenza artificiale, in particolare dell’AI generativa, ha portato a una gestione quasi esclusivamente cloud-based, con un conseguente aumento del carico energetico sui megaserver. Questo modello sta mostrando i suoi limiti in termini di scalabilità e sostenibilità. Distribuire il carico computazionale anche su dispositivi più piccoli, locali e meno energivori rappresenta quindi una strada cruciale per ridurre i costi energetici e rendere l’AI davvero accessibile e sostenibile nel lungo termine. Parallelamente, la ricerca si sta muovendo verso architetture di calcolo radicalmente diverse da quelle tradizionali. Tecnologie emergenti come il calcolo quantistico, neuromorfico o in-memory computing stanno ridefinendo la filosofia stessa dell’elaborazione. Sono ambiti in forte espansione e rappresentano le prossime grandi sfide tecnologiche”.

Come esempio, in riferimento alla propria attività, spiega che, mentre l’intelligenza artificiale utilizzata fino ad oggi si basa prevalentemente su reti neurali tradizionali che estraggono caratteristiche dai dati numerici e processati in modo continuo, un’interessante evoluzione è costituita dalle reti neurali spiking che, invece, processano eventi.

“Questi nuovi paradigmi possono ridurre drasticamente il consumo energetico, rendendoli ideali per applicazioni come i dispositivi indossabili. A differenza delle reti convenzionali, le reti spiking non elaborano dati in forma continua, ma si concentrano su eventi discreti, ovvero su cambiamenti significativi nei dati. Ad esempio, un’unità di elaborazione può attivarsi solo quando un valore supera una certa soglia. In questo modo, il carico computazionale si concentra esclusivamente sugli eventi rilevanti, riducendo notevolmente il numero di operazioni necessarie. Questa logica è ispirata direttamente dalla biologia: nel cervello umano, i neuroni comunicano attraverso impulsi elettrici (spike), che veicolano l’informazione in modo asincrono ed estremamente efficiente. Oggi esistono diverse tecniche, sia a livello algoritmico che hardware, che permettono di sfruttare il paradigma event-based per ottenere maggiore efficienza energetica rispetto ai modelli tradizionali, i quali si basano su una codifica binaria e una computazione continua. L’obiettivo è sviluppare soluzioni che non siano semplicemente migliorative, ma che portino a un cambiamento radicale nel modo in cui concepiamo e utilizziamo il calcolo”.

Il prof. Meloni conclude la sua intervista affermando che non si può diventare un ingegnere versatile senza avere una buona conoscenza dell’elettronica e spetta a chi educa far capire che le cose non sono slegate l’una dall’altra.

“I grossi problemi che la nostra generazione e le successive si trovano a risolvere, come per esempio il cambiamento climatico e la cura di malattie incurabili, si possono risolvere solo comprendendo l’interazione tra i diversi livelli. Noto tra gli studenti la tendenza a preferire gli strumenti tipici dell’informatica, perché si basano su librerie e meccanismi stabili. Può apparire più divertente lavorare sul lato concettuale dell’applicazione, mentre l’elettronico, che si trova di più a scontrarsi con la scarsa predicibilità dello sviluppo di nuovo hardware, deve mettere in campo la passione che ci vuole per sviluppare circuiti. In realtà, così come non è possibile sviluppare hardware buono se non si sa per cosa viene usato e quale software eseguirà, non è possibile scrivere software efficiente senza conoscere i dettagli tecnici del calcolatore che si userà. Capire tutto lo stack, cioè tutte le componenti del sistema, è fondamentale per diventare bravi!”.

“La tecnologia di oggi è il risultato di un intreccio di competenze sempre più complesse. Nessuno, da solo, può rivoluzionare un settore: è fondamentale unire competenze complementari e integrate per generare innovazione. L’ingegnere elettronico, ad esempio, deve collaborare con biomedici, fisici, biologi e medici per sviluppare soluzioni all’avanguardia e affrontare le sfide del futuro”.

È il messaggio che emerge dall’intervista che il Prof. Massimo Barbaro, docente dell’Università di Cagliari, ha recentemente rilasciato per la Società Italiana di Elettronica.

Il Prof. Barbaro è un ingegnere elettronico con un dottorato in ingegneria elettronica e informatica che ha maturato un’importante esperienza nel campo dell’elettronica e della microtecnologia, specializzandosi nella progettazione di circuiti integrati per sensori intelligenti, capaci di elaborare dati in autonomia.

“Durante il dottorato mi sono occupato di sensori di immagine, retina artificiale e sistemi neuromorfici, adottando un approccio all’acquisizione delle immagini che integra, direttamente su silicio, strutture di elaborazione ispirate al funzionamento della retina umana”.

Dopo il dottorato, si è occupato di elettronica per rilevazione di biomolecole tramite sensori in silicio. Si tratta di sensori che misurano interazioni del DNA riuscendo a misurare la presenza di una sequenza di DNA in un campione confrontandola con un campione noto e fornendo una risposta immediata in forma elettronica.

I circuiti integrati e le interazioni con il DNA

Il Prof. Barbaro ha spiegato che, tradizionalmente, il riconoscimento delle sequenze di DNA avviene attraverso metodi ottici. Lo sviluppo dell’ingegneria elettronica, invece, ha sviluppato un approccio innovativo basato esclusivamente su tecnologie elettroniche.

“Si tratta di sensori in grado di misurare direttamente la reazione biomolecolare che avviene quando una sequenza di DNA si lega alla sua complementare. Questo processo genera un fenomeno elettrico rilevabile da un sensore integrato. Il principale vantaggio di questa tecnologia è la possibilità di effettuare misurazioni dirette, senza dover ricorrere a sistemi ottici come le telecamere, utilizzati nell’approccio tradizionale. L’obiettivo è sviluppare dispositivi portatili in grado di analizzare il DNA ovunque, non solo in laboratorio, ma anche in contesti come ambulanze o aeroporti. Un sensore integrato di questo tipo potrebbe, ad esempio, essere impiegato per eseguire test rapidi in aeroporto durante una pandemia, e potrebbe analizzare contemporaneamente migliaia di campione nello stesso momento”.

Insieme al suo gruppo di ricerca, il Prof. Barbaro sta lavorando alle applicazioni dell’elettronica in ambito biomedicale, concentrandosi in particolare sull’elettronica impiantabile. Il team sta sviluppando dispositivi in grado di essere impiantati nel corpo umano e di operare in autonomia, creando interfacce dirette tra il sistema neurale e dispositivi esterni.

“Abbiamo lavorato nel campo delle neuroprotesi, dispositivi che si collegano direttamente al sistema nervoso per interpretare l’intenzione del paziente. Attraverso la microelettronica impiantabile, queste protesi rilevano i segnali elettrici che viaggiano nel sistema nervoso e li utilizzano per controllare il movimento dell’arto artificiale. Ma l’aspetto più innovativo è la possibilità di restituire al cervello un ritorno sensoriale, generando sensazioni artificiali simili a quelle naturali. Una volta impiantato, il dispositivo viene integrato nel corpo, ricucito, alimentato in modalità wireless e monitorato a distanza. Parallelamente, stiamo lavorando anche su soluzioni indossabili, una sfida ancora più complessa, poiché richiede di stimolare il nervo in profondità utilizzando correnti applicate dall’esterno del corpo”.

Il Prof. Barbaro ha aggiunto che questa tecnologia potrebbe essere applicata anche per percepire sensazioni provenienti dal mondo virtuale, realizzando sistemi di realtà virtuale che generano sensazioni naturali attraverso la stimolazione sensoriale, permettendo un’interazione diretta e immersiva.

Le competenze dell’ingegnere elettronico

L’ingegnere elettronico che lavora in questo è una figura che si occupa dello sviluppo di circuiti per sistemi integrati con funzionalità avanzate, adattandoli a contesti estremi.

“Nel caso dell’elettronica impiantabile, è fondamentale progettare dispositivi a bassissimo consumo energetico, poiché devono operare all’interno del corpo con un dispendio minimo di energia. Inoltre, è necessaria una competenza specifica nella progettazione di sistemi di trasmissione wireless dell’energia, ad esempio tramite accoppiamento induttivo. Anche la comunicazione rappresenta una sfida: tecnologie come Wi-Fi o Bluetooth non sono adatte, poiché le frequenze utilizzate non attraversano facilmente i tessuti biologici. Per questo, è essenziale sviluppare circuiti ottimizzati per garantire una trasmissione efficiente. Un altro aspetto cruciale è la programmabilità e la versatilità dei dispositivi. Se un ingegnere biomedico vuole sperimentare diverse modalità di stimolazione o monitorare parametri per regolare la sensazione generata, l’ingegnere elettronico deve progettare circuiti facilmente programmabili e controllabili, garantendo flessibilità e facilità d’uso”.

Il Prof. Barbaro ci ha raccontato delle tante iniziative pensate dall’Università di Cagliari per avvicinare i giovani allo studio dell’ingegneria ancor prima di arrivare all’università.

“L’Università di Cagliari ha sviluppato un programma ricco di attività informative sul corso di laurea in Ingegneria Elettronica, Informatica e delle Telecomunicazioni. Solitamente, in autunno apriamo le porte dei nostri laboratori e, successivamente, organizziamo eventi satellite nelle scuole, per raggiungere anche le realtà più distanti che potrebbero avere difficoltà a spostarsi. In questo modo, siamo in grado di avvicinare i giovani alle opportunità offerte dal nostro corso, superando le barriere logistiche. Il programma include quattro Open Day: uno presso l’Università e tre nelle scuole dell’isola. Inoltre, offriamo corsi pratici ed esperienziali, dove gli studenti possono immergersi in attività come la costruzione e il controllo di robot o la creazione di dispositivi pseudo-medicali, come ad esempio un sistema per misurare il battito cardiaco tramite un LED. Queste esperienze pratiche consentono di comprendere concretamente cosa significhi sviluppare un sistema e utilizzare strumenti semplificati, avvicinando i partecipanti al mondo dell’ingegneria in modo coinvolgente e interattivo”.

L’affidabilità dei dispositivi elettronici è un tema che da sempre appassiona la Professoressa Giovanna Mura dell’Università di Cagliari. In questa intervista per la Società Italiana di Elettronica, ci ha raccontato la sua esperienza e il suo impegno in questo campo.

Dopo la laurea in ingegneria elettronica, la Professoressa Mura ha conseguito un dottorato di ricerca durante il quale ha iniziato a occuparsi di affidabilità e diagnostica dei dispositivi elettronici.

“Fin dal dottorato, mi sono interessata a diversi aspetti legati ai dispositivi optoelettronici e fotonici. Questi dispositivi possono emettere luce, o assorbirla e convertirla in energia. Queste tecnologie sono straordinarie e hanno un impatto importante in svariati ambiti della nostra vita.  Grazie a una lunga collaborazione con l’Università di Padova, ho lavorato sull’affidabilità e la diagnostica di LED, laser e celle solari. Abbiamo studiato l’affidabilità di questi dispositivi sottoponendoli a diversi fattori di degradazione con l’obiettivo di spingerli al limite per individuare eventuali debolezze e fornire ai produttori feedback utili per migliorare il processo di produzione. Questo approccio, per esempio, ha contribuito a passare da LED, con una durata limitata, a sorgenti luminose con numerosi vantaggi: elevato tempo di vita, grande efficienza energetica, qualità della luce superiore rispetto alle precedenti fonti di illuminazione e applicazioni innovative. Un esempio è l’illuminazione della Cappella Sistina, dove i LED garantiscono una visione ottimale che permette di apprezzare meglio gli affreschi, evitando al contempo di danneggiare i pigmenti e consumando molta meno elettricità delle sorgenti luminose tradizionali”.

La Professoressa Mura ci ha spiegato che l’affidabilità dei dispositivi elettronici comprende tutte le attività volte a valutarne la conformità nel tempo. Queste attività vengono svolte sia dalle aziende produttrici di elettronica sia nei processi di qualifica, per verificare se un componente può essere impiegato in settori particolarmente critici. Il testing affidabilistico è quindi fondamentale per determinare se il dispositivo è in grado di mantenere le proprie prestazioni per un determinato periodo in specifici contesti applicativi, come il settore automotive, aerospaziale e biomedicale.

“Mi occupo anche di diagnostica e analisi dei guasti, una sorta di “autopsia” dei dispositivi elettronici per capire perché si degradano o smettono di funzionare. L’obiettivo di questa analisi è individuare le cause del guasto, localizzare il punto esatto del danneggiamento e comprendere il meccanismo fisico-chimico responsabile del fallimento. Queste analisi vengono condotte sia all’interno delle aziende produttrici sia a valle di test di affidabilità, chiamati prove di vita accelerata. In questi casi, si conoscono gli stress applicati e si studia come abbiano influito sui materiali. Inoltre, l’analisi dei guasti può essere richiesta dopo un incidente, quando è necessario stabilire le responsabilità e determinare chi debba risponderne”.

L’affidabilità dell’elettronica è un aspetto cruciale anche nel settore aerospaziale dove la manutenzione è quasi impossibile. Un esempio significativo è rappresentato dai CubeSat, piccoli satelliti che stanno rivoluzionando l’accesso allo spazio e dando impulso alla cosiddetta New Space Economy. Questi dispositivi, dal peso di appena 1 kg e dal costo contenuto, rendono lo spazio più accessibile a università, privati e aziende, aprendo nuove opportunità in settori come le telecomunicazioni, la geolocalizzazione, il telerilevamento e la ricerca accademica.

“I CubeSat si distinguono dai satelliti monolitici tradizionalmente utilizzati dalle agenzie spaziali per il loro basso costo, i tempi di sviluppo ridotti e l’impiego di elettronica commerciale non progettata per l’ambiente spaziale. Tuttavia, questa caratteristica li rende meno affidabili e soggetti a frequenti guasti. Il mio interesse è studiare l’affidabilità di questi satelliti, poiché il loro malfunzionamento non solo compromette la missione, ma contribuisce anche all’inquinamento spaziale. I CubeSat inattivi restano in orbita, aumentando il rischio di collisioni con satelliti più grandi e importanti. La proliferazione di detriti spaziali è un problema urgente perché sta portando alla congestione dell’orbita bassa. Per questo, più che sulla manutenzione ancora di difficile applicazione, il mio obiettivo è riflettere su strategie per migliorare la loro affidabilità fin dalla progettazione, perché il miglior modo per evitare problemi derivanti dai detriti orbitali sarebbe in primo luogo quello di non causarli”.

L’ingegneria elettronica e la contraffazione

L’affidabilità elettronica è strettamente legata anche al problema della contraffazione. Esiste un vasto mercato di dispositivi elettronici contraffatti, che sembrano possedere determinate caratteristiche ma, in realtà, potrebbero avere difettosità latenti o essere stati recuperati da rifiuti elettronici, ricondizionati e poi rivenduti facendo credere siano nuovi.

“Questi dispositivi, che vengono venduti come autentici e nuovi ma in realtà non lo sono, possono compromette le prestazioni e la sicurezza dei sistemi in cui vengono impiegati. Pertanto, rappresentano un rischio per settori come la difesa, l’aerospazio, il biomedicale e l’industria automobilistica. Per questo motivo, è necessario acquistare solo da rivenditori autorizzati ma bisogna anche sviluppare strategie di controllo qualità e metodi di autenticazione per individuare e contrastare la diffusione di componenti falsificati, soprattutto quando l’obsolescenza ci impone l’acquisto di elettronica di dubbia provenienza. Mi sono appassionata a questa tematica e ho iniziato a utilizzare le tecniche di analisi dei guasti per identificare componenti elettronici contraffatti. Tuttavia, queste tecniche sono distruttive, poiché per dimostrare la contraffazione è necessario distruggere il dispositivo. Oggi, stiamo esplorando approcci più avanzati, che includono l’uso del machine learning e di tecniche non distruttive, che ci permettono di analizzare i dispositivi aumentando l’efficacia dell’identificazione senza comprometterne l’integrità”.

Essere a conoscenza del problema e poter identificare i componenti elettronici contraffatti è fondamentale, soprattutto perché questi dispositivi non offrono garanzie di affidabilità. A seconda dell’ambito di applicazione, un componente difettoso può causare guasti critici, mettendo a rischio la sicurezza di persone, sistemi e infrastrutture.

L’ingegneria elettronica del futuro

Tra le tante sfide che l’ingegneria elettronica dovrà affrontare è certamente importante considerare la sostenibilità e circolarità dell’elettronica per prolungare il loro ciclo di vita e ridurre la quantità di rifiuti destinati alle discariche.

“Un esempio virtuoso è lo smartphone Fairphone, prodotto da un’azienda olandese che si prefigge di minimizzare l’impatto etico e ambientale della nostra elettronica, progettato per essere facilmente riparabile, permettendo agli utenti di sostituire moduli invece di dover acquistare un nuovo dispositivo. Oltre alla riparabilità, è fondamentale sviluppare strategie efficaci per il recupero dei materiali. Diversi elementi chimici utilizzati nell’elettronica provengono da zone di conflitto e sono sempre più difficili da ottenere in modo etico e sostenibile. L’attuale modello di produzione contribuisce alla generazione di ingenti quantità di rifiuti elettronici, che spesso finiscono in circuiti illegali, con gravi impatti sull’ambiente. Questi rifiuti causano inquinamento del suolo, dell’aria e contaminazione delle acque, con effetti devastanti sulla salute, in particolare nei paesi in cui il loro smaltimento avviene senza regolamentazioni adeguate”.

La Prof.ssa Mura ha aggiunto che per affrontare e vincere queste sfide, è fondamentale avvicinare i futuri ingegneri, anche quelli che ancora non sono consapevoli della loro futura carriera, per illustrare tutte le opportunità offerte dal nostro settore.

“Molti ritengono che l’ingegneria sia troppo complessa, il che può rappresentare un deterrente. Certamente, è un corso di laurea impegnativo, ma offre enormi soddisfazioni. Bisogna mettersi in gioco, accettando anche i fallimenti, che, in realtà, sono parte integrante del processo di crescita. L’ingegneria elettronica, come tutte le altre branche dell’ingegneria, ha il potenziale di migliorare la qualità della vita, un aspetto sicuramente molto attrattivo. È cruciale concentrarsi sui giovani e iniziare a divulgare queste conoscenze fin dalla più giovane età, soprattutto per incoraggiare anche le ragazze a non precludersi una carriera scientifica a causa di stereotipi di genere e convenzioni sociali che non le invogliano verso le discipline STEM ”.

“Oggi, paradossalmente, il settore delle telecomunicazioni soffre di una percezione errata: sembra un ambito già maturo, dove “c’è poco altro da fare”. In realtà, le sfide sono ancora molte, ma non sempre sono percepite come rivoluzionarie dai giovani. È per questo che, oggi più che mai, è necessario trasmettere loro la consapevolezza dell’impatto che possono avere su questo settore”.

È con questa riflessione che si apre l’intervista che Andrea Detti, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Roma “Tor Vergata”, ha rilasciato per la Società Italiana di Elettronica.

Il Prof. Detti ha raccontato che inizialmente si era iscritto a Ingegneria Informatica, spinto dalla passione per l’informatica, che lo aveva portato già a 16 anni a sviluppare un programma di gestione magazzino che il padre utilizza ancora oggi nel suo negozio. Dopo due anni, decise di passare a Telecomunicazioni, attratto dal corso di Teoria dei Segnali e dalle reti di telecomunicazioni, un ponte tra informatica e trasmissione dei dati su radio, fibra o rame.

Dopo il dottorato di Ricerca in Telecomunicazioni a Tor Vergata, la sua carriera accademica è proseguita con il ruolo di ricercatore. Oggi insegna Mobile Wireless Networks (reti cellulari) e Cloud Computing and Networking al corso di laurea magistrale in “ICT and Internet Engineering”, e al corso triennale “Ingegneria di Internet”. Si tratta di un percorso internazionale che integra informatica e telecomunicazioni con un focus sulle infrastrutture.

“Ho studiato ingegneria e svolto il dottorato negli anni in cui si assisteva all’espansione dei primi sistemi cellulari e di Internet. Il telefono cellulare era un oggetto del desiderio e l’innovazione in questi settori dominava il panorama tecnologico. Questo fermento ha influenzato la mia scelta verso le telecomunicazioni e l’informatica, un po’ come accade oggi con l’intelligenza artificiale o le energie rinnovabili”.

Le reti cellulari e il cloud computing

Il Prof. Detti ha spiegato che le reti cellulari sono composte da stazioni radio base, spesso installate su edifici e con le loro antenne coprono un’area di territorio chiamata cella. Quando una cella termina, ne inizia un’altra servita da un’altra antenna, garantendo una copertura continua che permette agli utenti di muoversi liberamente restando sempre connessi alla rete.

“Oggi siamo giunti alla quinta generazione delle reti cellulari, il 5G, che rappresenta un importante avanzamento tecnologico, soprattutto per le aziende. Consente la creazione di reti cellulari private a basso costo, utilizzabili per servizi interni aziendali. Rispetto al Wi-Fi, una rete 5G privata supporta applicazioni mission-critical e ad alto bitrate su ampie aree industriali all’aperto o di grandi dimensioni, come aeroporti, stazioni e stabilimenti produttivi. Il 5G offre vantaggi importanti anche agli utenti: oltre a una maggiore velocità rispetto al 4G, garantisce una latenza ridotta, ovvero il tempo che intercorre tra l’invio e la ricezione di un’informazione. Questo è essenziale per applicazioni come videogiochi in tempo reale, controllo remoto di robot e veicoli a guida autonoma”.

Il cloud computing, invece, consiste in servizi informatici offerti dai cloud provider alle aziende per sviluppare e gestire applicazioni web come WhatsApp, email, YouTube, videogiochi online come FIFA e Fortnite, o soluzioni per la domotica e l’automazione.

“I servizi cloud operano all’interno di enormi data center distribuiti in tutto il mondo, contenenti centinaia di migliaia di server, reti ottiche ultra-veloci, GPU per l’intelligenza artificiale e altri hardware avanzati. Tuttavia, queste infrastrutture richiedono un elevato consumo energetico, dell’ordine di decine di gigawattora, con i data center europei che rappresentano tra il 2% e il 3% del consumo energetico totale. Oggi, praticamente tutte le applicazioni di larga scala si basano su servizi cloud, consentendo alle aziende di ridurre i costi infrastrutturali noleggiando risorse dai cloud provider, garantendo al contempo elevati livelli di affidabilità e prestazioni”.

L’ingegnere elettronico nelle sfide delle telecomunicazioni

“Oggi, la quasi totalità delle applicazioni coinvolge una rete cellulare, Internet e un data center cloud. In questa catena, due elementi – e mezzo, si potrebbe dire – appartengono al settore delle telecomunicazioni, che quindi avrà un ruolo da protagonista. Il “mezzo” attore in più è rappresentato dalle reti all’interno dei data center cloud, essenziali per interconnettere server e servizi. Sul fronte della rete fissa – Internet e le reti dei data center – una delle sfide interessanti riguarda il potenziamento della rete di trasporto ottica”.

L’innovazione punta sia a migliorare l’efficienza spettrale della fibra ottica, aumentando la capacità trasmissiva, sia a perfezionare la qualità della fibra stessa con nuove strutture, come le hollow-core optical fibers. Queste riducono disturbi, attenuazione e ritardi di propagazione, consentendo trasmissioni a decine di terabit al secondo con costi e impatti ambientali ridotti.

“Un’altra area di innovazione riguarda l’ottimizzazione dell’uso delle risorse di rete, migliorando la qualità del servizio attraverso un’allocazione dinamica e adattativa dei flussi informativi nei diversi percorsi di rete disponibili. In questo ambito, l’intelligenza artificiale, combinata a tecnologie di controllo avanzate come il Software-Defined Networking (SDN), avrà un ruolo chiave nell’automazione e nella gestione intelligente delle reti”.

Sul fronte rete cellulare, sono già in corso studi sulla futura generazione, il 6G che punterà a un’integrazione più stretta con stazioni radio base satellitari a bassa orbita, garantendo una copertura globale. Un’altra innovazione riguarda l’uso del dominio THz, finora inesplorato, per creare ponti radio ad altissima velocità tra stazioni radio base non collegate da fibra ottica. Infine, sul fronte della sicurezza, si esplorano soluzioni basate sulla fisica quantistica, che potrebbero rivoluzionare la protezione delle comunicazioni.

“Parallelamente, anche il cloud computing sta evolvendo verso un’architettura più distribuita, con l’adozione sempre più diffusa dell’edge computing. Questo modello prevede la presenza di data center di piccola scala, posizionati più vicino agli utenti, in cui possono operare sia le applicazioni sia le network functions che oggi compongono l’infrastruttura interna del 5G e del futuro 6G. In pratica, con questi edge data center si crea un corto circuito tra applicazioni e reti cellulari, riducendo così la dipendenza da Internet, migliorando latenza e capacità di trasferimento dati. La grande sfida sarà quindi il controllo e l’orchestrazione dei servizi cloud, decidendo quali processi eseguire all’edge e quali nel cloud centrale. Le applicazioni dovranno essere ripensate per adattarsi a questa distribuzione geografica dei servizi. Infine la riduzione del consumo energetico dei data center ed un sempre più massiccio uso di energie rinnovabili sono una ulteriore sfida che già oggi stiamo affrontando”.

Le telecomunicazioni forniscono l’infrastruttura che permette alle applicazioni di comunicare a distanza. Al di sopra di esse si trova pertanto l’informatica, mentre al di sotto vi è l’elettronica, che costituisce la base hardware necessaria al funzionamento dei sistemi di rete e cloud. Sebbene le telecomunicazioni siano oggi sempre più basate su componenti software, le soluzioni hardware ed elettroniche restano fondamentali sia per la trasmissione e ricezione dei segnali, sia per l’elaborazione efficiente del software stesso.

“L’ingegnere elettronico nel settore delle telecomunicazioni e dei sistemi informatici può operare in diversi ambiti legati allo sviluppo delle loro componenti fondamentali. Sono richiesti trasmettitori e ricevitori ad altissime frequenze, amplificatori a bassissimo rumore, sia elettronici che ottici, e schede di rete sempre più performanti e programmabili, capaci di gestire centinaia di gigabit al secondo. Inoltre, sono essenziali processori avanzati, GPU per l’intelligenza artificiale e schede hardware dedicate alla sicurezza e alla codifica video, progettate per garantire elevate prestazioni con un consumo energetico ottimizzato. Inoltre, nel settore della difesa e dello spazio, l’ingegneria elettronica gioca un ruolo cruciale, con componenti altamente critiche che devono garantire prestazioni elevate anche in condizioni estreme. L’evoluzione delle telecomunicazioni e dei sistemi informatici continuerà a richiedere innovazione hardware, rendendo l’ingegnere elettronico una figura chiave nello sviluppo delle tecnologie del futuro”.

La Società Italiana di Elettronica ha intervistato il Prof. Battista Biggio, docente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell’Università di Cagliari, recentemente insignito del prestigioso titolo di IEEE Fellow. Il riconoscimento, conferito dall’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), è riservato a studiosi che, nel corso della loro carriera, si sono distinti per contributi importanti in uno dei campi di interesse dell’IEEE.

Il Prof. Biggio è un ingegnere elettronico che subito dopo la laurea ha intrapreso un percorso di dottorato spostando il suo focus verso l’informatica. In particolare, ha iniziato a lavorare su tematiche legate alla sicurezza dell’intelligenza artificiale applicata alla cyber-security.

“Uno dei primi problemi che abbiamo affrontato riguardava il riconoscimento delle immagini di spam. Era un campo emergente all’epoca, e ci siamo concentrati su come rendere i sistemi di intelligenza artificiale più robusti contro attacchi mirati”.

Il Prof. Biggio ha spiegato che negli anni in cui ha iniziato a lavorare in questo campo, una tecnica diffusa nelle campagne di spam via email consisteva nell’incapsulare il messaggio di spam all’interno di un’immagine. Si generava uno screenshot del testo, impedendo così ai filtri antispam di analizzarlo direttamente e riconoscerne il contenuto. Per rendere ancora più difficile l’identificazione automatica, le immagini venivano alterate con colori particolari, caratteri distorti oppure sfondi complessi, tutti elementi pensati per offuscare la lettura automatica del testo.

“Abbiamo lavorato su questo problema sviluppando un sistema di rilevazione basato sull’intelligenza artificiale. Parallelamente, abbiamo scoperto che c’erano già studi embrionali che cercavano di modellare il problema come un gioco tra attaccante e difensore: da un lato, il difensore è il modello di intelligenza artificiale che cerca di individuare lo spam; dall’altro, l’attaccante è lo spammer, che cerca di eludere i filtri modificando il messaggio. A quel punto, ci siamo chiesti: quanto sono realmente robusti gli algoritmi di AI contro tentativi mirati di evasione? Cosa accade se un attaccante inizia a cambiare alcune parole nel testo o a manipolare i pixel dell’immagine per ingannare il sistema? Da questa domanda è nata la nostra ricerca sulla sicurezza dell’intelligenza artificiale e la sua capacità di resistere ad attacchi adattivi”.

L’approccio adottato è quindi quello di simulare un attaccante in grado di comprendere il funzionamento dell’algoritmo e di ottimizzare in maniera automatica gli attacchi per evadere i sistemi di rilevazione, manipolando i dati forniti come input all’algoritmo stesso.

“Un attaccante esperto può esaminare il testo per identificare le parole più efficaci da modificare e aggirare così i sistemi di rilevazione. Allo stesso modo, nel caso delle immagini, può individuare e alterare specifici pixel per rendere il contenuto irriconoscibile agli algoritmi di rilevazione. Studiare queste strategie permette di comprendere le vulnerabilità degli algoritmi di machine learning e sviluppare soluzioni per contrastare attacchi sempre più sofisticati”.

L’ingegneria elettronica e la manipolazione dei dati

Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, per evadere la rilevazione dei sistemi basati su intelligenza artificiale, non è necessario imitare il comportamento dei dati legittimi (es. ad inserire le parole normalmente usate nelle email legittime), ma è sufficiente generare nuove varianti che si discostano sia dai dati legittimi che da quelli di attacco precedentemente analizzati dall’algoritmo. Ciò dimostra che, nonostante gli algoritmi di intelligenza artificiale siano molto accurati, sono anche estremamente fragili e facili da ingannare. Questo tipo di manipolazione rientra negli attacchi evasivi, che avvengono quando il sistema è già in produzione e mirano a eludere la rilevazione adattandosi alle sue regole.

“Durante un periodo di ricerca in Germania, ho iniziato a studiare altri nuovi tipi di attacchi rivolti ai sistemi di intelligenza artificiale. Insieme ai colleghi ci siamo chiesti cosa accadrebbe se un attaccante riuscisse a manipolare i dati di addestramento, oltre ai dati processati dal sistema una volta in produzione. L’approccio era quello di guardare il problema dal punto di vista dell’attaccante: se avesse il controllo, anche solo parziale, dei dati usati per allenare e costruire il sistema di AI, come potrebbe agire per impedire all’algoritmo di apprendere correttamente?
Abbiamo scoperto una vulnerabilità critica in alcuni modelli e dimostrato che, ottimizzando l’attacco contro il modello vittima, bastano poche modifiche mirate ai dati di addestramento per comprometterne l’apprendimento. In fase di produzione, l’accuratezza del modello sui dati puliti crollava, rendendolo incapace di riconoscere correttamente cifre e testi. Questo dimostra quanto sia fragile l’intelligenza artificiale di fronte a manipolazioni mirate durante l’addestramento, ormai note come attacchi di poisoning (avvelenamento)”.

Nel corso dell’intervista, il Prof. Biggio ha raccontato che, nel 2014, un team di Google Brain ha dimostrato le stesse vulnerabilità agli attacchi evasivi nelle reti neurali profonde, quelle che oggi conosciamo come “deep learning”.

“La cosa interessante è che noi siamo arrivati a questa scoperta partendo dallo studio della sicurezza: ci siamo chiesti come un attaccante informatico potrebbe manipolare i dati forniti all’algoritmo di AI per comprometterne la capacità di riconoscimento in fase operativa. Google Brain, invece, è partito da una prospettiva diversa: capire perché queste reti neurali profonde imparano così bene. Nel loro esperimento, hanno analizzato il comportamento dell’algoritmo cercando di interpretarlo. Si sono chiesti: se parto da un’immagine di uno scuolabus e la modifico progressivamente, quando la rete neurale inizierà a classificarla per esempio come uno struzzo? Si aspettavano di vedere una trasformazione graduale dell’immagine, ma il risultato è stato sorprendente: bastavano piccolissime modifiche ai pixel, quasi impercettibili all’occhio umano, per far sì che l’algoritmo cambiasse completamente la sua classificazione. Questa scoperta ha portato alla definizione di “esempi ostili” (adversarial examples) e da quel momento la ricerca sulla sicurezza del deep learning è esplosa”.

Quando si parla di perturbazione dei dati o di modifica dei pixel di un’immagine, si fa riferimento al modo in cui l’immagine viene rappresentata come una griglia di numeri, dove ogni numero corrisponde all’intensità di un pixel. L’obiettivo è determinare se, per ogni pixel, sia necessario aumentare i livelli di colore, definendo un limite massimo per la perturbazione.

“Ad esempio, si potrebbe stabilire che ogni pixel può variare al massimo di 5 livelli di intensità. Partendo da questa restrizione sul “rumore”, si cerca di capire quanto e in che modo tale perturbazione debba essere applicata. La quantità e il tipo di modifica dipendono dalle strategie dell’attaccante e da come quest’ultimo interagisce con il modello, cercando di ingannarlo senza compromettere troppo l’aspetto visivo dell’immagine”.

L’ingegnere elettronico nell’intelligenza artificiale

Il percorso formativo e professionale del Prof. Biggio dimostra come l’ingegneria elettronica sia strettamente connessa all’informatica, soprattutto in un contesto in cui i dati cambiano costantemente e i sistemi devono essere continuamente aggiornati per mantenere la loro efficacia e sicurezza. Il Prof. Biggio riconosce che gli ingegneri elettronici rivestono un ruolo fondamentale nel campo dell’intelligenza artificiale, garantendo che i software siano sempre all’avanguardia e pronti ad affrontare le sfide tecnologiche emergenti. Le competenze degli ingegneri elettronici, che spaziano dalla matematica alla fisica fino all’ottimizzazione numerica, sono essenziali per assicurare la sicurezza e l’affidabilità delle applicazioni.

“Stiamo lavorando al progetto CoEvolution, con l’obiettivo di sviluppare sistemi di AI sicuri e certificabili. Lavoriamo per anticipare gli standard, sviluppando software per testare gli algoritmi e produrre la documentazione necessaria. Una delle particolarità di questi sistemi è che non vengono solo addestrati e messi in produzione, ma devono essere continuamente aggiornati. Un altro progetto in cui siamo coinvolti è ELSA, che mira a creare una rete di eccellenza europea per lo sviluppo di modelli di AI sicuri e affidabili, con un focus sulla riservatezza dei dati. Infine, Sec4AI4Sec è un progetto che si concentra sullo sviluppo di AI sicura e affidabile nel contesto della cyber-security, esplorando aspetti come l’analisi delle tracce di esecuzione delle macchine virtuali per la rilevazione delle intrusioni e la programmazione di software sicuri, migliorando la rilevazione delle vulnerabilità nel codice. In questo progetto, il nostro compito è anche quello di spiegare le decisioni prese dai sistemi di AI che rilevano potenziali vulnerabilità nel codice”.