Capace di raggiungere una rilevanza internazionale grazie alle sue attività di ricerca, il Laboratorio di Nanoelettronica e Microsistemi (NML) dell’Università della Calabria è ora impegnato ad esplorare le nuove opportunità dell’intelligenza artificiale.
Compie 25 anni il Laboratorio di Nanoelettronica e Microsistemi (NML), fiore all’occhiello dell’Università della Calabria e capace di raggiungere una rilevanza che ha superato i confini nazionali. «Il Laboratorio di Nanoelettronica e Microsistemi (NML) è stato istituito nel 1998 presso l’allora Dipartimento di Elettronica, Informatica, Ingegneria dei Sistemi (ora Dipartimento di Informatica, Modellistica, Elettronica e Sistemi) dell’Università della Calabria con l’obiettivo di sostenere la ricerca nel campo dell’elettronica», racconta Giuseppe Cocorullo, fondatore di NML. «La missione del NML consiste nello studio e nella caratterizzazione di materiali e dispositivi a semiconduttore, lo sviluppo di innovative architetture IC, la progettazione e la realizzazione di sistemi elettronici e sensori». Il punto di forza del Laboratorio di Nanoelettronica e Microsistemi (NML) è sicuramente l’articolato staff con il suo ampio ventaglio di competenze. «Il laboratorio è organizzato in sezioni e ha uno staff permanente di sette persone (sei dei quali ricercatori), affiancato da una decina di post-doc e dottorandi, mentre l’area dedicata ai laboratori di ricerca è di circa 300 metri quadrati. Inoltre, il NML gestisce un laboratorio didattico di circa 200 metri quadrati dotato di 18 banchi di lavoro modernamente attrezzati».
Entrando nel dettaglio delle attività di ricerca del laboratorio, nel corso degli anni queste si sono sviluppate in molteplici direzioni, in perfetta sincronia con il progresso tecnologico e con le esigenze di una società sempre più complessa. «Le attività di ricerca del laboratorio spaziano dai dispositivi ai circuiti e ai sistemi elettronici per applicazioni specifiche, come gli ASIC o le FPGA. In particolare, gli obiettivi principali sono la progettazione di architetture digitali ad alta efficienza energetica ed elevate prestazioni; la valutazione dell’affidabilità di dispositivi e materiali per applicazioni di logica, memoria e potenza; la simulazione e caratterizzazione sperimentale di celle fotovoltaiche ad alta efficienza energetica; lo sviluppo di algoritmi e circuiti per l’elaborazione d’immagini e per l’identificazione e l’anticontraffazione. Inoltre, sono da menzionare attività di ricerca tese a sviluppare tecniche originali, che possano essere applicate ai diversi livelli da cui è costituita la progettazione di circuiti e sistemi elettronici, partendo dall’utilizzo efficiente dei transistor nei circuiti integrati, fino all’ideazione di algoritmi a livello gerarchicamente superiore».
Sempre al passo con l’innovazione
Ad oggi il laboratorio ha ottenuto importanti risultati di ricerca, segnalandosi come punto di riferimento a livello internazionale in più ambiti. «Negli anni ’90 i ricercatori del laboratorio hanno raggiunto una posizione di leadership europea nell’ambito dell’optoelettronica in silicio, rendendo anche disponibili alla comunità scientifica dati, ancor oggi largamente utilizzati, che descrivono le proprietà ottiche del materiale», prosegue Cocorullo. «Il gruppo di ricerca del LNM è stato pioniere anche nell’ideare metodologie e sistemi microelettronici per l’elaborazione e la compressione di immagini digitali. Alcuni prototipi, sviluppati in collaborazione con imprese del settore aerospaziale e basati sui risultati delle nostre ricerche, sono stati impiegati in attività di esplorazione dello spazio per consentire la trasmissione a Terra di immagini, impegnando un’ampiezza di banda e un quantitativo di energia limitati».
Con il nuovo millennio, l’impegno del Laboratorio di Nanoelettronica e Microsistemi ha portato al raggiungimento di nuovi traguardi, capaci di garantire un forte contributo agli scenari tecnologici più all’avanguardia. «Nel 2005 abbiamo iniziato a realizzare i primi circuiti integrati per la visione stereoscopica artificiale, oggi impiegati in numerosissimi ambiti applicativi: solo per citarne alcuni, si pensi agli attuali sistemi di supporto alla guida autonoma, alla robotica o ai sistemi di controllo e monitoraggio nelle fabbriche intelligenti».
A proposito di tecnologie all’avanguardia, il Laboratorio di Nanoelettronica e Microsistemi ha trovato il modo di misurarsi con il tema più avveniristico di tutti, ovvero l’intelligenza artificiale. «Più recentemente, ritengo che siano da citare alcuni risultati ottenuti dai ricercatori del laboratorio nell’ambito dei circuiti dedicati all’intelligenza artificiale e alle sue applicazioni, quali la progettazione, in collaborazione con l’Università di Pisa, di un sensore d’immagini cognitivo in tecnologia CMOS analogica basato su una ArtificialNeural Network (ANN) a due strati operante in un contesto a bassa risoluzione. Questa è la prima dimostrazione di un progetto che realizza in analogico tutti gli elementi necessari per eseguire l’intera attività di elaborazione, dal rilevamento dell’immagine alla sua classificazione, e che pertanto è in grado di funzionare con un consumo energetico decisamente più basso della controparte digitale. Con la tecnologia CMOS che si avvicina ai suoi limiti fondamentali, sono emerse diverse nanotecnologie alternative per progettare circuiti digitali ad altissima velocità e con consumi molto bassi, ad esempio la tecnologia Quantum-dot Cellular Automata (QCA). Tale tecnologia si basa sulla MajorityLogic (ML) che richiede specifiche strategie di progettazione».
Questa attività di ricerca ha portato a progetti concreti che sono stati capaci di riscrivere standard tradizionali. «Molto recentemente, abbiamo dimostrato, progettando un innovativo modulo sommatore a 2 bit per il calcolo approssimato, che le prestazioni dei circuiti QCA possono essere significativamente incrementate, se le porte logiche disponibili intrinsecamente nella ML vengono utilizzate in modo intelligente. In particolare, abbiamo osservato che i sommatori approssimati realizzati utilizzando gli approcci esistenti e basati principalmente su diversi moduli a 2 bit, sfruttano un percorso di propagazione della catena di carry a lunghezza completa, con impatti negativi diretti e significativi su energia consumata e ritardo. Ciò deriva dal fatto che, in tale tecnologia, a differenza delle tradizionali tecnologie CMOS, sia i fili che le strutture logiche utilizzano le stesse celle di base.
Sulla base di questa osservazione, quindi, abbiamo progettato dei sommatori binari che, invece, sfruttano in modo molto efficace la logica intrinseca e i comportamenti fisici della tecnologia QCA ottenendo, rispetto ai progetti “tradizionali” di ultima generazione, per un’architettura a 16 bit, un prodotto energia-ritardo e un’occupazione di area fino a circa 9 e circa 3,7 volte inferiori, rispettivamente, con un’accuratezza superiore di oltre 10 volte».
Nuovi scenari tra IA e medicale
Il racconto del fondatore Cocorullo sui risultati di ricerca raggiunti negli anni dal Laboratorio di Nanoelettronica e Microsistemi consentono di intuire agevolmente l’alto valore riservato alla relazione con il mondo delle imprese. «Il laboratorio partecipa a progetti di ricerca industriali che coinvolgono le principali aziende di elettronica in Europa, fornendo servizi di ricerca. Collaboriamo anche con medie e piccole industrie, in alcuni casi rendendo disponibili a queste ultime anche le attrezzature del laboratorio dedicate alla realizzazione dei pcb». A tal proposito, i prossimi obiettivi del laboratorio sono perfettamente in linea con l’orientamento delle attività di ricerca più recenti, confermando il focus sulle tecnologie maggiormente di frontiera. «Svilupperemo ulteriormente le ricerche nell’ambito dell’intelligenza artificiale», conferma infatti Cocorullo, raccogliendo in questo modo le richieste provenienti dagli ultimi orientamenti del mercato. «Sostenibilità, efficienza energetica e trasformazione digitale sono le sfide che quotidianamente affrontiamo nelle ricerche che ho brevemente descritto». A proposito di sguardo verso il domani, secondo il laboratorio è possibile già oggi immaginare e concretizzare scenari applicativi che solo apparentemente sono futuristici, in quanto in realtà stanno per l’appunto bussando alle porte del presente, grazie ai progressi della nanoelettronica. «A breve termine, diciamo nell’arco di 36 mesi, ci si attende uno sviluppo esponenziale delle applicazioni della nanoelettronica e dell’intelligenza artificiale nel settore della diagnostica medica, con importanti innovazioni che potranno migliorare la vita di milioni di persone in tutto il mondo», osserva Cocorullo, che prosegue: «la nanoelettronica perché consente di rilevare a costi sempre più bassi la presenza di uno sterminato numero di marker biologici e sostanze presenti nel nostro corpo, nonché di monitorare, in continua, una serie importante di parametri fisiologici quali la pressione arteriosa, la saturazione dell’ossigeno, la concentrazione di glucosio e così via; l’intelligenza artificiale perché rappresenta l’unico modo possibile per ottenere, da questa immensa mole di dati, correlazioni utili a individuare relazioni causa-effetto tra differenti fattori. Ad esempio, i dati raccolti dai sensori indossabili possono essere analizzati da algoritmi di intelligenza artificiale per individuare potenziali problemi di salute in modo tempestivo e prevenire malattie. Inoltre, i dati raccolti dai biosensori possono essere analizzati da algoritmi di machine learning per identificare possibili collegamenti tra la presenza di determinati biomarcatori e lo sviluppo di malattie specifiche».
Non è tutto: vi è un secondo scenario da cui aspettarsi uno sviluppo tecnologico in grado di migliorare la vita delle persone. «Rimanendo sempre in ambito medico, il connubio nanoelettronica e intelligenza artificiale sarà determinante per sviluppare in maniera radicalmente più rapida ed economica farmaci più efficaci e personalizzati», conclude Cocorullo.
