La Svizzera grande laboratorio di ricerca sui semiconduttori

Le università utilizzano tecnologie open source per progettare chip Keystone / Laurent Gillieron

La Svizzera ospita un movimento open source – fautore di codice informatico liberamente accessibile e modificabile – che svincola le università e i piccoli nuclei di progettazione di chip dai lacci commerciali delle aziende monopolistiche.

La frenetica ascesa dell’intelligenza artificiale pone nuove, enormi esigenze all’industria dei semiconduttori. I supercomputer e i centri di elaborazione dati necessitano di chip (circuiti integrati, microprocessori) specializzati e avanzati.

Questo ha dato impulso alle università, come i Politecnici federali di Zurigo e Losanna, che stanno lavorando alla progettazione di semiconduttori di nuova generazione. Ma la ricerca e la produzione di questi chip è ostacolata dalle restrizioni imposte dalla cosiddetta architettura del set di istruzioni (ISA, dall’inglese Instruction set architecture).

Le ISA sono essenzialmente dei traduttori che determinano il modo in cui i chip interagiscono con il software (applicativi informatici). I modelli più comuni sono controllati dalla società americana Intel e da quella britannica ARM. Queste aziende applicano delle tariffe a chi vuole lavorare entro i loro sistemi ISA e limitano il modo in cui possono essere riadattati per la progettazione di nuovi chip.

A sciogliere questo nodo è un’ISA open source chiamata RISC-V e sviluppata dall’Università della California – Berkeley nel 2010. La tecnologia è stata trasferita a una fondazione senza scopo di lucro nel 2015, che nel 2020 ha traslocato dagli Stati Uniti a Zurigo e preso il nome di RISC-V International Association.

“Libertà di operare” nella ricerca sui semiconduttori

Il Politecnico federale ETH di Zurigo ha partecipato alla fondazione dell’associazione nel 2015. L’alternativa aperta “crea un’infrastruttura per innovare”, secondo il docente del Dipartimento di informatica e ingegneria elettrica Luca Benini.

“Per accademiche e accademici è essenzialmente impossibile progettare o adattare processori su ISA proprietarie”, ha chiarito a Swissinfo. “È necessaria l’autorizzazione esplicita di chi possiede l’ISA. Siamo passati all’ISA open source per avere la libertà di operare”.

Ciò ha consentito ai ricercatori dell’ETH di sviluppare circa 75 chip nel corso degli ultimi dieci anni. La Svizzera non compete direttamente con Paesi come Taiwan, Stati Uniti e Cina, che dispongono di grandi impianti di produzione di chip. Si concentra piuttosto su settori di nicchia, come la progettazione di semiconduttori a bassissimo consumo energetico.

“Abbiamo progettato processori RISC-V specializzati per l’apprendimento automatico, i processi di inferenza e l’addestramento di modelli linguistici di grandi dimensioni”, afferma Benini. “Siamo stati in grado di dimostrare un aumento dell’efficienza di 100 volte, un avanzamento epocale”.

Questo è fondamentale in un’epoca in cui l’intelligenza artificiale e l’espansione dei data center consumano sempre più elettricità. L’industria dei semiconduttori sta “perfezionando ogni parte del processo, riducendo i calcoli superflui e ottimizzando l’efficienza energetica”, ha riferito in un post Alain-Serge Porret, vicepresidente della divisione Integrated & Wireless Systems del Centro svizzero di innovazione tecnologica (CSEM).

“Anche le aziende dominanti, che un tempo perseguivano una crescita aggressiva, stanno cercando di adeguare le dimensioni dei chip alle condizioni energetiche odierne”, ha aggiunto.

Il CSEM è un’istituzione pubblico-privata fondata all’inizio degli anni 1980 dal Governo per favorire la collaborazione tra istituzioni accademiche e industria, al fine di garantire che la Svizzera restasse al passo con gli sviluppi tecnologici.

Sotto l’egida di RISC-V, la ricerca sui semiconduttori del Centro ha potuto prosperare. Il CSEM aveva iniziato a sviluppare processori con la propria ISA, ma ha riscontrato che la gestione e la manutenzione dell’intero ecosistema richiedevano molto tempo.

Ciò richiede una squadra di sviluppatrici e sviluppatori per mantenere l’architettura aggiornata e priva di bachi, oltre a servizi di supporto per le aziende che applicano la tecnologia nelle loro attività.

Affidare questo compito a una comunità open source ha liberato risorse per la ricerca e l’innovazione, osserva Stéphane Emery, che al CSEM è responsabile del gruppo SoC (dall’inglese system on a chip, circuito integrato che include tutti i componenti fondamentali di un sistema). RISC-V riunisce sotto lo stesso tetto più di 4’500 istituzioni accademiche e aziende come Google, Huawei, Siemens e Sony.

Il gruppo lavora insieme per mantenere e rafforzare l’ISA aggiungendo nuove applicazioni e ratificando nuove estensioni all’architettura.

“È importante per la ricerca accademica perché possiamo scambiare idee con altre università e aziende in tutto il mondo. È un ecosistema molto attivo in continua evoluzione”, spiega.

Risorse rese disponibili grazie all’approccio open source

Il CSEM ha legami commerciali con diversi marchi globali, tra cui un progetto per lo sviluppo di un chip a bassissimo consumo energetico per smartphone e tablet con la multinazionale United Semiconductor Japan (precedentemente nota come Fujitsu).

Anche il Politecnico federale di Losanna (EPFL) ha sfruttato RISC-V per i propri progetti di ricerca. Tra questi vi è il microcontrollore (MCU) open source X-HEEP, che consente a ricercatrici e ricercatori di costruire e testare sistemi integrati efficienti per l’elaborazione decentralizzata dei dati a bassissimo consumo energetico, applicazioni del cosiddetto Internet delle cose e dispositivi indossabili biomedici.

Secondo Benini, l’ecosistema open source RISC-V è fondamentale per gli istituti di ricerca universitari in Svizzera.

Benini lo paragona al CERN, dove i fisici possono testare le loro teorie utilizzando l’acceleratore di particelle. “RISC-V svolge un ruolo simile come infrastruttura di ricerca per i sistemi informatici”, conclude. “È una risorsa molto importante che consente alla ricerca nel campo del software e dell’hardware specializzato di raggiungere il mondo esterno in forma concreta”.

A cura di Gabe Bullard/VdV

Traduzione di Rino Scarcelli