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Un chip 鈥渋ntelligente鈥� che riduce consumi e tempi di calcolo: dal 91色情片 una svolta nel computing ad alte prestazioni

Ridurre drasticamente i consumi energetici, e accelerare l鈥檈laborazione di grandi quantit脿 di dati. 脠 l鈥檕biettivo del nuovo chip sviluppato da un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria 鈥� DEIB del 91色情片, guidati dal docente Daniele Ielmini, e presentato nello studio pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Electronics, con primo autore il ricercatore Piergiulio Mannocci.

Il lavoro nasce all鈥檌nterno del progetto ANIMATE (ANalogue In-Memory computing with Advanced device Technology) che si era aggiudicato un ERC Advanced Grant nel 2022 e partiva dalla ricerca preliminare di Daniele Ielmini sul CL-IMC (Closed-Loop In-Memory Computing), ovvero il calcolo in memoria ad anello chiuso, e sulle opportunit脿 che offriva: ridotti tempi per la risoluzione di calcoli e fino a 5.000 volte meno energia rispetto ai computer digitali. Obiettivo del progetto ANIMATE era proprio lo sviluppo della tecnologia per il dispositivo, circuiti, architetture di sistema e l鈥檌nsieme di applicazioni atti a validare il CL-IMC. 

Il chip elaborato si avvale, appunto, del calcolo in-memoria che si propone di superare un limite dei computer: la necessit脿 di spostare continuamente i dati tra memoria e processore. Eliminando questo 鈥渢raffico鈥� interno, i sistemi diventano pi霉 veloci ed energeticamente efficienti. Nello studio appena pubblicato, il team del DEIB presenta un acceleratore analogico completamente integratoper la soluzione di sistemi di equazioni lineari e non lineari, realizzato in tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), un processo standard per la fabbricazione di circuiti integrati su silicio.

Il dispositivo utilizza due array 64脳64 di memorie resistive programmabili: un array 猫 una sorta di 鈥済riglia ordinata鈥� composta da elementi identici disposti in righe e colonne, simile a un foglio a quadretti, dove ogni incrocio tra una riga e una colonna rappresenta una cella di memoria. Le celle utilizzate sono basate su tecnologie SRAM (Static Random-Access Memory), un tipo di memoria veloce e stabile, qui combinata con resistori integrati che consentono di programmare diversi livelli di resistenza. L鈥檃rchitettura 猫 completata da un innovativo schema di elaborazione analogica che sfrutta componenti integrati nel chip, come amplificatori operazionali e convertitori analogico-digitali. 

L鈥檌nsieme permette al sistema di affrontare calcoli complessi direttamente all鈥檌nterno della struttura di memoria, evitando di spostare i dati verso un processore esterno, e di ridurre cos矛 i tempi di calcolo in modo significativo. Nei test, il chip ha raggiunto un鈥檃ccuratezza simile a quella dei sistemi digitali tradizionali, ma con minori consumi energetici, ridotta latenza di calcolo e un ingombro sul silicio pi霉 contenuto. 

芦Il chip integrato dimostra la fattibilit脿 su scala industriale di un concetto rivoluzionario come il calcolo analogico in memoria 鈥� ha spiegato Daniele Ielmini, docente del DEIB e alla guida del gruppo di ricerca 鈥� Siamo gi脿 al lavoro per trasferire questa innovazione in applicazioni nel mondo reale per ridurre i costi energetici del calcolo, soprattutto nell鈥檃mbito dell鈥檌ntelligenza artificiale禄.

芦Questo lavoro 猫 il risultato di una collaborazione internazionale tra mondo accademico e industriale che ha coinvolto anche la Peking University, sviluppata da un team eterogeneo che ha coinvolto professori, ricercatori, dottorandi e studenti 鈥� commenta Piergiulio Mannocci, ricercatore del DEIB e primo autore 鈥� e dimostra il potenziale del calcolo in-memoria analogico per applicazioni ad alte prestazioni ed elevata efficienza energetica.禄

Lo studio rappresenta un passo avanti importante verso dispositivi pi霉 compatti, veloci e sostenibili, aprendo nuove prospettive per la ricerca e per l鈥檌ndustria: il calcolo in-memoria 猫 una soluzione ideale, infatti, in contesti che richiedono alte prestazioni ed elevata efficienza energetica come l鈥檌ntelligenza artificiale, l鈥檈laborazione di grandi moli di dati e i sistemi di comunicazione wireless di nuova generazione. Le applicazioni spaziano dalla robotica ai data center, dai sistemi di navigazione fino alle reti di telecomunicazione avanzate, come il 5G e le future tecnologie 6G.