La Svizzera ospita il “CERN della ricerca sui chip”

La crescita frenetica dell’intelligenza artificiale ha imposto nuove e pesanti richieste all’industria dei semiconduttori. Supercomputer e data center hanno bisogno di chip avanzati e specializzati.

Questo ha dato nuovo slancio agli atenei, come i Politecnici federali svizzeri, che lavorano alla progettazione della prossima generazione di semiconduttori. Ma la ricerca e la produzione di questi chip sono ostacolate da restrizioni legate a quella che viene chiamata “architettura del set di istruzioni” (ISA - Instruction set architecture).

Le ISA sono essenzialmente dei traduttori che determinano come i chip interagiscono con il software. E le ISA più diffuse sono controllate dall’azienda statunitense Intel e dalla britannica ARM. Queste aziende applicano tariffe per lavorare all’interno dei loro sistemi ISA e impongono limiti su come questi possano essere adattati ai nuovi progetti di chip.

La risposta a questo dilemma è una ISA open-source chiamata RISC‑V, sviluppata presso l’Università della California, Berkeley, nel 2010. La tecnologia è stata trasferita a una fondazione senza scopo di lucro nel 2015, che nel 2020 si è spostata dagli Stati Uniti a Zurigo assumendo il nome di RISC‑V International Association.

Il Politecnico federale di Zurigo (ETH) è stato membro fondatore dell’associazione nel 2015. L’alternativa open‑source “crea un’infrastruttura per innovare”, afferma Luca Benini, professore del Dipartimento di tecnologie dell’informazione e ingegneria elettrica.

“Gli accademici sono sostanzialmente bloccati quando si tratta di progettare o adattare processori basati su ISA proprietarie” ha spiegato a Swissinfo. “Serve un’autorizzazione esplicita dal proprietario dell’ISA. Siamo passati a un’ISA open‑source per garantirci la libertà di operare”.

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

“Abbiamo progettato processori RISC‑V specializzati per il machine learning, l’inferenza e l’addestramento di LLM,” ha dichiarato Benini. “Siamo riusciti a dimostrare un aumento dell’efficienza di 100 volte, un miglioramento che capita una sola volta per generazione”.

Questo è fondamentale in un’epoca in cui l’IA e l’espansione dei data center consumano sempre più elettricità. L’industria dei semiconduttori “sta perfezionando ogni parte del processo, riducendo i calcoli non necessari e ottimizzando per essere più efficiente dal punto di vista energetico”, ha scritto Alain‑Serge Porret, vicepresidente Sistemi integrati e wireless al Centro svizzero di elettronica e microtecnologia (CSEM).

“Anche le aziende leader, che un tempo puntavano su una scala aggressiva, ora cercano di dimensionare correttamente i chip tenendo conto delle esigenze energetiche di oggi”, ha aggiunto.

L’agenzia di innovazione pubblico‑privata CSEM è stata creata nei primi anni ’80 dal governo svizzero per favorire la collaborazione tra istituti accademici e industria, e garantire che la Svizzera tenga il passo con l’evoluzione tecnologica.

La ricerca sui semiconduttori del centro è fiorita sotto l’ombrello di RISC‑V. Il CSEM aveva iniziato sviluppando processori con una propria ISA, ma ha scoperto che gestire e mantenere l’intero ecosistema richiedeva troppo tempo.

Questo lavoro necessita infatti di un team di sviluppatori dedicato ad aggiornare l’architettura, mantenerla priva di bug e fornire servizi di supporto alle aziende che adottano la tecnologia.

Affidare questo compito a una comunità open‑source ha liberato risorse per la ricerca e l’innovazione, spiega Stéphane Emery, responsabile del gruppo “system‑on‑a‑chip” del CSEM. RISC‑V riunisce sotto lo stesso tetto più di 4’500 istituzioni accademiche e aziende, tra cui Google, Huawei, Siemens e Sony.

Il gruppo lavora insieme per mantenere e rafforzare l’ISA, aggiungendo nuove applicazioni e ratificando nuove estensioni dell’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”, ha affermato.

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

Anche il Politecnico federale di Losanna (EPFL) ha sfruttato RISC‑V per i propri progetti di ricerca. Tra questi figura X‑HEEP, un microcontrollore open‑source che permette ai ricercatori di costruire e testare sistemi elettronici a basso consumo per l’elaborazione locale dei dati, applicazioni dell’Internet delle cose e dispositivi biomedici indossabili.

Secondo Benini, l’ecosistema open‑source di RISC‑V è fondamentale per gli istituti di ricerca accademica 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 di calcolo. È una risorsa molto importante che permette alla ricerca sul software e sull’hardware specializzato di concretizzarsi e raggiungere il mondo esterno” sottolinea.