La luce che sa fare i calcoli: fotonica ed elettronica cambiano il modo di elaborare i dati

Dall’intelligenza artificiale ai data center, fino ai dispositivi che usiamo ogni giorno, molte tecnologie contemporanee si misurano con una sfida sempre più urgente: elaborare quantità sempre maggiori di dati in modo rapido, efficiente e sostenibile. Dietro la crescita di queste tecnologie non ci sono solo algoritmi, ma anche una dimensione molto concreta e decisiva che riguarda l’hardware, i consumi energetici e le nuove architetture di calcolo. In questo scenario, entrano in gioco fotonica ed elettronica: due ambiti di ricerca che, spesso invisibili agli occhi di chi usa ogni giorno computer, reti e dispositivi intelligenti, sono sempre più centrali nello sviluppo delle tecnologie del presente e del futuro.

Per approfondire questi temi, abbiamo intervistato Francesco Morichetti, docente e ricercatore del Politecnico di Milano che si occupa di fotonica integrata per le telecomunicazioni e del ruolo della luce nell’elaborazione dei dati. Con lui, proprio per raccontare il valore della collaborazione tra competenze diverse, partecipa anche Francesco Zanetto, ricercatore dell’area elettronica. Dal dialogo tra i loro gruppi di ricerca è nata negli anni una sinergia fondamentale per il controllo dei chip fotonici, per lo studio di nuove reti neurali e, più in generale, per l’evoluzione di tecnologie che stanno entrando sempre più a fondo nella nostra vita quotidiana.

FM: Le reti neurali nascono per dare una risposta a un’esigenza diventata centrale con la diffusione e la crescita dell’intelligenza artificiale: elaborare in modo efficiente una quantità crescente di dati. Quest’esigenza ha messo in discussione il modo in cui per decenni abbiamo svolto l’attività di calcolo sia a livello di architettura dei calcolatori sia a livello fisico di hardware. L’architettura del calcolatore tradizionale prevede una parte che fa il calcolo, il processore, e quella che archivia i dati, le memorie: dai laptop che usiamo tutti i giorni ai supercalcolatori la struttura che si è consolidata nei decenni è questa.

Questa struttura presenta dei limiti quando i dati sono moltissimi: lo scambio tra i processori e le memorie può diventare un cosiddetto collo di bottiglia, che rallenta il processo. La rete neurale prende ispirazione dal mondo biologico, in particolare dal funzionamento del cervello, in cui i compiti di immagazzinamento dei dati ed elaborazione dei calcoli non sono svolti da parti diverse, ma sono distribuiti tra i neuroni. La rete neurale è infatti composta da tante unità che non solo fanno il calcolo ma condividono anche parte del dato.

Il mondo del calcolo, che oggi mette in dialogo informatica, elettronica e fotonica, sta ripensando l’architettura classica dei sistemi di elaborazione per sostenere l’enorme crescita dei dati. Noi ricercatori siamo in prima linea nello studio di strutture alternative.

FM: Per chiarire il ruolo della fotonica, dobbiamo fare un passo indietro rispetto all’architettura del calcolatore e guardare alla sua parte fisica: l’hardware. 

L’elaborazione di una grande quantità di dati, richiesta ad esempio da un supercalcolatore o da un sistema di intelligenza artificiale, può essere onerosa soprattutto per tre ragioni:

• La quantità di calcoli che il sistema è in grado di elaborare
• Il tempo che il sistema impiega per svolgere l’operazione, ossia la latenza
• Il consumo energetico

Ora, è vero che le operazioni richieste dai sistemi di intelligenza artificiale sono moltissime, ma dal punto di vista matematico sono spesso molto semplici. La maggior parte di esse, circa l’85%, consiste in operazioni elementari come somme e moltiplicazioni, che tutti impariamo a scuola.

Qui entra in gioco la fotonica, perché abbiamo scoperto che i circuiti fotonici sono capaci di aggregare proprio questo 85% di operazioni, che rappresenta la parte più consistente del costo computazionale, rendendo così il processo più efficiente.

FM: Per elaborare la luce nei chip fotonici servono almeno tre requisiti: saperli progettare, e oggi possiamo farlo grazie a strumenti di disegno sempre più sofisticati; saperli fabbricare, e in questo senso esistono ormai molte fonderie che si stanno orientando verso la fotonica; e infine saperli “addomesticare”. Quest’ultimo aspetto è particolarmente importante, perché la fotonica ha bisogno di un sistema di controllo per funzionare bene. Qui entra in gioco il ruolo dell’elettronica, di cui si occupa il collega Francesco Zanetto, che realizza i sistemi elettronici di controllo per i nostri chip fotonici.

FZ: Una delle cose più affascinanti dell’elettronica è che può essere messa praticamente dappertutto ed è pertanto declinabile in tanti ambiti diversi, come la fotonica. Come anticipava Francesco Morichetti, ormai i tool per il disegno e le fonderie ci permettono di progettare e realizzare oggetti estremamente complessi, composti da elementi base connessi fra loro.

Il funzionamento dei dispositivi ottici non è però così scontato. Dato che sono basati sull’interferenza tra fasci luminosi, che è un fenomeno molto sensibile a imperfezioni nella fabbricazione, a variazioni di temperatura, e via dicendo, bisogna assicurarsi che la luce segua il percorso corretto dall’ingresso del chip fino alla sua uscita. Succede spesso quindi che si riesca a progettare e far fabbricare il circuito in maniera abbastanza semplice, ma che poi, una volta ricevuto, il circuito non funzioni come ci si aspettava e abbia bisogno di essere calibrato accuratamente.

Come far funzionare il circuito ottico nel modo che desideriamo? Dobbiamo innanzitutto essere in grado di vedere nei diversi punti del circuito cosa sta succedendo. Per questo disseminiamo il chip fotonico di sensori che possano rilevare quanta luce sta passando in un determinato punto e, confrontando il comportamento misurato con quello atteso, pilotiamo gli attuatori che controllano sul circuito come avviene l’interferenza tra i fasci luminosi.

Questo aspetto era, fino a qualche anno fa, meno importante perché i circuiti fotonici erano più rudimentali. Ora però la dimensione di chip ottici che siamo in grado di produrre è notevolmente aumentata e con essa la complessità.

FM: Per chi si occupa di fotonica questo aspetto è vitale e la collaborazione con i nostri colleghi di elettronica è fondamentale. Possiamo dirla con una metafora: immaginiamoci un’automobile. La fotonica è il motore, ha molti cavalli perché è molto potente. Ma l’elettronica è la centralina, che gestisce le informazioni che arrivano dai sensori e controlla che tutto funzioni. Senza la centralina le automobili di oggi non andrebbero da nessuna parte.

FM: Dopo decenni in cui l’elaborazione digitale si è imposta come la tecnologia per il calcolo, oggi si stanno rivalutando i vantaggi di un ritorno mirato all’analogico, e in particolare ad un approccio al calcolo che sfrutti direttamente i fenomeni fisici. Per spiegare questo nuovo approccio possiamo partire da un’immagine molto semplice: la mela che cade dall’albero. A scuola impariamo a descrivere quel fenomeno fisico, legato alla gravità, attraverso la matematica. Ma se a un fenomeno fisico corrisponde un modello matematico, vale anche il contrario: osservare e misurare quel fenomeno significa, in un certo senso, risolvere il problema matematico che lo descrive.

Applicato al nostro ambito, questo significa che, se il funzionamento di un circuito fotonico è descritto da una serie di equazioni matematiche, possiamo progettare un circuito che realizzi e risolva fisicamente quel problema. In altre parole, facendo propagare la luce all’interno del circuito possiamo ottenere la soluzione del problema matematico semplicemente misurando la luce in uscita. Il fenomeno fisico, nel nostro caso il circuito, diventa quindi una sorta di mappatura in scala 1:1 del problema matematico. Questo approccio analogico sta prendendo piede perché alcuni fenomeni fisici, come l’interferenza tra fasci luminosi di cui parlava Francesco Zanetto, se gestiti in modo opportuno riescono a risolvere anche problemi matematici complessi. Non a caso, qui al Politecnico, abbiamo avviato l’anno scorso un corso di Photonic Computing, che rappresenta un caso unico non sono in Italia, ma a livello internazionale

FZ: Utilizzare l’interferenza tra due fasci di luce per calcolare il prodotto tra due numeri significa poter fare operazionialla velocità della luce: andare più veloci della luce è decisamente difficile! Oltre ad essere più veloci, le reti neurali analogiche riescono anche a consumare meno energia. Far viaggiare un fotone lungo una fibra ottica o dentro un chip ottico è relativamente facile e non comporta dissipazione di energia lungo il percorso. 

Al momento questi aspetti sono in fase di studio, ma i risultati sono promettenti e i progressi che stiamo osservando negli ultimi anni sono molto rapidi. La nostra visione è che in tempi brevi, cinque o dieci anni al massimo, queste tecnologie possano entrare nelle unità di calcolo dei supercomputer e nei data center, assistere le reti neurali utilizzate per l’intelligenza artificiale, con evidenti benefici sui consumi di energia, e quindi anche dal punto di vista dell’impatto ambientale.

FM: La nostra collaborazione è nata quasi per caso, più di dieci anni fa, quando Francesco Zanetto era probabilmente ancora uno studente. Tutto è cominciato davanti alla macchinetta del caffè, dove ho incontrato il prof. Marco Sampietro, che si occupa di elettronica. Quel giorno era particolarmente soddisfatto perché aveva ottenuto un risultato molto importante nel suo campo: era riuscito a misurare una variazione piccolissima di un parametro elettrico, qualcosa che nessuno era mai riuscito a fare prima. Noi del gruppo di fotonica non ci siamo lasciati sfuggire l’occasione e gli abbiamo lanciato subito un’altra sfida: rilevare il passaggio della luce all’interno di un chip ottico senza prelevare fotoni; quindi, in modo totalmente non invasivo e diverso da quanto si fa normalmente. In poche settimane – davvero in un tempo record – i nostri colleghi sono riusciti a farlo utilizzando la loro tecnologia elettronica!

In quel momento abbiamo capito i nostri vicini di ufficio avevano le competenze per supportare la nostra attività di ricerca; allo stesso tempo, loro hanno visto che l’elettronica, tra le molte possibili applicazioni, poteva trovare uno spazio importante anche nella fotonica. Da lì è iniziata una collaborazione che dura da quasi quindici anni e che ha portato a moltissime pubblicazioni scientifiche condivise di alto livello. Penso che la sinergia che si è creata sia rara, quasi invidiabile: non è comune, infatti, trovare nella stessa università competenze così altamente specializzate e capaci di lavorare in modo così integrato. O molto probabilmente qui al Politecnico ce ne sono altre, ma non si sono ancora creati questi cortocircuiti virtuosi.

FZ: Come si dice, l’appetito vien mangiando. Abbiamo iniziato con prove relativamente semplici e, visto che funzionavano, i colleghi ci hanno subito spinto a fare un passo in più: dato che eravamo riusciti in quella prima sfida, avremmo potuto provare ad affrontarne una più complessa. Siamo andati avanti così, rilanciandoci continuamente nuove sfide. Questo stimolo reciproco ci ha permesso di crescere ed evolverci. Condivido pienamente quello che diceva Francesco: è uno dei nostri punti di forza. La sinergia che si è creata attraversa tutti i livelli del progetto, al punto che oggi progettiamo insieme i circuiti ottici per ottenere un risultato che funzioni al meglio e risponda a tutti i requisiti. 

FM: Attualmente siamo coinvolti in due grandi progetti europei legati al Chips Joint Undertaking (Chips JU), lo strumento dell’Unione europea che, nel quadro del European Chips Act, sostiene lo sviluppo delle tecnologie dei chip, compresi quelli fotonici. Si tratta di due pilot line, cioè iniziative pensate per rafforzare e rendere più matura l’intera filiera della fotonica integrata, avvicinando la ricerca all’adozione industriale. In questo contesto il nostro contributo riguarda la parte di controllo, calibrazione e di testing, che sono aspetti essenziali per far funzionare questi sistemi in modo affidabile, soprattutto quando devono funzionare in ambiente operativo, cioè fuori da un laboratorio di ricerca. È un lavoro che portiamo avanti da anni e che oggi sta iniziando a dare risultati molto significativi perché le nostre competenze sono riconosciute a livello internazionale.

FM: Bisogna innanzitutto tenere presente che la fotonica integrata nasce negli anni ’90, con circa quarant’anni di ritardo rispetto all’elettronica. Fino a una quindicina di anni fa è rimasta in molti casi un meraviglioso argomento di ricerca, a tratti un esercizio accademico, perché mancavano vere applicazioni di largo impiego. Oggi, invece, il settore è esploso, soprattutto grazie al mercato dell’intelligenza artificiale, che continua a crescere e che, proprio per questo, pone con urgenza il tema della sostenibilità.

I data center hanno raggiunto consumi energetici paragonabili a quelli di città di medie dimensioni. Per dare un’idea, un data center tradizionale di grandi dimensioni può richiedere tra 20 e 100 MW di potenza elettrica, l’equivalente di una città come Novara. Ma si pensa che i nuovi siti dedicati all'intelligenza artificiale possano arrivare addirittura a potenze dieci volte maggiori, tanto che in alcuni casi sono state realizzate centrali elettriche nelle loro vicinanze per alimentarli. Se i modelli di intelligenza artificiale continueranno a crescere, come tutto lascia prevedere, non potremo più ragionare secondo il paradigma tradizionale: non basta aumentare il numero dei processori per gestire quantità sempre maggiori di dati.

Negli ultimi anni grandi industrie, un tempo attive esclusivamente nella microelettronica, hanno iniziato a investire nella fotonica integrata. I volumi sono ancora limitati rispetto a quelli dell’elettronica, ma stanno crescendo rapidamente. Si innesca così un circolo virtuoso: all’aumentare dei volumi crescono anche gli investimenti, che a loro volta accelerano i tempi di sviluppo. Oggi non possiamo più permetterci di aspettare vent’anni per disporre di una tecnologia alternativa o complementare a quella attuale.

La vera sfida è raggiungere una maturità tecnologica tale da portare i prototipi di laboratorio verso l’ingegnerizzazione e poi l’industrializzazione. È un passaggio che si inserisce pienamente in questo cambio di paradigma. Si può fare un parallelo con le auto elettriche: per anni sono rimaste una prospettiva lontana, poi una serie di trasformazioni tecnologiche e di mercato ne ha accelerato lo sviluppo.

FZ: Uno dei punti chiave per la scalabilità industriale è proprio l’aspetto su cui stiamo lavorando: il controllo, che diventa sempre più complesso quando sui chip non ci sono più poche unità funzionali, ma migliaia. Per mettere in commercio un prodotto non basta che funzioni bene: la vera sfida è garantire che le sue prestazioni restino stabili nel tempo, al livello desiderato. È questo il salto che sta avvenendo adesso: se fino a poco tempo fa riuscire a far funzionare una tecnologia ambiziosa anche solo per qualche minuto era già un risultato, oggi l’obiettivo è ottenere prestazioni affidabili per periodi molto più lunghi, potenzialmente di anni.

FZ: Esistono già aziende che producono chip ibridi, in cui convivono una componente fotonica e una elettronica. I due domini, infatti, si integrano molto bene. Finora abbiamo parlato soprattutto di circuiti ottici, che sono sistemi analogici e che, per essere regolati correttamente, hanno bisogno di una centralina elettronica capace di mantenerli sotto controllo.

Ma questa non è l’unica applicazione in cui elettronica e ottica lavorano bene insieme: un altro ambito fondamentale è la trasmissione delle informazioni. Il modo più efficiente per collegare due punti separati nello spazio è, come abbiamo visto, l’ottica. Per farlo, però, servono circuiti che convertano il segnale da elettrico a ottico e dispositivi elettronici capaci di pilotare i componenti ottici che rendono possibile la trasmissione dell’informazione. Credo quindi che, in futuro, questa sinergia diventerà sempre più stretta, perché offre vantaggi molto concreti in termini di velocità ed efficienza energetica.

FM: Penso che la strategia vincente sia sfruttare l’elettronica per ciò che sa fare meglio della fotonica, e viceversa. In passato si è molto speculato sulle potenzialità della fotonica, soprattutto nei primi anni Duemila, quando ancora non si comprendevano bene i vantaggi e i limiti delle tecnologie fotoniche. L’entusiasmo era tale che si immaginava perfino un computer interamente fotonico, senza processori digitali. Ci si è però resi conto abbastanza presto che questa ipotesi non reggeva: la fotonica ha comunque bisogno di una componente elettronica di controllo e supervisione. E in ogni caso non può sostituire interamente l’elaborazione digitale.

I sistemi ibridi rappresentano quindi la soluzione più efficace. In questo senso ci aiuta anche la natura dei materiali: il silicio, che è il materiale fondamentale dell’elettronica, è ottimo anche per la fotonica. Sui chip di silicio possiamo quindi combinare i vantaggi di entrambe. Naturalmente tra il dirlo e il farlo c’è stato un lungo lavoro di sviluppo, ma oggi alcune industrie riescono già a fabbricare sullo stesso chip una parte elettronica e una parte ottica, con un approccio che definiamo monolitico, perché costruito sullo stesso supporto materiale.

FZ: L’ambito che oggi utilizza maggiormente l’ottica è quello delle comunicazioni dati, e credo che il suo impiego in questo settore continuerà a crescere anche in futuro. Allo stesso tempo penso che l’ottica verrà utilizzata sempre di più sia per il calcolo sia per la sensoristica dell’ambiente in cui il sistema opera. Basta pensare ai cavi in fibra ottica che attraversano gli oceani: se opportunamente dotati di sensori, potrebbero essere utilizzati per rilevare terremoti o per capire che cosa sta transitando in un determinato punto, per esempio una balena o un sottomarino.

FM: Francesco mi ha rubato la risposta! La direzione verso cui ci stiamo muovendo è quella del communication and sensing in molti ambiti diversi. Le auto a guida autonoma, i droni, i robot e i dispositivi indossabili, come gli smart glasses, sono tutti oggetti che devono in qualche modo “guardarsi intorno” e, allo stesso tempo, comunicare. Per fare entrambe le cose hanno bisogno di molti sensori, ad esempio per misurare la posizione, la distanza e la velocità degli oggetti circostanti. I chip che realizziamo sono in grado di utilizzare la luce anche per fare questo, e questo li rende potenzialmente ottimi sensori, capaci di rilevare anche cambiamenti molto piccoli nell’ambiente.

FZ: Per me è stato quasi frutto del caso. Nel mio percorso ho visto che, con il giusto impegno, riuscivamo a ottenere risultati molto buoni, e questo mi ha motivato molto. Tutto è proseguito in modo piuttosto naturale: ogni passo avanti che riuscivamo a compiere apriva la possibilità di farne un altro. A volte non ci si rende conto fino in fondo dell’importanza dei risultati raggiunti; lo si capisce soprattutto quando se ne parla con qualcun altro e si coglie il suo stupore o il suo entusiasmo. Anche questo è uno stimolo forte a continuare nella direzione intrapresa.

FM: Se ci penso, il mio percorso è stato coerente fin dall’inizio. Ho studiato ingegneria delle telecomunicazioni qui al Politecnico e mi sono appassionato molto presto alle comunicazioni ottiche e alla luce. Ho continuato su questa strada, anche se diversi eventi di contesto avrebbero potuto indurmi a riconsiderarla: mi sono laureato nel 2001, proprio quando è esplosa la bolla delle telecomunicazioni, fino a quel momento un settore in pieno sviluppo e ricco di investimenti. 

Di fronte a quella crisi ho dovuto trovare la motivazione per proseguire la mia ricerca al di là delle logiche del mercato. Ricordo che, in quegli anni, nelle conferenze di settore qualcuno vociferava che la fotonica integrata fosse già morta, a meno di due decadi dalla sua nascita. Noi, invece, abbiamo continuato a lavorare sui chip ottici, soprattutto in silicio, con grande determinazione, perché ci piaceva quello che stavamo facendo e perché, sotto sotto, ci credevamo.

Ora sono passati quasi vent’anni e vediamo che l’interesse, anche industriale, si è riacceso più forte di prima. Ma i risultati di oggi sono il frutto del lavoro e dello studio portati avanti allora per fare scienza e produrre conoscenza. In quel periodo ricevevamo solo finanziamenti ministeriali e dalla Commissione europea; oggi la nostra ricerca è finanziata da un numero sempre crescente di industrie che stanno entrando nel settore. Col senno di poi, possiamo dire che abbiamo fatto bene a tenere duro. In generale, credo sia importante non lasciarsi condizionare troppo dalle mode del momento e, quando si crede davvero in qualcosa, avere anche il coraggio di lavorare controcorrente.

FM: Un ambito che trovo molto interessante è il biosensing, cioè quei dispositivi poco o per nulla invasivi utilizzati per rilevare parametri biologici. Fantasticando un po’, mi piacerebbe lavorare a chip integrati negli smartwatch o addirittura sottopelle. In passato abbiamo avuto occasione di affrontare qualche progetto in questo campo, ma non abbiamo avuto il tempo e le risorse per dedicarci in modo approfondito. Credo che qui ci sia ancora moltissimo da fare e da sperimentare. Francesco, vi siete occupati anche voi di qualcosa in questo ambito?

FZ: Sì, ed è un ambito molto complesso, perché richiede competenze di chimica e in particolare di biochimica. Da fuori può sembrare più semplice di quanto sia in realtà. Anche io lo trovo molto interessante, affascinante e tutt’altro che banale. Per quanto riguarda me e il nostro laboratorio, ciò che ci appassiona di più è riuscire a misurare qualcosa che è difficile da misurare. Questo interesse si declina nella fotonica, ma anche in molti altri ambiti, come il monitoraggio ambientale, i computer quantistici o la biologia. Qualsiasi sfida di questo tipo è benvenuta, perché per noi rappresenta un forte stimolo.

FM: Un altro ambito molto interessante è quello dello spazio. In passato abbiamo svolto attività di ricerca sulla resistenza dei chip fotonici alle radiazioni ionizzanti, superando con successo i test. Lo spazio è un ambiente ostile, quindi i dispositivi devono essere verificati rispetto all’esposizione a forti dosi di radiazioni. Oggi l’interesse per questo settore è cresciuto e penso che sarebbe molto stimolante lavorare sulle componenti di sensoristica, monitoraggio e comunicazione. Sapere, per esempio, che un satellite dotato di nostri chip è stato lanciato nello spazio sarebbe un’emozione enorme, e ci stiamo attrezzando anche in questa direzione.

FM: Penso che all’esterno, soprattutto tra i giovani, esista una visione un po’ distorta delle esigenze dell’ambito delle tecnologie dell’informazione. Oggi tutto il modo va nella direzione del machine learning e dell’intelligenza artificiale. In questo processo, però, spesso si tende a considerare solo la componente algoritmica e software delle tecnologie legate all’intelligenza artificiale. Ma non bisogna dimenticare che ciò che ha fatto davvero la differenza è l’hardware. Molti algoritmi erano noti già da tempo; quello che ha reso possibile il funzionamento su larga scala dei sistemi di intelligenza artificiale è stata l’evoluzione dell’hardware di calcolo, che oggi permette di implementare questi algoritmi in modo efficace.

Tuttavia, le industrie che operano nell’hardware fanno fatica a trovare persone pronte per il mondo del lavoro con competenze in elettronica e fotonica. Studenti e dottorandi con questo profilo stanno diventando sempre più preziosi. In parte, credo che ciò dipenda anche da un pregiudizio verso discipline percepite come più tradizionali. Ma è importante ricordare che l’elettronica di oggi è molto diversa da quella di ieri, e la fotonica ieri non esisteva.

La perdita di competenze in questo campo non è solo un fenomeno italiano, ma riguarda anche l’Europa e il Nord America. Iniziative come il Chips Act mirano proprio a riportare competenze e infrastrutture che oggi sono maggiormente concentrate in altre aree del mondo. Non dimentichiamoci che i chip sono una risorsa strategica: per certi versi, il petrolio del nostro secolo, e chi ne controlla la produzione detiene una leva di grande potere.