Calcolo neuromorfico, controllo quantico criogenico, fotonica: Intel guarda al futuro

Se pensiamo a Intel istintivamente si tende a pensare a chipset e processori, ma dietro a queste tecnologie c'è tantissima ricerca, anni e anni di studi prima di poter lanciare sul mercato un prodotto innovativo. In occasione degli Intel Labs Day l'azienda ha svelato i principali risultati della sua ricerca, mostrando cosa possiamo aspettarci in un futuro nemmeno troppo lontano. A partire dai passi avanti nel quantum computing, per arrivare alla ricerca neuromorfica, passando per gli algoritmi di machine programming.

Horse Ridge II, il nuovo chip di Intel per il controllo quantico criogenico

Si parla da anni di computer quantistici ma nonostante i tanti passi avanti nel settore, siamo ancora lontani dalla loro diffusione. Colossi come Google, Intel o IBM possono permettersi di sperimentare con queste tecnologie, ma per gli utilizzi pratici sarà necessario attendere ancora parecchi anni, secondo gli esperti di settore. Ma si continuano a fare passi avanti per risolvere i complessi problemi dietro la realizzazione di simili architetture e Intel, fra i principali attori del settore, durante i suoi Lab Days ha presentato il chip Horse Ridge II.

Per capirne l'importanza è necessario fare una piccola premessa: una delle difficoltà di lavorare con i qubit (l'equivalente dei bit in ambito quantistico) è che i sistemi attualmente in uso sono basati su elettroniche che funzionano a temperatura ambiente, mentre i qubit hanno bisogno di rimanere a temperature nell'ordine dei millikelvin, poco al di sopra dello zero assoluto (circa -273 °C, ovvero 0 °K). Ecco perché gli attuali computer quantistici sono caratterizzati dalla grande quantità di cavi e tubi che si vede nelle fotografie come quella di seguito: una buona parte della loro struttura serve per raffreddare in maniera efficace i processori quantistici. Inutile dire che sistemi con queste caratteristiche sono costosi e consumano molta energia elettrica.

Una parte importante dell'attrezzatura (e dei consumi a essa collegati) è quella che controlla il funzionamento dei computer quantistici: se i computer tradizionali basati sul silicio sono infatti auto-contenuti, i computer quantistici necessitano invece di dispositivi esterni che controllino la temperatura, il funzionamento del processore quantistico e così via. Si tratta spesso di diversi armadi rack, con migliaia di cavi che entrano ed escono dal computer quantistico vero e proprio. Il primo chip Horse Ridge cercava di risolvere il problema sostituendo questi mastodontici apparati con un più compatto SoC che manipola lo stato dei qubit con impulsi a radiofrequenza.

Durante i Labs Day Intel ha presentato la nuova versione, Horse Ridge II, che permette di semplificare operazioni critiche per il funzionamento del sistema come il controllo delle componenti criogeniche, della lettura dei qubit e delle porte a qubit (qubit gates) che consentono di svolgere operazioni con i qubit. La vera, grossa differenza rispetto agli altri approcci sta nel fatto che Horse Ridge II è un unico componente in silicio che opera nel dominio digitale, anziché analogico, e dunque risulta più semplice da produrre e da controllare usando le stesse tecniche dei computer tradizionali.

“Con Horse Ridge II, Intel continua a guidare l’innovazione nel campo dei controlli quantici criogenici, grazie alle nostre approfondite competenze interdisciplinari tra il team di progettazione dei circuiti integrati, i Lab e il team di sviluppo tecnologico. Riteniamo che aumentare il numero di qubit senza tenere conto delle complessità nel cablaggio che ne risultano sia paragonabile ad avere un’auto da corsa ed essere sempre imbottigliati nel traffico. Horse Ridge II rende ancora più agile il controllo dei circuiti quantici e ci aspettiamo che questo ulteriore progresso porti una maggiore fedeltà e minore consumo di energia, facendoci compiere un altro passo verso lo sviluppo di un circuito integrato quantico ‘senza traffico’”, spiega Jim Clarke, director of Quantum Hardware, Components Research Group di Intel.

Fotonica integrata: gli I/O elettrici hanno raggiunto il loro limite

Con la costante crescita dei carichi di lavoro dei data center aumenta anche la necessità di I/O più performanti, capaci di trasferire dati a velocità sempre superiori. Il problema è che stiamo arrivando vicino ai limiti fisici degli I/O elettrici, che rischiano di diventare un collo di bottiglia, quello che Intel definisce “limite elettrico dell'I/O” (I/O power wall), che limita la potenza disponibile per le operazioni di calcolo.

La soluzione di Intel al problema è portare gli I/O ottici direttamente nei server e per questo motivo il colosso sta facendo ricerca sulla fotonica integrata. Durante il Labs Day, Intel ha mostrato un prototipo che presenta uno stretto accoppiamento fra fotonica e CMOS, andando a dimostrare il concetto di una futura piena integrazione dell’ottica fotonica con il silicio.

Intel ha mostrato prototipi di modulatori a micro-anello (micro-ring modulators) grandi un millesimo rispetto a quelli costruiti usando tecniche tradizionali: proprio le dimensioni più ridotte consentono loro di offrire costi più contenuti e la possibilità di essere installati direttamente sui package dei componenti per server come GPU e GPU.

Assieme ad essi sono stati mostrati dei fotoricettori in silicio in grado di rilevare la luce nella gamma tra 1,3 e 1,6 micrometri: si tratta di un'importante novità, dato che per decenni si è creduto che il silicio non avesse la capacità di rilevare tali lunghezze d'onda. Questa scoperta apre alla possibilità di utilizzare il solo silicio nella creazione dei fotoricettori, abbassando dunque i costi di produzione dei dispositivi.

Un'ulteriore novità è rappresentata dai laser a lunghezze d'onda multiple: Intel ha mostrato l'utilizzo di una tecnica chiamata multiplexing della divisione della lunghezza d'onda (wavelength division multiplexing) in grado di utilizzare diverse lunghezze d'onda con uno stesso laser. In questo modo si ottiene la possibilità di trasmettere più informazioni con lo stesso fascio di luce e la stessa fibra ottica, senza la necessità di ulteriori connessioni.

L'ultimo, ma forse più importante aspetto è quello dell'integrazione della fotonica basata su silicio con i package CMOS. Le tecnologie menzionate in precedenza sono state infatti integrate da Intel su package tradizionali basati su CMOS, dimostrando dunque la fattibilità di integrare componenti basate sull'elettronica tradizionale con altre basate sulla fotonica sullo stesso package. In termini pratici, questo significa che sarà in teoria possibile integrare connessioni ottiche direttamente sui processori e gli altri componenti come la RAM o i controller di rete, incrementando significativamente le prestazioni di I/O.

ControlFlag, lo strumento di machine programming che automatizza la ricerca dei bug

Intel lavora da molti anni su sistemi di scrittura autonoma di codice: attualmente non sono ancora in grado di scrivere programmi da soli, ma vengono usati per supportare i programmatori nel loro lavoro, migliorandone l'efficienza. Se c'è un aspetto che può essere ottimizzato è il debugging del codice, una parte sulla quale le aziende investono circa la metà del budget destinato allo sviluppo. Per quanto siano stati sviluppati diversi metodi di controllo del codice nel tempo, dall'analisi statica alla revisione del codice, nessuno di essi è in grado di individuare tutti i problemi e, anzi, è dimostrato che sia necessario utilizzare più metodi per individuare una percentuale significativa dei problemi.

ControlFlag è uno strumento di Intel che automatizza questo processo facendo leva su un mix di machine learning, metodi formali, linguaggi di programmazione e compilatori: da un lato, dunque, c'è il rigore formale dell'analisi, simile a quella effettuata dai compilatori e riconducibile dunque all'analisi statica, ma dall'altro lato c'è anche l'acquisizione dell'esperienza tramite il machine learning. ControlFlag impara infatti quale codice è da considerarsi "buono" e "normale", individuando dunque anomalie che potrebbero portare all'insorgenza di un malfunzionamento.

L'aspetto però veramente interessante di ControlFlag è che è in grado di riconoscere lo stile dei programmatori e di tenerne conto in fase di valutazione. In questo modo si evita di segnalare come errori elementi che sono, in realtà, parte dello stile di ciascun programmatore. In questo modo si evita anche di ottenere codice che sia eccessivamente caratterizzato dalle scelte dello stesso ControlFlag, lasciando libertà espressiva agli sviluppatori.

Intel sta già utilizzando ControlFlag internamente per scovare problemi nel codice dei propri driver e del firmware dei propri prodotti. Non si ha notizia di quando potrebbe essere disponibile in forma più ampia.

"Pensiamo che ControlFlag sia un potente nuovo strumento in grado di ridurre drasticamente il tempo e il denaro necessari per valutare e ed effettuare il debugging del codice", ha commentato Justin Gottschlich, principal scientist e direttore/fondatore della Machine Programming Research di Intel Labs. "Secondo gli studi, gli sviluppatori di software spendono circa il 50% del loro tempo per le attività di debugging. Con ControlFlag, e sistemi simili a questo, ci auguriamo che i programmatori risparmino tempo per il debugging e abbiano più tempo per esprimere idee nuove e creative per le macchine".

I progressi nella ricerca sulla neuromorfica

Su Edge9 abbiamo già parlato di Loihi, il chip neuromorfico di Intel che è in grado di lavorare imitando i meccanismi del cervello umano, per esempio riconoscendo alcuni odori. Intel sta investendo molto in questo settore e ha fatto ulteriori passi avanti grazie anche alla collaborazione dei suoi partner.

Tra le novità presentate da Intel ci sono il riconoscimento vocale e dei gesti, la ricerca per immagini, la risoluzione di problemi di ottimizzazione e di ricerca e la robotica.

Accenture ha dimostrato come Loihi offra un'accuratezza nel riconoscimento della voce simile a quella offerta dai metodi tradizionali basati su GPU, ma con un'efficienza 1.000 volte maggiore e con tempi di risposta fino a 200 millisecondi più rapidi. Ciò apre a interessanti sviluppi per il riconoscimento vocale anche in situazioni in cui la connettività a Internet è assente o limitata: Mercedes-Benz, ad esempio, sta valutando come impiegare queste novità per il sistema di riconoscimento vocale sulle sue automobili.

La ricerca per immagini è già una realtà, ma ha un costo importante in termini energetici: CPU e GPU devono lavorare molto per ottenere risultati accurati. Intel ha dimostrato come sia possibile ottenere risultati simili con Loihi, utilizzando però 3 volte meno energia.

Particolarmente interessante è la capacità di Loihi di risolvere certi problemi di ottimizzazione e di ricerca con un'efficienza 1.000 volte maggiore e una velocità di 100 volte quelle delle CPU tradizionali. Si tratta di problemi importanti perché coinvolgono, ad esempio, l'organizzazione della logistica e la programmazione dei treni: trovare i risultati ottimali è un compito arduo che richiede ancora molto intervento umano e tempi (e costi) di elaborazione piuttosto elevati.

Sebbene sia presto per vedere prodotti usati nel quotidiano che facciano uso di questa tecnologia, la ricerca è particolarmente importante per porre le basi che porteranno a prodotti più efficienti ed efficaci in futuro. I chip neuromorfici di Intel sembrano particolarmente promettenti in alcuni ambiti specifici, dove l'arrivo di prodotti commerciali potrebbe fare la differenza.