Chip simili al cervello potenziano i computer e combattono la criminalità informatica / Brain-like chips are boosting computers and battling cybercrime

 Chip simili al cervello potenziano i computer e combattono la criminalità informatica / Brain-like chips are boosting computers and battling cybercrime

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Il cervello umano è più potente ed efficiente dal punto di vista energetico di qualsiasi computer. Gli scienziati ne stanno imitando il funzionamento per produrre chip informatici migliori e gestire la crescente quantità di dati generati ogni giorno.

I ricercatori stanno sviluppando chip simili a quelli del cervello, in grado di gestire i big data e proteggere i dispositivi domestici.

Per impedire che i dispositivi domestici intelligenti vengano hackerati, i ricercatori stanno sviluppando chip simili a quelli del cervello, ultraveloci ed a basso consumo energetico, in grado di rilevare le minacce in tempo reale, direttamente sui nostri dispositivi.

Dai frigoriferi e TV intelligenti agli spazzolini da denti connessi a internet, sempre più dispositivi domestici fanno ormai parte dell'Internet delle Cose. Questo semplifica l'analisi dei dati di utilizzo o l'installazione di aggiornamenti da remoto. Ma rappresenta anche un rischio per la sicurezza.

Questi dispositivi intelligenti sono spesso presi di mira dagli hacker per creare le cosiddette botnet, reti di dispositivi compromessi che possono essere utilizzate per lanciare attacchi informatici su larga scala.

Elaborazione dati al limite

Per risolvere questo problema, possiamo, ad esempio, raccogliere tutti i dati che passano attraverso un dispositivo ed inviarli ad un data center dove algoritmi di intelligenza artificiale vengono utilizzati per individuare attività sospette in milioni di dispositivi connessi. Ma questo richiede tempo ed il trasferimento di enormi quantità di dati.

Ecco perché gli scienziati vogliono essere in grado di effettuare questi calcoli localmente, sul frigorifero o sullo spazzolino da denti stesso.

I circuiti imitano il comportamento del cervello.

Fabio Pavanello, NEUROPULS

Ma questo concetto di edge computing, in cui i calcoli vengono eseguiti localmente, ai margini della rete, presenta anche delle sfide. Diversi calcoli complessi devono essere eseguiti rapidamente su chip di piccole dimensioni che non consumano molta elettricità.

"Se si generano queste quantità di dati, elaborarli al volo è molto impegnativo", ha affermato il dott. Matěj Hejda, ricercatore specializzato in informatica avanzata e fotonica. Hejda fa parte di un'iniziativa finanziata dall'UE chiamata NEUROPULS, che sta affrontando questo problema a testa alta.

Hejda ed altri ricercatori del gruppo NEUROPULS stanno sviluppando un piccolo chip, o processore, in grado di effettuare calcoli di intelligenza artificiale molto rapidi consumando pochissima energia.

"Se si verifica un attacco informatico, non ci si può permettere ritardi. Ci affidiamo all'intelligenza artificiale per prendere decisioni rapide basate su enormi quantità di dati. È per questo che è progettato il nostro chip", ha affermato.

Potere del cervello

La loro innovazione trae ispirazione dal cervello umano, che può svolgere compiti complessi con un consumo energetico molto inferiore rispetto ai computer convenzionali odierni. Basando il proprio lavoro sulle caratteristiche chiave dell'elaborazione neurale, il gruppo spera di fornire un'elaborazione intelligente ed a basso consumo per una vasta gamma di applicazioni del mondo reale.

"I circuiti imitano il comportamento del cervello", ha affermato il Dott. Fabio Pavanello, ricercatore capo del Centro Nazionale Francese per la Ricerca Scientifica presso il Centro per le Radiofrequenze, l'Ottica e la Micro-nanoelettronica nelle Alpi. Pavanello è responsabile del coordinamento della ricerca NEUROPULS.

Questa nuova combinazione di neuroscienze ed alta tecnologia è chiamata informatica neuromorfica e sta rapidamente acquisendo rilevanza.

"Ci sono molti modi per farlo. Abbiamo scelto la fotonica, il che significa che utilizziamo fasci di luce invece di segnali elettrici per effettuare i calcoli", ha detto Pavanello.

Unione di memoria ed elaborazione

Parte della ricerca si sta svolgendo presso i laboratori Hewlett Packard Enterprise in Belgio, dove lavora Hejda. I ricercatori stanno lavorando per risolvere uno dei colli di bottiglia dell'intelligenza artificiale moderna: la memoria.

"Abbiamo un modo per aggirare questa barriera", ha detto Pavanello. Nei computer convenzionali, la memoria è separata dall'unità di elaborazione centrale (CPU) in cui vengono eseguiti i calcoli. Il processore esegue i calcoli, mentre i dati utilizzati in tali calcoli vengono memorizzati nell'unità di memoria.

Questi dati devono essere costantemente trasferiti dalla memoria al processore e viceversa, generalmente tramite un circuito elettrico. Questo crea un collo di bottiglia per l'intelligenza artificiale, perché la connessione tra processore e memoria non è in grado di gestire flussi di dati così massicci.

Questo collo di bottiglia porta a calcoli più lenti ed a un maggiore consumo energetico. Ma i ricercatori potrebbero aver trovato una soluzione alternativa.

"Il nostro obiettivo è collocare la memoria ed i calcoli nello stesso posto", ha detto Hejda. "Tra l'altro, è così che funziona anche nel nostro cervello. In natura, ricordi e pensiero sembrano essere co-localizzati."

Onde luminose

Un'altra innovazione proposta dal chip NEUROPULS è il calcolo fotonico a bassissimo consumo. Invece di eseguire calcoli con segnali elettrici, utilizza chip speciali in cui la luce attraversa percorsi microscopici chiamati guide d'onda.

L'uso della luce offre numerosi vantaggi, come la minima perdita di segnale, latenze o ritardi estremamente bassi tra l'invio e la ricezione dei dati e velocità di trasmissione dati elevate.

"È anche più facile eseguire molti calcoli paralleli utilizzando diversi colori di luce", ha affermato Pavanello.

"Utilizzando questi sistemi, è possibile disporre di più sensori e raccogliere più dati. Ciò significa che possiamo prendere decisioni più consapevoli con costi energetici inferiori." 

Un altro vantaggio dell'utilizzo della tecnologia fotonica è la possibilità di realizzare scudi più sicuri per tali chip, al fine di proteggerne meglio il funzionamento ed i dati che gestiscono. "Questo è un requisito fondamentale per il loro utilizzo sicuro in sistemi e reti", ha aggiunto Pavanello.

Un impulso alle auto a guida autonoma

Il gruppo di ricerca di NEUROPULS prevede di testare il nuovo chip in applicazioni pratiche, come il rilevamento di intrusioni nelle reti informatiche. Ma intende anche utilizzarlo in altre situazioni del mondo reale.

Potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per accelerare i tempi di reazione delle auto a guida autonoma.

In caso di attacco informatico, non puoi permetterti ritardi.

Matěj Hejda, NEUROPULS

Quando un veicolo deve frenare o sterzare bruscamente nel traffico, non può aspettare che un centro dati remoto elabori le informazioni e risponda: tutto deve avvenire istantaneamente ed in modo affidabile.

Le architetture fotoniche utilizzate in NEUROPULS forniranno un'elevata larghezza di banda ed una bassa latenza, consentendo al software delle auto di prendere decisioni in tempo reale e migliorando la sicurezza stradale.

I chip possono essere utilizzati anche nelle telecamere e nei sensori del traffico, contribuendo a ottimizzare la mobilità urbana, o nei dispositivi sanitari indossabili che monitorano i parametri vitali e inviano avvisi in tempo reale se qualcosa non va.

Progressi rapidi in vista

Tra i partner del progetto figurano la Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica, il Centro di supercalcolo di Barcellona e importanti università di Italia, Belgio, Portogallo, Germania e Grecia.

I ricercatori puntano ad ultimare e testare il nuovo progetto di chip entro il 2027. Tuttavia, potrebbe volerci del tempo prima che i chip cerebrali trovino posto nei nostri dispositivi, poiché devono essere preparati per applicazioni su larga scala.

"Ci vorranno alcuni anni prima che questa tecnologia venga effettivamente utilizzata su larga scala, anche se il nostro approccio è altamente scalabile, grazie all'impiego della stessa tecnologia impiegata per i microchip", ha affermato Pavanello.

Detto questo, i chip neuromorfici e fotonici stanno già diventando l'ultima tendenza tecnologica. Grandi aziende produttrici di chip per l'intelligenza artificiale come Nvidia stanno investendo nella tecnologia fotonica integrata. Per Hejda, questo è un segnale che la tecnologia è prossima a una più ampia accettazione.

"Sta diventando evidente che i principali attori del mercato ritengono che la fotonica sia una tecnologia da tenere d'occhio", ha affermato. "Questo è un buon segno e potrebbe accelerare il percorso verso applicazioni concrete".

ENGLISH

The human brain is more powerful and energy-efficient than any computer. Scientists are imitating the way it works to produce better computer chips and help deal with the growing amounts of data generated every day.

Researchers are building brain-like chips that can handle big data and keep household devices safe.

To prevent smart household devices from being hacked, researchers are developing ultra-fast, energy-efficient brain-like chips that can detect threats in real time, right on our devices.

From smart fridges and TVs to internet-connected toothbrushes, more and more household gadgets are now part of the Internet of Things. That makes it easier to analyse usage data or install remote updates. But it is also a security risk.

These smart devices are frequently targeted by hackers to create so-called botnets – networks of compromised devices that can be used to launch large-scale cyber-attacks.

Computing on the edge

To address this, we can, for example, collect all the data that passes through a device and send it to a data centre where AI algorithms are used to spot suspicious activity in millions of connected devices. But that takes time and requires transferring enormous amounts of data.

This is why scientists want to be able to do these calculations locally – on the fridge or the toothbrush itself.

The circuits mimic the behaviour of the brain.

Fabio Pavanello, NEUROPULS

But this concept of edge computing, where calculations happen locally, on the edge of the network, also has its challenges. A number of complex calculations must be quickly done on small chips that do not use much electricity.

“If you’re generating these quantities of data, then processing it on the fly is very demanding,” said Dr Matěj Hejda, a research scientist specialising in advanced computing and photonics. Hejda is part of an EU-funded initiative called NEUROPULS, which is tackling this problem head-on.

Hejda and other researchers on the NEUROPULS team are developing a small chip, or processor, which can make very fast AI calculations while consuming hardly any energy.

“If a cyber-attack occurs, you can’t afford delays. We rely on AI to make rapid decisions based on very large amounts of data. That’s what our chip is designed to do,” he said.

Brain power

Their innovation is inspired by the human brain, which can perform complex tasks with far less energy than today’s conventional computers. By basing their work on the key features of neural processing, the team hopes to deliver smart, low-power computing for a range of real-world applications.

“The circuits mimic the behaviour of the brain,” said Dr Fabio Pavanello, a lead French National Centre for Scientific Research researcher at the Centre for Radiofrequencies, Optic and Micro-nanoelectronics in the Alps. Pavanello is responsible for coordinating the NEUROPULS research.

This new blend of neuroscience and high tech is called neuromorphic computing, and it is quickly gaining relevance.

“There are a lot of ways to do this. We chose photonics, which means that we use light beams instead of electrical signals to make the computations,” said Pavanello.

Merging memory and processing

Some of the research is being done at the Hewlett Packard Enterprise labs in Belgium, where Hejda works. The researchers there are working to resolve one of the bottlenecks in modern AI computing: memory.

“We have a way to bypass that barrier,” said Pavanello. On conventional computers, the memory is separated from the central processing unit where the calculations happen. The processor calculates things, while the data used in that calculation is stored in the memory unit.

That data needs to be constantly shifted from the memory to the processor and back, generally through some electrical circuit. That creates a bottleneck for AI because the connection between the processor and the memory cannot handle such massive data flows.

This bottleneck leads to slower calculations and higher energy use. But the researchers may have found a workaround.

“We aim to place the memory and the calculations in the same place,” said Hejda. “This is also how it’s done in our brain, by the way. In nature, memories and thinking appear to be co-located.”

Light waves

Another innovation the NEUROPULS chip proposes is ultra-low-power photonic computing. Instead of doing calculations with electrical signals, it uses special chips where light passes through microscopic pathways called waveguides.

Using light provides several advantages, such as minimal signal loss, ultra-low latencies or delays between sending and receiving data, and large data rates.

“It’s also easier to do many parallel calculations with it by using different colours of light,” Pavanello said.

“Using these systems, you can have more sensors and gather more data. That means we can make better informed decisions with lower costs in energy.” 

Another advantage of using photonic technology is the potential for building more secure shields for such chips to better protect their operation and the data they handle. “This is a key requirement for their safe use in systems and networks,” Pavanello added.

Boost for self-driving cars

The NEUROPULS research team plans to test the new chip in practical applications such as detecting intrusions on computer networks. But they also want to use it in other real-world situations.

For example, it could be used to speed up the reaction times of self-driving cars.

If a cyber-attack occurs, you can’t afford delays.

Matěj Hejda, NEUROPULS

When a vehicle needs to brake or swerve suddenly in traffic, it cannot wait for a remote data centre to process information and respond – everything must happen instantly and reliably.

The photonic architectures used in NEUROPULS will provide high bandwidth and low latency, allowing the cars’ software to make real-time decisions and improving road safety.

The chips can also be used in traffic cameras and sensors, helping to optimise urban mobility, or in wearable health devices that monitor vital signs and send out real-time alerts if something is wrong.

Fast progress ahead

Partners in the project include the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission, the Barcelona Supercomputing Center, and leading universities from Italy, Belgium, Portugal, Germany and Greece.

The researchers aim to finalise and test their new chip design by 2027. Still, it might take some time before the brain chips find their way into our devices, as they need to be made ready for larger scale applications.

“It will take some years before this actually goes into widespread use, although our approach is highly scalable, thanks to the use of the same technology used for microchips,” said Pavanello.

That said, neuromorphic and photonic chips are already becoming the latest tech fashion. Large AI chip companies such as Nvidia are investing in integrated photonic technology. For Hejda, this is a sign that the technology is on the cusp of wider acceptance.

“It is becoming apparent that the biggest players in the market think photonics is a technology they need to look at,” he said. “That’s a good sign and could accelerate the path to real-world applications.”

Da:

https://projects.research-and-innovation.ec.europa.eu/en/horizon-magazine/brain-chips-are-boosting-computers-and-battling-cybercrime?pk_source=newsletter&pk_medium=email&pk_campaign=23062025&pk_content=frontier-research-ict-society