Il Fraunhofer IIS studia un chip AI per reti in fibra ottica

Le reti in fibra ottica sono un elemento fondamentale del futuro digitale. Nella competizione per le tecnologie chiave, l'industria richiede larghezze di banda sempre maggiori con latenze sempre più basse. Inoltre, le future reti 6G dovranno soddisfare requisiti di elevata velocità di trasmissione dati. Il problema: più elevate sono le velocità di trasmissione dati previste, maggiore sarà la qualità del segnale.

Per compensare le interferenze, gli operatori si affidano attualmente a processori di segnale digitale. "Tuttavia, questi sono costosi e, a causa del loro enorme consumo energetico, non rappresentano una soluzione sostenibile a lungo termine", spiega Michael Rothe, responsabile del gruppo "Embedded AI" presso il Fraunhofer IIS. Ulteriori aumenti della velocità di trasmissione dati in fibra ottica stanno quindi raggiungendo sempre più i loro limiti.

Nuovi progetti

Il progetto UE "Spikehero" (Spike Hybrid Edge Computing for Robust Optoelectrical Signal Processing) sta ricercando una soluzione. I partner del progetto stanno lavorando a una nuova architettura di processore AI che combina un chip di rete neurale con spiking ottico ed elettrico. Le reti neurali sono progettate per monitorare costantemente il canale di comunicazione, analizzare i segnali e correggere eventuali interferenze nel ricevitore utilizzando parametri di controllo.

Mantenendo la qualità del segnale, le reti in fibra ottica acquisiscono nuove opportunità per aumentare la velocità di trasmissione dati. Nello specifico, il progetto mira ad aumentare la larghezza di banda da 10 GHz a 30 GHz, riducendo al contempo la latenza da 10 microsecondi a meno di 6 nanosecondi. Allo stesso tempo, si prevede che anche il consumo energetico diminuirà da 7-10 watt a 1-2 watt.

valore caratteristico	Attuale	Obiettivo del progetto
Larghezza di banda	10 GHz	30 GHz
latenza	10 microsecondi	< 6 nanosecondi
Consumo energetico	7-10 O	1-2 O

Il cervello come modello

Le reti neurali spiking (SNN) sono considerate un approccio promettente per l'ulteriore sviluppo dell'intelligenza artificiale. Il loro funzionamento imita i principi del cervello umano: le informazioni vengono elaborate sotto forma di impulsi, i cosiddetti spike, e solo quando un evento ha superato una soglia critica di rilevanza. Questo rende le SNN interessanti per tutte le applicazioni di intelligenza artificiale in cui è necessario bilanciare capacità in tempo reale ed efficienza energetica.

Tuttavia, esistono diversi approcci allo sviluppo hardware dei chip SNN. Mentre i picchi nei semiconduttori ottici sono trasmessi da fotoni, gli impulsi nelle loro controparti elettriche si basano su tensioni e correnti. Entrambe le tipologie presentano vantaggi che saranno combinati in questo progetto. Il chip SENNA, sviluppato presso il Fraunhofer IIS e il Fraunhofer EMFT, viene utilizzato come chip SNN elettrico. "Stiamo attualmente lavorando alla seconda generazione, che promette frequenze di picco ancora più elevate con un consumo energetico ancora inferiore", afferma Rothe.

Un progetto paneuropeo

Il progetto è finanziato dal Consiglio europeo per l'innovazione (CEI) con un budget di oltre 4,2 milioni di euro e si svolgerà dal 1° ottobre 2025 al 30 settembre 2029. Il progetto riunisce ricercatori e aziende di quattro paesi europei: oltre al Fraunhofer IIS, partecipano anche il Fraunhofer EMFT, l'Università tecnologica di Eindhoven, Hewlett Packard Enterprise Labs Belgio e Argotech dalla Repubblica Ceca.

Progetti come "Spikehero" sfruttano e rafforzano ulteriormente le competenze e l'infrastruttura sviluppate all'interno del Research Fab Microelectronics Germany (FMD). Contribuiscono inoltre alla linea pilota APECS per "Packaging avanzato e integrazione eterogenea per componenti e sistemi elettronici", che FMD sta implementando nel contesto del Chips Act dell'UE. L'obiettivo è promuovere l'innovazione dei chiplet e quindi rafforzare in modo sostenibile la ricerca e la produzione europea di semiconduttori.

Ulteriori informazioni sulle reti neurali Spiking sono disponibili qui .