Calcolo ad alta efficienza energetica ispirato alla natura
I cosiddetti supercomputer sono spesso utilizzati per affrontare una serie di problemi tecnologicamente e socialmente complessi. Tra questi, le previsioni meteorologiche e la ricerca climatica, la modellizzazione molecolare e le simulazioni dei piani di volo e dell’aerodinamica dei veicoli spaziali. La sfida nodale, tuttavia, è che questi supercomputer utilizzano grandi quantità di energia elettrica. Ciò significa che lo sviluppo di computer sempre più potenti è ostacolato dalla nostra limitata capacità di raffreddare i loro processori. «I computer richiedono molta energia elettrica per ogni calcolo», spiega il coordinatore del progetto Bio4Comp Heiner Linke dell’Università di Lund, in Svezia. «Se un problema richiede numerose operazioni, questo comporta in genere un costo energetico notevole. Si tratta di una sfida, non solo in termini di costi e sostenibilità, ma anche di pura gestione del calore.» Inoltre, i supercomputer non sempre sono brillanti a fare molte cose allo stesso tempo. Questo può renderli inefficienti per quanto riguarda il calcolo di problemi complessi come l’allocazione delle risorse nei processi industriali.
Calcolo basato sulla rete
Il progetto Bio4Comp, finanziato dall’UE, ha cercato di superare questi ostacoli aprendo la strada a nuovi progressi in ciò che è nota come biocomputazione basata sulla rete (NBC). Questo approccio di calcolo parallelo, che sfrutta la potenza e l’efficienza delle macchine biomolecolari, mira a risolvere problemi complessi a basso costo energetico e in tempi ragionevoli. «Immaginate un chip per computer che funziona con pochi nanogrammi di biocarburante, anziché con kilowatt di energia elettrica», spiega Linke. Questo approccio consumerebbe molta meno energia rispetto ai computer tradizionali e contribuirebbe a risolvere i problemi legati al consumo energetico e alla dissipazione del calore.
Funzionamento delle macchine biomolecolari
Il progetto si è proposto di realizzare questo obiettivo combinando due idee originali. Innanzitutto, l’hardware: è composto da canali nanometrici incisi su un chip di silicio. Questi canali formano un labirinto, che rappresenta un algoritmo matematico. «In secondo luogo, abbiamo utilizzato biomolecole che esplorano tutti i possibili percorsi attraverso il labirinto, eseguendo così l’operazione matematica vera e propria», aggiunge Linke. Queste macchine biomolecolari, ovvero filamenti citoscheletrici guidati da motori molecolari, hanno dimensioni di pochi miliardesimi di metro (nanometri). Ogni volta che raggiungono un nodo della rete, aggiungono un numero alla somma che stanno calcolando o lo tralasciano. In questo modo ogni biomolecola agisce come un piccolo computer. Sebbene una singola biomolecola sia molto più lenta di un computer attuale, esse si auto-assemblano in modo da poter essere utilizzate in gran numero, accrescendo rapidamente la loro potenza di calcolo. Il team del progetto ha testato con successo il proprio modello NBC su una serie di problemi matematici specifici che richiedevano un numero molto elevato di calcoli. «I due problemi su cui ci siamo concentrati sono quelli definiti della copertura esatta e della soddisfacibilità, ma riteniamo che ce ne siano altri in cui l’architettura NBC possa essere particolarmente efficace e adatta», osserva Linke.
Una digitalizzazione neutra in termini di emissioni di carbonio
Il progetto Bio4Comp ha dimostrato che la biocomputazione basata sulla rete è un approccio valido per la risoluzione di problemi computazionali complessi, offrendo un consumo energetico significativamente inferiore rispetto ai processori elettronici. «Abbiamo presentato una piattaforma di calcolo che utilizza ordini di grandezza inferiori di energia rispetto al calcolo elettronico», osserva. «Questo è il nostro contributo per un’industria digitale neutrale dal punto di vista delle emissioni di anidride carbonica.» Rimangono ovviamente delle sfide importanti per quanto riguarda la piena scalabilità della tecnologia. Il progetto affronta queste sfide in una tabella di marcia che identifica le principali esigenze scientifiche e tecnologiche per la diffusione dell’architettura NBC. «In particolare, identifichiamo i parametri tecnologici che devono essere raggiunti o superati e le possibili soluzioni per raggiungerli», spiega Linke. Questi includono metodi per la produzione su larga scala di reti fisiche su scala nanometrica.
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