Alcune nuove idee sviluppate nei laboratori universitari statunitensi

• 
• Tweet
• Pin It
• Condividi per email

Le università statunitensi sono note per la fervente attività di ricerca e sviluppo che svolgono con l’obiettivo di cercare prima o poi di concretizzare i risultati ottenuti e trasformarli alla fine in pregevoli start-up. Un po’ lontano dalla California e dal Massachusetts dove ci sono i politecnici più blasonati, negli Stati Uniti spiccano centri di ricerca di eccellenza anche nel deserto, nelle coste del sud e sulle montagne rocciose. Curiosiamo, dunque, fra le nuove idee recentemente presentate nelle università in Sud Carolina, Texas, Nord Carolina e Colorado.

Gate-Array più efficienti

Nella Clemson University dell’omonima città del Sud Carolina, un gruppo di studenti è riuscito ad accelerare le prestazioni di un Fpga fino a decuplicarle usando un accorgimento concepito a livello software che applicato sulle porte logiche a livello hardware si dimostra eccezionalmente valido. In pratica, gli studenti si sono ispirati al popolare gioco francese “Blokus-Duo” per perfezionare la tecnica nota come “potatura alfa-beta” tipicamente usata negli algoritmi “minimax” tipici dell’intelligenza artificiale e l’hanno applicata a un Fpga Altera Cyclone di piccole dimensioni osservando che le prestazioni hardware migliorano drasticamente.

Applicando un algoritmo di intelligenza artificiale minimax con potatura α-β alcuni studenti dell’università di Clemson sono riusciti a decuplicare la velocità di elaborazione a livello hardware degli Fpga

Gli algoritmi minimax sono comunemente utilizzati nei videogiochi a due come scacchi, blokus o simili per far fare al computer la parte di un giocatore e si basano sulla ricerca della mossa migliore in ogni momento della partita calcolando tutte le mosse migliori occorrenti per risalire dal risultato di vittoria alla fine del gioco fino alla configurazione presente in quel momento. A ogni mossa l’algoritmo assume che ciascun giocatore cerchi di massimizzare le sue probabilità di vincere e minimizzare le probabilità di vincere dell’avversario, ma se il gioco è sufficientemente complesso come gli scacchi o il blokus allora l’albero delle possibili mosse di gioco può diventare troppo grande per poterne ricavare una rappresentazione completa e quindi occorre fare una valutazione euristica che consenta di prevedere le posizioni non terminali di gioco, senza bisogno di interessarsi delle successive mosse necessarie per arrivare alla vittoria ma considerandone solo un certo numero. Si decide, dunque, di troncare l’albero dopo un numero prefissato di ramificazioni ossia a una determinata profondità che si considera sufficiente per stimare un adeguato avvicinamento alla vittoria. Molti software minimax in commercio sono di questo tipo e hanno profondità tipiche di 8 o 12 livelli.

All’università del Texas hanno realizzato dei micromulini a vento MEMS di 1,8 mm implementabili a centinaia sui case dei cellulari per generare l’energia di ricarica delle batterie dai movimenti dell’aria

Un’alternativa al troncamento dell’albero è l’utilizzo di un algoritmo di potatura alfa-beta che consenta di scegliere fra tutte le diramazioni possibili solo quelle più vincenti e cancellare dall’albero quelle meno vincenti, riducendone la complessità di oltre dieci volte pur continuando a considerare l’intero albero fino alla vittoria. Gli algoritmi di potatura calcolano due valori alfa e beta che rappresentano la posizione migliore e peggiore da raggiungere per un giocatore a partire dalla sua posizione attuale e a ogni mossa vengono calcolati per tutti i nodi dell’albero raggiungibili fino alla fine dell’albero, ma con una selezione drastica a ogni nodo.

In pratica, l’algoritmo procede confrontando i due valori di alfa e beta calcolati e laddove il valore di β supera quello di α allora l’intera ramificazione che segue da quel nodo viene tagliata, o potata, da cui il nome di potatura (α-β pruning), perché significa che da quella mossa in poi le mosse sono tutte peggiori. In questo modo l’albero viene enormemente ridotto ed è dimostrato che le potature non influenzano né la probabilità né la velocità di vincere.

La sperimentazione è stata implementata su una demo board Altera DE2 115 con sopra un Fpga Altera Cyclone IV EP4CE115F29C7 a 50 MHz e con un collegamento a un computer host con processore Intel Xeon a 2,0 GHz che impersonava entrambi i giocatori. Fra l’host e l’Fpga è stata sufficiente un’interfaccia seriale RS-232 che trasmetteva le mosse dei giocatori con un opportuno codice e consentiva all’host di valutare con l’algoritmo minimax scritto in C l’effetto di ogni mossa calcolando ogni volta il relativo albero sul quale eseguiva anche un’adeguata potatura alfa-beta. A livello dell’Fpga l’algoritmo minimax è scritto in Hardware Description Language (HDL) e l’albero è formato dalle porte logiche sul silicio.

Le Solar Fuel a fotosintesi ideate nei laboratori dell’università della Nord Carolina consentono di produrre idrogeno e immagazzinarlo in membrane utilizzabili nelle celle a combustibile

Di conseguenza, i nodi sono processi computazionali o blocchi di istruzioni e sono correlati in sequenza gerarchica tale per cui ogni processo può attivare o disattivare due processi sottostanti ma non viceversa. Grazie all’ampia quantità di porte logiche è possibile determinare in questo modo le ramificazioni ossia le successioni di nodi dell’albero fino alla massima profondità corrispondente al risultato, decidendo a ogni nodo di potare i rami inutili fino a isolare la sequenza dei processi computazionali che più rapidamente porta alla soluzione.

La velocità di gioco ottenuta a livello hardware sull’Fpga è stata ben undici volte superiore a quella di un analogo algoritmo minimax con potatura alfa-beta puramente software. Questo risultato è significativo perché dimostra che l’elaborazione hardware in un Fpga può obbedire ad algoritmi di intelligenza artificiale opportunamente implementati e consentire velocità di esecuzione notevoli pur preservando il vantaggio della programmabilità del supporto sul silicio. Le opportunità di sviluppo per nuove applicazioni riconfigurabili a elevate prestazioni sono evidenti e già in corso di studio negli stessi laboratori di Clemson.

Energia riutilizzabile

Nella sede di Arlington dell’Università del Texas hanno utilizzato la tecnologia MEMS per realizzare un micro mulino a vento che potrebbe imporsi come un’importante soluzione per ricaricare le batterie degli apparecchi portatili e dei terminali mobili. Il micromulino è costruito con una robusta lega di nickel e ha tre pale che possono ruotare su un asse formando un cerchio con diametro di 1,8 mm. Di conseguenza se ne possono montare circa un centinaio direttamente sul case dei telefoni cellulari e se collegati a un opportuno circuito di polarizzazione possono convertire la rotazione delle pale indotta dal movimento dell’aria in energia elettrica indirizzandola direttamente alle batterie e così ricaricarle. La ricerca è confluita nella start-up americana/taiwanese WinMEMS Technologies che ha integrato i micromulini insieme ad altri componenti MEMS fra cui induttori, ingranaggi, interruttori e pinze realizzando in tal modo dei prototipi già sperimentati con successo e tuttora in corso di ulteriore sviluppo.

Le celle nanometriche ideate all’università del Colorado di Boulder convertono l’energia termica in energia vibrazionale a livello dei fononi e poi in energia elettrica con rendimento elevatissimo

All’Energy Frontier Research Center dell’Università del Nord Carolina hanno ideato una tecnica per convertire l’illuminazione solare in idrogeno con un procedimento simile a quello della fotosintesi e con l’ulteriore vantaggio di poterlo immagazzinare e quindi utilizzare come provvista di combustibile in molti modi. La tecnica consiste, in pratica, nel separare l’idrogeno e l’ossigeno dell’acqua usando la radiazione solare e poi nel far assorbire il gas composto dalle nanoparticelle di idrogeno in opportune membrane di ossido di titanio in modo tale da trattenerle dentro una membrana di cromoforo catalizzatore mentre l’ossigeno viene lasciato libero di volatilizzare.

In questo modo si realizzano le Dye-Sensitized Photoelectrosynthesis Cell, o DSPEC, che consentono di immagazzinare l’idrogeno e farne una fonte di energia utilizzabile nelle piccole celle a combustibile. Inoltre, si tratta di una tecnologia assolutamente ecologica perché rilascia ossigeno nell’aria ed è anche per questo motivo che i ricercatori della UNC hanno battezzato questa tecnologia Solar Fuel.

Alla University of Colorado Boulder sita nell’omonima città di Boulder nelle montagne rocciose hanno sperimentato un’innovativa tecnica nanometrica che serve per convertire il calore in elettricità con un elevato rendimento e ottime caratteristiche di versatilità applicativa. In genere l’effetto termoelettrico si misura come una corrente di portatori generati fra le due metà di uno spessore esposte a differenti temperature, ma in questo caso l’approccio utilizzato è diverso. I ricercatori hanno osservato, infatti, che i materiali che convertono il calore in elettricità possono a loro volta dissiparla termicamente a causa delle vibrazioni di fononi che vi si propagano.

Da ciò sono partiti per realizzare una densa matrice di colonnine termoelettriche che diventano a tutti gli effetti un “nanophononic metamaterial” nel senso che quando la matrice è ben fatta allora si comporta come una struttura capace di trasformare le differenze termiche in un flusso di calore e poi in vibrazioni di fononi grazie ai quali si produce una corrente di portatori di carica. La tecnica consiste nel costruire con le metodologie MEMS a livello nanometrico un array di colonnine termoelettriche di silicio con base di 1,1 nm² e altezza di 1,6 nm sopra un uguale foglio di silicio spesso 2,7 nm e grande circa mezzo cm² per ogni cella.

Con questo approccio la cattura dell’energia termica è particolarmente efficace e si possono realizzare convertitori con rendimento circa doppio rispetto alle celle fotovoltaiche convenzionali. Si può utilizzare questa tecnologia per il recupero dell’energia termica dispersa dalle automobili, dagli elettrodomestici e da molte altre sorgenti termiche industriali, ma il miglior utilizzo dei metamateriali nanofononici è quello della realizzazione dei pannelli solari capaci di trasformare il calore emanato dal sole per produrre energia elettrica a livello locale.

Lucio Pellizzari

• 
• Tweet
• Pin It
• Condividi per email