L’ingegneria elettronica e la sicurezza dei circuiti digitali

“Una delle sfide principali che le Università devono affrontare è formare ingegneri elettronici con una mentalità orientata alla risoluzione dei problemi a livello di sistema. L'ingegnere elettronico non sarà più semplicemente un esperto di dispositivi e componenti; dovrà essere in grado di comprendere e gestire l’intero processo di progettazione, integrando competenze sia hardware che software. Questa capacità di pensare al sistema nel suo complesso, e non più al singolo dispositivo, sarà fondamentale per rispondere alle nuove richieste dell’industria tecnologica”.

È questa la visione dell’ingegnere elettronico del futuro che la Professoressa Stefania Perri ha presentato durante l’intervista rilasciata per la Società Italiana di Elettronica. Una visione che nasce dalla personale esperienza con le aziende che oggi richiedono ingegneri elettronici con una conoscenza più flessibile e adattabile. Le sfide che un ingegnere elettronico dovrà affrontare nel prossimo futuro riguardano sempre più l’innovazione nei sistemi elettronici e l’approccio progettuale.

“Le tecnologie evolvono rapidamente e l’ingegnere elettronico deve sapersi muovere agilmente tra diverse aree di competenza. Per affrontare queste sfide sarà necessario formare ingegneri elettronici con una preparazione ampia e multidisciplinare. Non bastano più le competenze a livello di componente o circuito elettronico; è essenziale avere una visione complessiva e saper progettare a livello di sistema, integrando competenze digitali e analogiche. In un sistema complesso, queste due aree devono coesistere e collaborare in modo efficiente”.

Stefania Perri è Professore Associato presso l'Università della Calabria, dove ha conseguito la laurea in Ingegneria Informatica. Durante il quarto e quinto anno del suo percorso di studi, ha scelto di specializzarsi in Ingegneria Elettronica, completando poi la sua formazione con il dottorato di ricerca. In quegli anni ha maturato diverse esperienze internazionali, tra cui un periodo presso l'Università di Rochester, dove, in qualità di Adjunct Professor, ha preso parte a numerose attività di ricerca riguardanti la progettazione di circuiti digitali. Attualmente è titolare del corso di “Elettronica Digitale” per la laurea triennale in Ingegneria Informatica, dei corsi di “Progettazione di Sistemi Digitali” e di “Sintesi di Sistemi ad Alto Livello” per la laurea magistrale in Ingegneria Elettronica.

“Negli ultimi anni, i sistemi digitali sono diventati elementi realmente essenziali nella nostra quotidianità, soprattutto grazie all'introduzione di nuove applicazioni e nuovi dispositivi elettronici, tutti basati su tecnologie digitali. Senza di essi, non avremmo a disposizione gran parte della tecnologia alla quale siamo oramai abituati. I circuiti digitali hanno sempre rappresentato un tema cruciale per i progettisti, e personalmente nutro una passione per l'elettronica sin dai tempi della scuola. Ho avuto l'opportunità di seguire da vicino l'evoluzione di questo settore. Ricordo che nei primi anni i software di progettazione a disposizione fornivano un supporto estremamente limitato, richiedendo al progettista uno sforzo notevole per ottenere risultati apprezzabili. Oggi la domanda di progetti digitali di alto livello è cresciuta e anche gli strumenti di ausilio alla progettazione (CAD) si sono evoluti, offrendo ai progettisti potenzialità molto più avanzate e complete”.

La Professoressa Perri lavora nell’ambito dell’elettronica digitale a vari livelli di astrazione. Ha iniziato con lo studio dei circuiti a livello di transistor, sviluppando topologie circuitali innovative, grazie alla possibilità di ottimizzare specifiche funzioni a livello custom. Successivamente, ha lavorato a livello di progetto logico, per poi arrivare a concentrarsi su sistemi elettronici complessi. Attualmente, il suo lavoro si focalizza sulla progettazione di sistemi embedded che, combinando le peculiarità di moduli hardware e software, rappresentano piattaforme realizzative di particolare rilevanza in applicazioni avanzate, come quelle legate all’intelligenza artificiale.

In collaborazione con il Politecnico di Milano e l'Università di Ferrara, la Prof.ssa Perri sta lavorando alla realizzazione di strutture innovative destinate all'accelerazione degli algoritmi di intelligenza artificiale. In particolare, sono in fase di sviluppo nuovi sistemi integrati di memoria e calcolo che, grazie alle loro elevate prestazioni e all'ottimizzazione della dissipazione di potenza, si proporranno come soluzioni fondamentali per abilitare nuove tecnologie, come ad esempio l’edge computing.

“Attualmente, le GPU (Graphics Processing Unit), poiché sono in grado di raggiungere velocità di calcolo adeguate alle applicazioni di interesse, rappresentano la pietra di paragone per i ricercatori che lavorano in questo ambito. Purtroppo, le GPU sono costose e, quindi, non rappresentano una soluzione applicabile su larga scala. Un altro problema delle GPU è l’elevata dissipazione di potenza, che le rende inadatte all'integrazione in sistemi destinati all'edge computing che, dovendo processare grandi quantità di dati operando in locale, richiede strutture compatte, portatili, veloci e ad alta efficienza energetica. Le architetture che stiamo sviluppando rispondono a tutte le esigenze in termini di velocità di calcolo elevate, consumi ridotti, costi contenuti, portabilità. Ciò le rende una soluzione pratica ed efficiente per l’elaborazione locale dei dati”.

 

La sicurezza elettronica delle smart card

“La cyber-security deve affrontare due tipi di problemi: la sicurezza software e quella hardware. Nel 2005, in collaborazione con l'Università di Rochester, abbiamo sviluppato un sistema per proteggere le chiavi segrete utilizzate nelle smart card. Ci siamo concentrati su tecniche custom per nascondere le variazioni di corrente associate all'utilizzo delle chiavi segrete. Questo perché un hacker, osservando l’assorbimento di corrente durante il normale funzionamento del circuito all'interno di una smart card, può dedurre la chiave corretta. Abbiamo brevettato un sistema in grado di mascherare queste variazioni di corrente, proteggendo così le informazioni sensibili”.

Il tema della sicurezza hardware viene affrontato anche da una prospettiva diversa, sviluppando tecniche per proteggere i circuiti integrati dal reverse engineering. Questa è una pratica che viene utilizzata per “rubare” la funzionalità del circuito. In questo caso, l'obiettivo non è proteggere una specifica informazione, ma la funzionalità del circuito stesso. Infatti, nella progettazione elettronica spesso si ricorre all’impiego di IP cores, per i quali è necessario acquistare una licenza di utilizzo. In alcuni contesti, gli hacker cercano di aggirare il sistema di licenza per utilizzare i circuiti gratuitamente.

“Stiamo quindi lavorando su tecniche di camuffamento, che confondono gli hacker rendendo estremamente difficile ottenere informazioni dirette sul funzionamento di un circuito elettronico. Queste tecniche proteggono il circuito dal reverse engineering e rendono difficile il furto di informazioni da parte di un malintenzionato che vuole sapere quali funzioni svolge il circuito”.

Queste tecniche non si limitano alle smart card, ma possono essere applicate anche ad altri dispositivi e circuiti integrati. In alcune fasi della realizzazione, i circuiti sono vulnerabili e la loro funzione può essere facilmente identificata. Un hacker potrebbe “copiare” il circuito tramite reverse engineering e sfruttarlo in modo improprio. Per mitigare il rischio, vengono integrati nei circuiti elementi "fake", cioè risorse hardware aggiuntive che non contribuiscono realmente alla funzionalità del circuito. Così, anche se un hacker riesce a violare il circuito, non sarà in grado di utilizzarlo perché ignora la funzione reale degli elementi aggiunti. Questi, se non attivati e utilizzati propriamente, causano errori nei calcoli, proteggendo il circuito da copie non autorizzate e usi illeciti.

 

Perché c’è più interesse per l’Ingegneria Informatica?

“Porto l’esperienza raccolta grazie all’insegnamento di Elettronica Digitale rivolto agli studenti di Ingegneria Informatica. Spesso, in discussioni informali, mi raccontano di aver scelto quel corso di laurea con l’aspettativa di trovare anche materie che appartengono all'Ingegneria Elettronica. Quando arrivano al mio corso mi dicono che per la prima volta riescono a comprendere cosa c'è all'interno dei circuiti elettronici e come affrontarne la progettazione. A mio avviso, questo dimostra che gli studenti arrivano alla scelta del percorso di laurea con una visione non completamente chiara di ciò che offre il corso di Ingegneria Elettronica”.

La Prof.ssa Perri aggiunge, inoltre, che i percorsi didattici delle scuole secondarie di secondo grado spesso includono corsi di Informatica e Programmazione, mentre scarseggiano quelli che introducono i giovani all’elettronica e alla progettazione hardware. Per questo motivo, il Dipartimento di Ingegneria Informatica, Modellistica, Elettronica e Sistemistica (DIMES) dell’Università della Calabria e il Consiglio del Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica svolgono periodiche attività di orientamento per aumentare la conoscenza della reale offerta formativa e guidare gli studenti verso una scelta più consapevole.

“Fino a qualche anno fa poteva esserci anche l'idea che gli ingegneri informatici avessero più opportunità lavorative rispetto agli ingegneri elettronici. Oggi, però, questo non è più vero: molte aziende hanno bisogno di inserire nei loro organici laureati in Ingegneria Elettronica e molti dei nostri studenti ricevono offerte di lavoro e di assunzioni addirittura prima della laurea. Infine, va detto che la retribuzione degli ingegneri elettronici è attualmente tra le più elevate. Una recente elaborazione de Il Sole 24 Ore su dati AlmaLaurea ha rivelato che attualmente lo stipendio medio di un Ingegnere Elettronico in Italia è il più alto nel settore ingegneristico”.

 

Perché ancora poche ragazze nell’ingegneria elettronica?

“Voglio innanzitutto sottolineare che le poche ragazze che scelgono il nostro corso di laurea in Ingegneria Elettronica si distinguono per i loro eccellenti risultati. Tuttavia, esiste ancora una resistenza culturale, anche all'interno delle famiglie, che tende a considerare i corsi di ingegneria come poco adatti alle ragazze. Le aspettative sociali possono scoraggiarle dal considerare percorsi come il nostro. È fondamentale sensibilizzare le famiglie a supportare le ragazze che dimostrano interesse in questo campo. Purtroppo, spesso si tende a dissuaderle, soprattutto a causa delle preoccupazioni legate alla conciliazione tra carriera e famiglia, un fattore critico se non affrontato nel modo giusto.

Inoltre, la questione della divulgazione è centrale: l'ingegneria elettronica è spesso percepita come un campo poco attraente per le ragazze, mentre offre numerose opportunità stimolanti e spazi per la creatività e l'inventiva. Sono qualità che, se coltivate e incoraggiate, possono portare a grandi risultati. È davvero un peccato perdere, a causa di preconcetti o mancanza di sostegno, ragazze che potrebbero eccellere. Quando una ragazza intraprende questo percorso e riceve il giusto supporto, spesso emerge una naturale predisposizione che si traduce in un grande successo”.

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