Carver Mead: Der Ingenieur, der Silizium beibrachte, sich wie Neuronen zu verhalten

Carver Mead verbrachte eine Karriere damit, das Lehrbuch zu schreiben, das einer Generation von Ingenieuren beibrachte, wie man Computerchips entwirft, und verbrachte dann die nächste damit, zu argumentieren, dass Chips aufhören sollten, Logikgatter zu imitieren, und stattdessen anfangen sollten, die menschliche Netzhaut zu imitieren. Nur wenige Persönlichkeiten in der Geschichte der Elektronik haben die grundlegenden Annahmen ihres eigenen Fachgebiets zweimal im Abstand von Jahrzehnten neu erfunden und lagen beide Male richtig.

Von einem Wasserkraftlager zum Caltech

Carver Andress Mead wurde am 1. Mai 1934 in Bakersfield, Kalifornien, geboren und wuchs in der kleinen Berggemeinde Kernville auf, wo sein Vater am Big Creek Hydroelectric Project arbeitete. Er erhielt als Junge eine Amateurfunklizenz und arbeitete während der High School bei lokalen Radiosendern, eine frühe praktische Ausbildung in Elektronik, die jeder formellen Ausbildung vorausging. Er erwarb alle drei seiner Abschlüsse am Caltech – einen Bachelor in Elektrotechnik 1956, einen Master 1957 und einen Doktortitel um 1959–60 – und blieb dort mehr als vier Jahrzehnte lang als Fakultätsmitglied, wobei er schließlich den Titel Gordon and Betty Moore Professor Emeritus of Engineering and Applied Science innehatte, ein Lehrstuhl, der nach dem Mitarbeiter benannt ist, dessen berühmteste Idee Mead mit benennen half.

Die Benennung von Moores Gesetz

Meads Zusammenarbeit mit Gordon Moore, dem späteren Mitbegründer von Intel, begann um 1959. Bei der Arbeit an der Physik der Transistorminiaturisierung zeigte Meads Analyse, dass Transistoren nicht nur schrumpfen, sondern dabei auch schneller, kühler und billiger werden würden – eine physikalische Rechtfertigung für den Trend, den Moore empirisch beobachtet hatte. Gordon Moore selbst hat Mead zugeschrieben, den Begriff „Moores Gesetz“ geprägt zu haben. 1972 sagte Mead in Zusammenarbeit mit Bruce Hoeneisen voraus, dass Transistoren schließlich im 0,15-Mikron-Maßstab gebaut werden könnten, eine Prognose, die Jahrzehnte im Voraus ungefähr erfasste, wo die Miniaturisierungskurve der Halbleiterindustrie tatsächlich landen würde.

Die Mead-Conway-Revolution

Meads bedeutendster Einzelbeitrag zur Computerindustrie kam durch seine Zusammenarbeit mit Lynn Conway von Xerox PARC, die 1975 begann. Gemeinsam entwickelten sie eine strukturierte Methodik für das Design von Very-Large-Scale-Integration (VLSI)-Chips – eine Möglichkeit, komplexe Schaltkreise durch vereinfachte Designregeln zu beschreiben, die es Ingenieuren, anstatt nur spezialisierten Physikern, ermöglichte, funktionierendes Silizium zu entwerfen. Ihr Lehrbuch von 1979, Introduction to VLSI Systems, wurde zum definitiven Referenzwerk für eine Generation von Chipdesignern und löste einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise aus, wie integrierte Schaltkreise gebaut wurden. Mead hatte 1970 am Caltech den weltweit ersten Kurs für groß angelegtes Integrationsdesign unterrichtet und half 1976 zusammen mit Ivan Sutherland und Frederick B. Thompson dabei, Informatik dort als formelle Abteilung zu etablieren. Die Mead-Conway-Multi-Projekt-Wafer-Methodik, die es vielen separaten, von Studenten entworfenen Chips ermöglichte, sich einen einzigen Fertigungslauf zu teilen, machte Chipdesign erstmals an Universitäten lehrbar und brachte dem Paar 1981 den Electronics Magazine Award for Achievement ein.

Bau des Silizium-Compilers und eine Reihe von Unternehmen

Mit seinem Doktoranden David L. Johannsen baute Mead den ersten Silizium-Compiler, ein Werkzeug, das die Spezifikationen eines Designers automatisch in funktionierende Layouts für integrierte Schaltkreise übersetzte, und gründete 1981 Silicon Compilers Inc., um es zu kommerzialisieren, wobei Chips produziert wurden, die in der MicroVAX-Linie der Digital Equipment Corporation verwendet wurden. Mead gründete später mehr als zwanzig Unternehmen und übertrug seine Forschung direkt in die Industrie: Synaptics Inc. im Jahr 1986 mit Federico Faggin, dessen von neuronalen Netzwerken inspirierte Touchpad-Technologie einen großen Teil des Marktes für Laptop-Trackpads eroberte; Sonic Innovations, das seine Chip-Arbeit auf Hörgeräte anwandte; Foveon, das neuronal inspirierte CMOS-Bildsensoren für Digitalkameras baute; und Impinj, das seine Arbeit an Floating-Gate-Transistoren auf RFID-Technologie anwandte.

Hinwendung zum Gehirn

In den 1980er Jahren hatte Mead seinen Forschungsschwerpunkt vollständig verlagert, da er eine physikalische Analogie zwischen der Art und Weise bemerkte, wie sich Ladung in einem Transistor aufbaut und dissipiert, und der Art und Weise, wie dies in einem biologischen Neuron geschieht. Er wurde zu einer Gründungsfigur der neuromorphen Technik – dem Bau analoger elektronischer Schaltkreise, die die Rechenarchitektur biologischer Nervensysteme nachahmen, anstatt der diskreten Logik konventioneller digitaler Chips –, ein Begriff, dessen Prägung ihm zugeschrieben wird, und er arbeitete bei der Entwicklung der Idee mit Physikern wie Richard Feynman und dem Neurowissenschaftler John Hopfield zusammen. Sein Doktorand Misha Mahowald baute 1992 unter seiner Aufsicht eine funktionierende Silizium-Netzhaut, einen analogen Chip, der visuelle Informationen so verarbeitete, wie es ein biologisches Auge tut, und Mead arbeitete 1988 mit Richard F. Lyon an einer analogen Silizium-Cochlea, die die auditive Signalverarbeitung modellierte.

Anerkennung

Meads Auszeichnungen umspannen beide Hälften seiner Karriere: die National Medal of Technology und ein Stipendium des Computer History Museum im Jahr 2002, den Lemelson-MIT-Preis 1999, die IEEE John von Neumann Medal und den Phil Kaufman Award 1996, den Allen Newell Award der ACM 1997, die Wahl in die National Academy of Engineering 1984, die John Price Wetherill Medal, die er sich 1985 mit Lynn Conway teilte, und den Kyoto-Preis für fortgeschrittene Technologie im Jahr 2022. Er hält mehr als fünfzig US-Patente.

Warum Carver als Genie bezeichnet wird

Meads Anspruch auf das Wort beruht auf einer ungewöhnlichen Doppelleistung: Er ist einer der wenigen Technologen, die die Praxis einer Ingenieursdisziplin nicht nur einmal, sondern zweimal grundlegend umgestaltet haben, zuerst mit der Mead-Conway-VLSI-Methodik, die strukturiertes Chipdesign lehrbar und skalierbar machte, und später mit der neuromorphen Technik, einem Forschungsprogramm, das er im Wesentlichen gründete, indem er darauf bestand, dass Biologie, nicht Boolesche Logik, das bessere Modell für zukünftige Computerhardware sei. Kollegen und Technikhistoriker heben seine seltene Kombination aus tiefer physikalischer Intuition über Transistoren und einem ebenso ernsthaften Engagement für die Neurowissenschaften hervor – eine Bandbreite, die nur wenige Elektroingenieure seiner Generation versuchten. Die ehrliche Komplikation ist, dass seine berühmteste Leistung, die VLSI-Design-Revolution, explizit gemeinsam Lynn Conway zugeschrieben wird, deren unabhängige Beiträge zur Methodik und zum Chipdesign im weiteren Sinne wesentlich waren und in den eigenen Geschichten des Fachgebiets dokumentiert sind; die John Price Wetherill Medal wurde beiden gemeinsam verliehen. Ein Großteil seiner späteren neuromorphen Arbeit wurde ähnlich durch enge Zusammenarbeit mit Studenten wie Misha Mahowald und Kollegen wie Richard Lyon aufgebaut, was einem karrierelangen Muster von Einsicht gepaart mit Partnerschaft statt einsamer Erfindung folgte.

Vermächtnis

Jeder Chip, der heute mit einer strukturierten, regelbasierten CAD-Methodik entworfen wird, stammt vom Mead-Conway-Ansatz ab, und das Feld der neuromorphen Technik, das Mead mitbegründete, liegt heute einer wachsenden Kategorie von stromsparender, vom Gehirn inspirierter Computerhardware zugrunde, die Jahrzehnte gebaut wurde, nachdem seine Silizium-Netzhaut erstmals bewies, dass das Konzept funktionierte.