Carver Mead: El ingeniero que enseñó al silicio a comportarse como neuronas

Carver Mead dedicó una parte de su carrera a escribir el libro de texto que enseñó a una generación de ingenieros a diseñar chips informáticos, y luego dedicó la siguiente a argumentar que los chips deberían dejar de imitar puertas lógicas y empezar a imitar la retina humana. Pocas figuras en la historia de la electrónica han reinventado los supuestos fundamentales de su propio campo dos veces, con décadas de diferencia, y han tenido razón en ambas ocasiones.

De un campamento hidroeléctrico a Caltech

Carver Andress Mead nació el 1 de mayo de 1934 en Bakersfield, California, y creció en la pequeña comunidad montañosa de Kernville, donde su padre trabajaba en el Proyecto Hidroeléctrico Big Creek. Obtuvo una licencia de radioaficionado de niño y trabajó en emisoras de radio locales durante el bachillerato, un aprendizaje práctico temprano en electrónica que precedió a cualquier formación formal. Obtuvo sus tres títulos en Caltech —una licenciatura en ingeniería eléctrica en 1956, un máster en 1957 y un doctorado alrededor de 1959-60— y permaneció en el profesorado durante más de cuatro décadas, ocupando finalmente el título de Profesor Emérito Gordon y Betty Moore de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, una cátedra que lleva el nombre del colaborador cuya idea más famosa Mead ayudó a nombrar.

Nombrando la Ley de Moore

La colaboración de Mead con Gordon Moore, más tarde cofundador de Intel, comenzó alrededor de 1959. Trabajando en la física de la miniaturización de transistores, el análisis de Mead mostró que los transistores no solo se reducirían, sino que se volverían más rápidos, fríos y baratos al hacerlo: una justificación física para la tendencia que Moore había observado empíricamente. El propio Gordon Moore ha atribuido a Mead la acuñación del término "Ley de Moore". En 1972, trabajando con Bruce Hoeneisen, Mead predijo que los transistores podrían construirse eventualmente a una escala de 0,15 micras, una previsión que capturó, con décadas de antelación, aproximadamente dónde aterrizaría realmente la curva de miniaturización de la industria de semiconductores.

La revolución Mead-Conway

La contribución individual más importante de Mead a la industria informática llegó a través de su colaboración, iniciada en 1975, con Lynn Conway de Xerox PARC. Juntos desarrollaron una metodología estructurada para el diseño de chips de integración a muy gran escala (VLSI): una forma de describir circuitos complejos mediante reglas de diseño simplificadas que permitían a los ingenieros, y no solo a físicos especializados, diseñar silicio funcional. Su libro de texto de 1979, Introduction to VLSI Systems, se convirtió en la referencia definitiva para una generación de diseñadores de chips y desencadenó lo que se describe ampliamente como un cambio de paradigma en la forma en que se construían los circuitos integrados. Mead había impartido el primer curso de diseño de integración a gran escala del mundo en Caltech en 1970 y ayudó a establecer la informática como departamento formal allí en 1976, junto a Ivan Sutherland y Frederick B. Thompson. La metodología de obleas multiproyecto de Mead-Conway, que permitía que muchos chips diseñados por estudiantes compartieran una única tirada de fabricación, hizo que el diseño de chips fuera enseñable en las universidades por primera vez y le valió a la pareja el Premio de Logros de la revista Electronics en 1981.

Construyendo el compilador de silicio y una serie de empresas

Con su estudiante de doctorado David L. Johannsen, Mead construyó el primer compilador de silicio, una herramienta que traducía automáticamente las especificaciones de un diseñador en diseños de circuitos integrados funcionales, y cofundó Silicon Compilers Inc. en 1981 para comercializarlo, produciendo chips utilizados en la línea MicroVAX de Digital Equipment Corporation. Mead pasó a ayudar a fundar más de veinte empresas, traduciendo su investigación directamente a la industria: Synaptics Inc. en 1986 con Federico Faggin, cuya tecnología de panel táctil inspirada en redes neuronales capturó una gran parte del mercado de trackpads para portátiles; Sonic Innovations, aplicando su trabajo en chips a audífonos; Foveon, construyendo sensores de imagen CMOS inspirados en neuronas para cámaras digitales; e Impinj, aplicando su trabajo en transistores de puerta flotante a la tecnología RFID.

Girando hacia el cerebro

En la década de 1980, Mead había cambiado completamente su enfoque de investigación, al notar una analogía física entre la forma en que la carga se acumula y se disipa en un transistor y la forma en que lo hace en una neurona biológica. Se convirtió en una figura fundadora de la ingeniería neuromórfica —construir circuitos electrónicos analógicos que imitan la arquitectura computacional de los sistemas nerviosos biológicos en lugar de la lógica discreta de los chips digitales convencionales—, un término que se le atribuye haber acuñado, y colaboró con físicos como Richard Feynman y el neurocientífico John Hopfield en el desarrollo de la idea. Su estudiante de doctorado Misha Mahowald construyó una retina de silicio funcional bajo su supervisión en 1992, un chip analógico que procesaba información visual como lo hace un ojo biológico, y Mead trabajó con Richard F. Lyon en 1988 en una cóclea de silicio analógica que modelaba el procesamiento de señales auditivas.

Reconocimiento

Los honores de Mead abarcan ambas mitades de su carrera: la Medalla Nacional de Tecnología y una beca del Computer History Museum en 2002, el Premio Lemelson-MIT en 1999, la Medalla IEEE John von Neumann y el Premio Phil Kaufman en 1996, el Premio Allen Newell de la ACM en 1997, la elección a la Academia Nacional de Ingeniería en 1984, la Medalla John Price Wetherill compartida con Lynn Conway en 1985 y el Premio Kioto en Tecnología Avanzada en 2022. Posee más de cincuenta patentes estadounidenses.

Por qué a Carver se le llama genio

La pretensión de Mead a la palabra se basa en un inusual acto doble: es uno de los pocos tecnólogos que ha remodelado fundamentalmente la práctica de una disciplina de ingeniería no una, sino dos veces, primero con la metodología VLSI de Mead-Conway que hizo que el diseño estructurado de chips fuera enseñable y escalable, y más tarde con la ingeniería neuromórfica, un programa de investigación que esencialmente fundó al insistir en que la biología, no la lógica booleana, era el mejor modelo para el futuro hardware informático. Colegas e historiadores de la tecnología destacan su rara combinación de profunda intuición física sobre los transistores con un compromiso igualmente serio con la neurociencia, un rango que pocos ingenieros eléctricos de su generación intentaron. La complicación honesta es que su logro más famoso en los libros de texto, la revolución del diseño VLSI, se atribuye explícitamente de forma conjunta a Lynn Conway, cuyas contribuciones independientes a la metodología y al diseño de chips en general fueron sustanciales y están documentadas en las propias historias del campo; la Medalla John Price Wetherill se otorgó a ambos juntos. Gran parte de su trabajo neuromórfico posterior se construyó de manera similar a través de una estrecha colaboración con estudiantes como Misha Mahowald y colegas como Richard Lyon, siguiendo un patrón de toda su carrera de perspicacia combinada con asociación en lugar de invención solitaria.

Legado

Cada chip diseñado hoy con una metodología CAD estructurada y basada en reglas desciende del enfoque Mead-Conway, y el campo de la ingeniería neuromórfica que Mead ayudó a fundar subyace ahora a una categoría creciente de hardware informático de bajo consumo inspirado en el cerebro, construido décadas después de que su retina de silicio demostrara por primera vez que el concepto funcionaba.