Carver Mead : L'ingénieur qui a appris au silicium à se comporter comme des neurones

Carver Mead a consacré une partie de sa carrière à rédiger le manuel qui a appris à une génération d'ingénieurs comment concevoir des puces informatiques, puis a passé la suivante à soutenir que les puces devraient cesser d'imiter les portes logiques pour commencer à imiter la rétine humaine. Peu de personnalités dans l'histoire de l'électronique ont réinventé les hypothèses fondamentales de leur propre domaine deux fois, à des décennies d'intervalle, et ont eu raison les deux fois.

D'un camp hydroélectrique à Caltech

Carver Andress Mead est né le 1er mai 1934 à Bakersfield, en Californie, et a grandi dans la petite communauté de montagne de Kernville, où son père travaillait au projet hydroélectrique de Big Creek. Il a obtenu une licence de radioamateur étant enfant et a travaillé dans des stations de radio locales pendant ses études secondaires, un apprentissage pratique précoce de l'électronique qui a précédé toute formation formelle. Il a obtenu ses trois diplômes à Caltech — une licence en génie électrique en 1956, un master en 1957 et un doctorat vers 1959-1960 — et y est resté membre du corps professoral pendant plus de quatre décennies, occupant finalement le titre de professeur émérite Gordon et Betty Moore en ingénierie et sciences appliquées, une chaire nommée d'après le collaborateur dont Mead a aidé à nommer l'idée la plus célèbre.

Nommer la loi de Moore

La collaboration de Mead avec Gordon Moore, futur cofondateur d'Intel, a commencé vers 1959. En travaillant sur la physique de la miniaturisation des transistors, l'analyse de Mead a montré que les transistors ne feraient pas que rétrécir, mais deviendraient également plus rapides, plus froids et moins chers — une justification physique de la tendance que Moore avait observée empiriquement. Gordon Moore lui-même a crédité Mead d'avoir inventé le terme « loi de Moore ». En 1972, en travaillant avec Bruce Hoeneisen, Mead a prédit que les transistors pourraient éventuellement être construits à une échelle de 0,15 micron, une prévision qui a capturé, des décennies à l'avance, l'endroit où la courbe de miniaturisation de l'industrie des semi-conducteurs allait réellement atterrir.

La révolution Mead-Conway

La contribution individuelle la plus importante de Mead à l'industrie informatique est venue de sa collaboration, débutée en 1975, avec Lynn Conway du Xerox PARC. Ensemble, ils ont développé une méthodologie structurée pour la conception de puces à très grande échelle (VLSI) — un moyen de décrire des circuits complexes grâce à des règles de conception simplifiées qui permettaient aux ingénieurs, plutôt qu'aux seuls physiciens spécialisés, de concevoir du silicium fonctionnel. Leur manuel de 1979, Introduction to VLSI Systems, est devenu la référence définitive pour une génération de concepteurs de puces et a déclenché ce qui est largement décrit comme un changement de paradigme dans la façon dont les circuits intégrés étaient construits. Mead avait enseigné le premier cours de conception d'intégration à grande échelle au monde à Caltech en 1970 et a aidé à établir l'informatique en tant que département formel là-bas en 1976, aux côtés d'Ivan Sutherland et Frederick B. Thompson. La méthodologie multi-projets sur plaquette de Mead-Conway, qui permettait à de nombreuses puces conçues par des étudiants de partager une seule série de fabrication, a rendu la conception de puces enseignable dans les universités pour la première fois et a valu au duo le prix Electronics Magazine Award for Achievement en 1981.

Construire le compilateur de silicium et une série d'entreprises

Avec son doctorant David L. Johannsen, Mead a construit le premier compilateur de silicium, un outil qui traduisait automatiquement les spécifications d'un concepteur en mises en page de circuits intégrés fonctionnels, et a cofondé Silicon Compilers Inc. en 1981 pour le commercialiser, produisant des puces utilisées dans la gamme MicroVAX de Digital Equipment Corporation. Mead a ensuite aidé à fonder plus de vingt entreprises, traduisant ses recherches directement dans l'industrie : Synaptics Inc. en 1986 avec Federico Faggin, dont la technologie de pavé tactile inspirée des réseaux neuronaux a capturé une grande part du marché des trackpads pour ordinateurs portables ; Sonic Innovations, appliquant ses travaux sur les puces aux appareils auditifs ; Foveon, construisant des capteurs d'image CMOS inspirés des neurones pour les appareils photo numériques ; et Impinj, appliquant ses travaux sur les transistors à grille flottante à la technologie RFID.

Se tourner vers le cerveau

Dans les années 1980, Mead avait complètement changé son orientation de recherche, remarquant une analogie physique entre la façon dont la charge s'accumule et se dissipe dans un transistor et la façon dont elle le fait dans un neurone biologique. Il est devenu une figure fondatrice de l'ingénierie neuromorphique — la construction de circuits électroniques analogiques qui imitent l'architecture computationnelle des systèmes nerveux biologiques plutôt que la logique discrète des puces numériques conventionnelles — un terme qu'il est crédité d'avoir inventé, et il a collaboré avec des physiciens dont Richard Feynman et le neuroscientifique John Hopfield pour développer l'idée. Son doctorant Misha Mahowald a construit une rétine en silicium fonctionnelle sous sa supervision en 1992, une puce analogique qui traitait les informations visuelles comme le fait un œil biologique, et Mead a travaillé avec Richard F. Lyon en 1988 sur une cochlée en silicium analogique modélisant le traitement des signaux auditifs.

Reconnaissance

Les honneurs de Mead couvrent les deux moitiés de sa carrière : la National Medal of Technology et une bourse du Computer History Museum en 2002, le prix Lemelson-MIT en 1999, la médaille IEEE John von Neumann et le prix Phil Kaufman en 1996, le prix Allen Newell de l'ACM en 1997, l'élection à la National Academy of Engineering en 1984, la médaille John Price Wetherill partagée avec Lynn Conway en 1985 et le prix de Kyoto en technologie avancée en 2022. Il détient plus de cinquante brevets américains.

Pourquoi Carver est qualifié de génie

La prétention de Mead au mot repose sur un double acte inhabituel : il est l'un des rares technologues à avoir fondamentalement remodelé la pratique d'une discipline d'ingénierie non pas une, mais deux fois, d'abord avec la méthodologie VLSI Mead-Conway qui a rendu la conception structurée de puces enseignable et évolutive, et plus tard avec l'ingénierie neuromorphique, un programme de recherche qu'il a essentiellement fondé en insistant sur le fait que la biologie, et non la logique booléenne, était le meilleur modèle pour le futur matériel informatique. Ses collègues et les historiens de la technologie soulignent sa rare combinaison d'une profonde intuition physique sur les transistors avec un engagement tout aussi sérieux envers les neurosciences — une gamme que peu d'ingénieurs électriciens de sa génération ont tentée. La complication honnête est que sa réalisation la plus célèbre dans les manuels, la révolution de la conception VLSI, est explicitement créditée conjointement à Lynn Conway, dont les contributions indépendantes à la méthodologie et à la conception de puces plus largement étaient substantielles et sont documentées dans les propres histoires du domaine ; la médaille John Price Wetherill a été décernée aux deux ensemble. Une grande partie de ses travaux neuromorphiques ultérieurs a été construite de la même manière grâce à une étroite collaboration avec des étudiants comme Misha Mahowald et des collègues comme Richard Lyon, suivant un modèle de toute une carrière de perspicacité associée à un partenariat plutôt qu'à une invention solitaire.

Héritage

Chaque puce conçue aujourd'hui avec une méthodologie CAO structurée et basée sur des règles descend de l'approche Mead-Conway, et le domaine de l'ingénierie neuromorphique que Mead a aidé à fonder sous-tend désormais une catégorie croissante de matériel informatique à faible consommation inspiré par le cerveau, construit des décennies après que sa rétine en silicium a prouvé pour la première fois que le concept fonctionnait.