Carver Mead: L'ingegnere che ha insegnato al silicio a comportarsi come i neuroni

Carver Mead ha trascorso una carriera scrivendo il libro di testo che ha insegnato a una generazione di ingegneri come progettare chip per computer, e poi ha trascorso la successiva sostenendo che i chip dovrebbero smettere di imitare le porte logiche e iniziare a imitare la retina umana. Poche figure nella storia dell'elettronica hanno reinventato i presupposti fondamentali del proprio campo due volte, a distanza di decenni, e hanno avuto ragione entrambe le volte.

Da un campo idroelettrico al Caltech

Carver Andress Mead è nato il 1° maggio 1934 a Bakersfield, in California, ed è cresciuto nella piccola comunità montana di Kernville, dove suo padre lavorava al Big Creek Hydroelectric Project. Da ragazzo ha ottenuto una licenza di radioamatore e ha lavorato presso stazioni radio locali durante le scuole superiori, un primo apprendistato pratico in elettronica che ha preceduto qualsiasi formazione formale. Ha conseguito tutti e tre i suoi titoli di studio al Caltech — una laurea in ingegneria elettrica nel 1956, un master nel 1957 e un dottorato intorno al 1959-60 — ed è rimasto nel corpo docente per oltre quattro decenni, ricoprendo infine il titolo di Gordon and Betty Moore Professor Emeritus of Engineering and Applied Science, una cattedra che prende il nome dal collaboratore la cui idea più famosa Mead ha contribuito a nominare.

Nominare la legge di Moore

La collaborazione di Mead con Gordon Moore, in seguito co-fondatore di Intel, iniziò intorno al 1959. Lavorando sulla fisica della miniaturizzazione dei transistor, l'analisi di Mead mostrò che i transistor non solo si sarebbero rimpiccioliti, ma sarebbero diventati più veloci, più freddi e più economici nel farlo — una giustificazione fisica per la tendenza che Moore aveva osservato empiricamente. Gordon Moore stesso ha attribuito a Mead l'invenzione del termine "legge di Moore". Nel 1972, lavorando con Bruce Hoeneisen, Mead predisse che i transistor avrebbero potuto essere costruiti su scala di 0,15 micron, una previsione che ha catturato, con decenni di anticipo, approssimativamente dove la curva di miniaturizzazione dell'industria dei semiconduttori sarebbe effettivamente atterrata.

La rivoluzione Mead-Conway

Il contributo individuale più importante di Mead all'industria informatica è arrivato attraverso la sua collaborazione, iniziata nel 1975, con Lynn Conway dello Xerox PARC. Insieme hanno sviluppato una metodologia strutturata per la progettazione di chip VLSI (Very-Large-Scale Integration) — un modo per descrivere circuiti complessi attraverso regole di progettazione semplificate che consentivano agli ingegneri, piuttosto che ai soli fisici specializzati, di progettare silicio funzionante. Il loro libro di testo del 1979, Introduction to VLSI Systems, è diventato il riferimento definitivo per una generazione di progettisti di chip e ha innescato quello che è ampiamente descritto come un cambio di paradigma nel modo in cui venivano costruiti i circuiti integrati. Mead aveva insegnato il primo corso al mondo di progettazione di integrazione su larga scala al Caltech nel 1970 e ha contribuito a stabilire l'informatica come dipartimento formale lì nel 1976, insieme a Ivan Sutherland e Frederick B. Thompson. La metodologia multi-progetto su wafer di Mead-Conway, che consentiva a molti chip progettati dagli studenti di condividere un unico ciclo di produzione, ha reso la progettazione di chip insegnabile nelle università per la prima volta e ha fatto guadagnare alla coppia l'Electronics Magazine Award for Achievement nel 1981.

Costruire il compilatore di silicio e una serie di aziende

Con il suo studente di dottorato David L. Johannsen, Mead ha costruito il primo compilatore di silicio, uno strumento che traduceva automaticamente le specifiche di un progettista in layout di circuiti integrati funzionanti, e ha co-fondato Silicon Compilers Inc. nel 1981 per commercializzarlo, producendo chip utilizzati nella linea MicroVAX della Digital Equipment Corporation. Mead ha poi contribuito a fondare più di venti aziende, traducendo la sua ricerca direttamente nell'industria: Synaptics Inc. nel 1986 con Federico Faggin, la cui tecnologia touchpad ispirata alle reti neurali ha conquistato un'ampia quota del mercato dei trackpad per laptop; Sonic Innovations, applicando il suo lavoro sui chip agli apparecchi acustici; Foveon, costruendo sensori di immagine CMOS ispirati ai neuroni per fotocamere digitali; e Impinj, applicando il suo lavoro sui transistor a gate flottante alla tecnologia RFID.

Rivolgersi al cervello

Negli anni '80 Mead aveva spostato completamente il suo focus di ricerca, notando un'analogia fisica tra il modo in cui la carica si accumula e si dissipa in un transistor e il modo in cui avviene in un neurone biologico. È diventato una figura fondatrice dell'ingegneria neuromorfica — la costruzione di circuiti elettronici analogici che imitano l'architettura computazionale dei sistemi nervosi biologici piuttosto che la logica discreta dei chip digitali convenzionali — un termine che gli viene attribuito di aver coniato, e ha collaborato con fisici tra cui Richard Feynman e il neuroscienziato John Hopfield nello sviluppo dell'idea. Il suo studente di dottorato Misha Mahowald ha costruito una retina in silicio funzionante sotto la sua supervisione nel 1992, un chip analogico che elaborava le informazioni visive come fa un occhio biologico, e Mead ha lavorato con Richard F. Lyon nel 1988 su una coclea in silicio analogica che modellava l'elaborazione dei segnali uditivi.

Riconoscimento

I riconoscimenti di Mead abbracciano entrambe le metà della sua carriera: la National Medal of Technology e una borsa di studio del Computer History Museum nel 2002, il premio Lemelson-MIT nel 1999, la medaglia IEEE John von Neumann e il premio Phil Kaufman nel 1996, il premio Allen Newell dell'ACM nel 1997, l'elezione alla National Academy of Engineering nel 1984, la medaglia John Price Wetherill condivisa con Lynn Conway nel 1985 e il premio Kyoto per la tecnologia avanzata nel 2022. Detiene più di cinquanta brevetti statunitensi.

Perché Carver è chiamato un genio

La pretesa di Mead alla parola si basa su un insolito doppio atto: è uno dei pochi tecnologi ad aver fondamentalmente rimodellato la pratica di una disciplina ingegneristica non una, ma due volte, prima con la metodologia VLSI Mead-Conway che ha reso la progettazione strutturata di chip insegnabile e scalabile, e più tardi con l'ingegneria neuromorfica, un programma di ricerca che ha essenzialmente fondato insistendo sul fatto che la biologia, non la logica booleana, fosse il modello migliore per l'hardware informatico futuro. Colleghi e storici della tecnologia sottolineano la sua rara combinazione di profonda intuizione fisica sui transistor con un impegno altrettanto serio verso le neuroscienze — una gamma che pochi ingegneri elettrici della sua generazione hanno tentato. La complicazione onesta è che il suo risultato più famoso nei libri di testo, la rivoluzione della progettazione VLSI, è esplicitamente attribuito congiuntamente a Lynn Conway, i cui contributi indipendenti alla metodologia e alla progettazione di chip più in generale sono stati sostanziali e sono documentati nelle storie stesse del campo; la medaglia John Price Wetherill è stata assegnata a entrambi insieme. Gran parte del suo successivo lavoro neuromorfico è stato costruito in modo simile attraverso una stretta collaborazione con studenti come Misha Mahowald e colleghi come Richard Lyon, seguendo un modello di tutta una carriera di intuizione abbinata alla partnership piuttosto che all'invenzione solitaria.

Eredità

Ogni chip progettato oggi con una metodologia CAD strutturata e basata su regole discende dall'approccio Mead-Conway, e il campo dell'ingegneria neuromorfica che Mead ha contribuito a fondare è ora alla base di una categoria crescente di hardware informatico a basso consumo ispirato al cervello, costruito decenni dopo che la sua retina in silicio ha dimostrato per la prima volta che il concetto funzionava.