Карвер Мид: Инженер, который научил кремний вести себя как нейроны

Карвер Мид посвятил одну часть своей карьеры написанию учебника, который научил поколение инженеров проектировать компьютерные чипы, а затем следующую часть — доказательству того, что чипы должны перестать имитировать логические вентили и начать имитировать сетчатку человеческого глаза. Немногие фигуры в истории электроники дважды, с разницей в десятилетия, переосмысливали фундаментальные основы своей собственной области и оба раза оказывались правы.

От гидроэлектростанции до Калтеха

Карвер Андресс Мид родился 1 мая 1934 года в Бейкерсфилде, Калифорния, и вырос в небольшом горном поселке Кернвилл, где его отец работал на гидроэлектростанции Биг-Крик. В детстве он получил лицензию радиолюбителя и работал на местных радиостанциях во время учебы в старшей школе — это был ранний практический опыт в электронике, предшествовавший любому формальному обучению. Он получил все три своих ученых степени в Калтехе — степень бакалавра электротехники в 1956 году, степень магистра в 1957 году и докторскую степень примерно в 1959–60 годах — и оставался там преподавателем более четырех десятилетий, в конечном итоге получив звание почетного профессора инженерии и прикладных наук имени Гордона и Бетти Мур, кафедры, названной в честь сотрудника, чью самую известную идею Мид помог назвать.

Название закона Мура

Сотрудничество Мида с Гордоном Муром, будущим соучредителем Intel, началось примерно в 1959 году. Работая над физикой миниатюризации транзисторов, анализ Мида показал, что транзисторы не просто будут уменьшаться, но при этом станут быстрее, холоднее и дешевле — это было физическое обоснование тенденции, которую Мур наблюдал эмпирически. Сам Гордон Мур приписывал Миду авторство термина «закон Мура». В 1972 году, работая с Брюсом Хонейсеном, Мид предсказал, что транзисторы в конечном итоге могут быть построены в масштабе 0,15 микрона — прогноз, который за десятилетия до этого примерно точно определил, где на самом деле окажется кривая миниатюризации полупроводниковой промышленности.

Революция Мида-Конвея

Самый значительный индивидуальный вклад Мида в компьютерную индустрию был сделан благодаря его сотрудничеству, начавшемуся в 1975 году, с Линн Конвей из Xerox PARC. Вместе они разработали структурированную методологию проектирования чипов сверхбольшой интеграции (СБИС) — способ описания сложных схем с помощью упрощенных правил проектирования, которые позволяли инженерам, а не только специализированным физикам, создавать работающий кремний. Их учебник 1979 года Introduction to VLSI Systems стал окончательным справочником для поколения разработчиков чипов и вызвал то, что широко описывается как смена парадигмы в способах создания интегральных схем. Мид преподавал первый в мире курс по проектированию крупномасштабных интегральных схем в Калтехе в 1970 году и помог основать там кафедру компьютерных наук в 1976 году вместе с Айвеном Сазерлендом и Фредериком Б. Томпсоном. Методология мультипроектных пластин Мида-Конвея, которая позволяла многим отдельным чипам, разработанным студентами, использовать один производственный цикл, впервые сделала проектирование чипов доступным для обучения в университетах и принесла паре награду Electronics Magazine Award for Achievement в 1981 году.

Создание кремниевого компилятора и череда компаний

Вместе со своим аспирантом Дэвидом Л. Йохансеном Мид создал первый кремниевый компилятор — инструмент, который автоматически переводил спецификации проектировщика в работающие макеты интегральных схем, и в 1981 году стал соучредителем Silicon Compilers Inc. для его коммерциализации, производя чипы, используемые в линейке MicroVAX компании Digital Equipment Corporation. Мид продолжил помогать основывать более двадцати компаний, переводя свои исследования непосредственно в промышленность: Synaptics Inc. в 1986 году с Федерико Фаджином, чья технология тачпада, вдохновленная нейронными сетями, захватила большую долю рынка трекпадов для ноутбуков; Sonic Innovations, применяющая его работу с чипами в слуховых аппаратах; Foveon, создающая нейроморфные CMOS-датчики изображений для цифровых камер; и Impinj, применяющая его работу с транзисторами с плавающим затвором в технологии RFID.

Поворот к мозгу

К 1980-м годам Мид полностью изменил фокус своих исследований, заметив физическую аналогию между тем, как заряд накапливается и рассеивается в транзисторе, и тем, как это происходит в биологическом нейроне. Он стал основоположником нейроморфной инженерии — создания аналоговых электронных схем, которые имитируют вычислительную архитектуру биологических нервных систем, а не дискретную логику обычных цифровых чипов — термин, который, как считается, он придумал, и он сотрудничал с физиками, включая Ричарда Фейнмана, и нейробиологом Джоном Хопфилдом в развитии этой идеи. Его аспирантка Миша Махоуолд под его руководством в 1992 году создала работающую кремниевую сетчатку — аналоговый чип, который обрабатывал визуальную информацию так же, как это делает биологический глаз, а Мид работал с Ричардом Ф. Лайоном в 1988 году над аналоговой кремниевой улиткой, моделирующей обработку слуховых сигналов.

Признание

Награды Мида охватывают обе половины его карьеры: Национальная медаль за технологии и стипендия Музея компьютерной истории в 2002 году, премия Лемельсона-MIT в 1999 году, медаль IEEE Джона фон Неймана и премия Фила Кауфмана в 1996 году, премия ACM Аллена Ньюэлла в 1997 году, избрание в Национальную инженерную академию в 1984 году, медаль Джона Прайса Уэтерилла, разделенная с Линн Конвей в 1985 году, и премия Киото в области передовых технологий в 2022 году. Он обладает более чем пятьюдесятью патентами США.

Почему Карвера называют гением

Претензия Мида на это слово основана на необычном двойном акте: он один из немногих технологов, которые фундаментально изменили практику инженерной дисциплины не один, а два раза: сначала с помощью методологии СБИС Мида-Конвея, которая сделала структурированное проектирование чипов доступным для обучения и масштабируемым, а позже с помощью нейроморфной инженерии — исследовательской программы, которую он по сути основал, настаивая на том, что биология, а не булева логика, является лучшей моделью для будущего вычислительного оборудования. Коллеги и историки технологий выделяют его редкое сочетание глубокой физической интуиции в отношении транзисторов с не менее серьезным вовлечением в нейробиологию — диапазон, который пытались охватить немногие инженеры-электрики его поколения. Честная сложность заключается в том, что его самое известное по учебникам достижение, революция в проектировании СБИС, прямо приписывается совместно Линн Конвей, чьи независимые вклады в методологию и проектирование чипов в более широком смысле были существенными и задокументированы в истории самой области; медаль Джона Прайса Уэтерилла была присуждена им обоим вместе. Большая часть его более поздних нейроморфных работ была аналогичным образом построена благодаря тесному сотрудничеству со студентами, такими как Миша Махоуолд, и коллегами, такими как Ричард Лайон, следуя модели всей карьеры, основанной на проницательности в сочетании с партнерством, а не на одиночном изобретательстве.

Наследие

Каждый чип, спроектированный сегодня с использованием структурированной методологии САПР на основе правил, восходит к подходу Мида-Конвея, а область нейроморфной инженерии, которую помог основать Мид, теперь лежит в основе растущей категории маломощного вычислительного оборудования, вдохновленного мозгом, созданного спустя десятилетия после того, как его кремниевая сетчатка впервые доказала работоспособность концепции.