米德（圖片來源：加州理工大學官網）
在現代社會，計算機技術無處不在，而這些技術的核心“芯片設計”正是推動數字革命的關鍵所在。而這一切的起點，竟源于1970年代加州理工學院(Caltech)一門名為“EE 281(半導體器件)”的課程。正是由于這門課，計算機科學與電子工程領域實現了基礎性突破，驅動了今天整個信息時代的蓬勃發展。主導這一課程的教授卡弗·米德(Carver Mead)在第一次開課時說明確，“每個學生都要設計一個MOS電路，然后在英特爾的工廠完成制造。如果電路有效，你將獲得學分，如果電路無效，你就無法獲得學分。” 米德的這一做法與當下國內許多高校都在推行“一生一芯”人才培養舉措何其相似。
提到米德，集成電路行業人士都不陌生，其研究領域涵蓋微電子學和神經計算。在集成電路設計方面取得了革命性突破，其和琳·康薇(Lynn Conway)共同提出Mead-Conway VLSI集成電路系統設計方法，使工程師能夠將數萬個晶體管集成到一個微小的芯片上，大大提高了集成電路技術，從而幾何倍地增加了計算機處理能力，極大的推動了集成電路產業的發展，讓我們的世界日益數字化；創建的放大微波通信信號的電路的高電子遷移率晶體管系統，引領了通信技術的發展；在生物建模領域探索神經計算模型，成功將物理與生物相結合。
1934年5月1日，米德出生于加利福尼亞州貝克斯菲爾德(Bakersfield）。1929年開始的大蕭條(The Great Depression)帶來的陰影還未消散，溫飽尚無法完全解決，艱苦的條件讓很多家庭放棄了教育。他在當地小學就讀時，整個學校只有二十幾個同學和兩個老師。在初中時，他對電氣產生了濃郁的興趣，并在父親的支持和幫助下，自己動手做實驗，從數據和實驗過程中觀察和發現一些有趣的東西。在加利福尼亞州弗雷斯諾(Fresno)高中畢業后，米德成功進入頂級的研究性大學“加州理工學院”，并在這里攻讀了電氣工程專業的學士學位（1956年）、碩士學位（1957年）以及博士學位（1960年）。博士畢業后，米德留在加州理工學院任教。就在博士畢業那年，米德參加了加州理工學院為仙童半導體(Fairchild)舉辦的一次招聘活動，得以認識了校友高登·摩爾(Gordon Moore, 1954年獲加州理工學院物理化學博士學位），兩人相談甚歡，又有共同的興趣，很快成為了朋友。1968年英特爾(Intel)成立時，米德成為英特爾的簽約咨詢顧問，并每周前往新興的硅谷。同時摩爾允許米德利用英特爾的工廠制造學生設計的芯片，讓他們能夠使用大多數大學或半導體行業以外的任何人都無法使用的設施，這實在是太美妙了。
1971年米德和學生在實驗室（圖片來源：加州理工大學官網）
托起兩大定律
1965年，摩爾手繪出從1959～1965年每一芯片中晶體管成長數字，總計只有5點數據，并預測未來成長會依照每1.5～2年以1倍的速度增加。米德教授當時是仙童半導體(Fairchild)的顧問，隨即將此稱之為“摩爾定律Moore's Law”。米德是最早研究晶體管尺寸微縮(scaling)的一批人，1972年米德和同事布魯斯·霍內森(Bruce Hoeneisen)曾在《Solid State Electronics》發文《Fundamental Limitations in Microelectronics—I. MOS Technology》探討微縮原理。但當時米德在學術會議上報告MOS微縮理論時，并預測未來一個芯片上可以有上億個晶體管存在，并沒有多少人相信米德的理論。當時認為在這么小的尺寸下，光是所產生的熱即足以燒毀整個晶體管。事實證明米德是對的，摩爾定律橫跨超過60年時間，最主要的基石在于尺寸的微縮，而米德有關尺寸微縮理論給摩爾定律提供了根基（微縮理論以IBM工程師Robert Dennard的名字命名，源于其1974年在JSSC發表的文章Design of ion-implanted MOSFET's with Very Small Physical Dimensions）。
首倡“一生一芯”，推動MPW
如何處理日益復雜的電路設計，成為一個關鍵議題，米德的研究隨即轉向IC設計和自動化IC設計工具的研究。米德和琳·康薇(Lynn Conway)寫了一本關于VLSI系統設計主題的書《VLSI系統導論》，該書于1978年首次出版，成為芯片設計工程師手中的圣經。
（圖片來源：加州理工大學官網）
1969年，米德提出了創建VLSI集成電路的想法，希望能夠使百萬晶體管在一張芯片上同時工作，并且可以發揮不同的功能，設計出復雜的芯片。當時的半導體行業對于這一模型持普遍懷疑態度，很多人都認為這是Carver Mead的幻想，沒有科學層面的實際意義。面對外界的質疑，米德并沒有給出太多的回應，默默地回到了實驗室，再接下來的十年里，米德專心的與一批志同道合的研究人員在實驗室中證明自己的設想。
1971年暑假，正式開設名為EE 281半導體器件(Semiconductor Devices)的課程，該課程的目標之一是，考慮到所涉及的材料和加工費用，學生們要將芯片設計得盡可能緊湊。這門課程的誕生源于理查德·帕什利(Richard Pashley, 70屆加州理工碩士，74屆加州理工博士，1988年英特爾第一顆NOR閃存芯片設計團隊負責人)對金屬氧化物半導體(MOS)芯片設計的濃厚興趣。實驗室里學生們積極從事MOS器件的研究，然而當時院校內尚無專門課程教授該領域知識。米德教授給了帕什利一個挑戰，要求其招募25名學生才能開設這門課程。
看似簡單的要求，當時卻因課程超前且極具挑戰性，使得絕大多數選課學生在開課不久后選擇放棄。帕什利回憶道，米德在上第一節課時就說，這門課程將與你們平時上的課有點不同，我不會只站在這里講課。你們要設計一個MOS電路，然后在英特爾的工廠完成制造。如果電路有效，你將獲得學分，如果電路無效，你就無法獲得學分。到第二節課時，班上三分之二的人已經退學了，只剩下九名學生。所有留下來的人都很敬業，我們學到的是在設計規則范圍內，如何讓這些電路變小的藝術。
1970年代初，芯片是手工設計的，這是一個艱苦又昂貴的過程。工程師在繪制出電路的每一層圖案后，然后將每一層圖案轉移光刻膠上，再進行切割、剝離，以創建反向圖案，反向圖案將被拍照、收縮，然后用作創建芯片的掩模(mask)。米德設計了一個簡單、有效的程序，可以對芯片設計圖案進行編碼，以輸出到當時唯一一個計算機可以生成高度精確的復雜幾何圖案的設備-Gerber plotter。米德的設計程序產生的圖案更準確，而且所需的人力資源也少得多。
第一期學生設計的電路有四種類型的層：擴散層(diffusion layer)，在那里雜質(稱為摻雜劑)被引入到純硅片中以調節其導電性；多晶硅層(polysilicon layer)，其限定了晶體管的控制元件；金屬層(metal layer)，限定了互連線；接觸層(contact layer)，在導電層之間進行連接。1970年代，四層就足夠用來構建電路；現在，你可以有數百層，因為工程師像高層建筑一樣將晶體管堆疊在晶體管的內部。
米德要求每個學生都必須設計一個動態移位寄存器，這是一個數字電路，通過觸發器元件的級聯將信息從一個位置移位到另一個位置，觸發器元件穩定在兩個不同的位置，因此可以存儲一個信息“位”（1或0）。1971年，EE 281第一學期剩下的九名學生完成了八個電路設計，其中兩名學生結婚并合作設計了一個。米德將學生的設計組合在一個“多項目芯片（multi-project chip）”上（應該是全球第一次利用MPW模式），在Gerber plotter生成圖案，安排在硅谷的掩模供應商處制作掩模，然后將掩模交付給英特爾安排制造芯片。1972年1月，每個學生都收到了一個芯片，并在實驗室進行了測試。令人驚訝的是，八個電路都正常工作了。此后，該課程的學生數量每年都在增長，直到1977年停止教學[1]。
上過該門課程的人很多都在業界留下了重彩，除了帕什利外，還有Stuart Sando（71屆本科，72屆碩士，加入英特爾）、Yoshiaki Hagiwara（71屆本科，72屆碩士，75屆博士，加入索尼）、Edmund K.Cheng（72屆俄亥俄大學本科，73屆碩士，76屆博士，1981年共同創辦Silicon Compilers Inc.）、Lee Britton（73屆本科，加入惠普）。
1976年，米德與加州理工新任計算機科學系主任伊萬·薩瑟蘭(lvan Sutherland，1988年圖靈獎獲得者)合作推動了計算機科學選修方向的建立，使集成電路設計進入學術主流。米德進一步將課程內容完善，探索電路設計的復雜度理論，試圖為VLS|設計過程建立優化模型和成本度量標準，為芯片自動化設計打下理論基礎。1976年，米德受邀于Xerox PARC介紹VLSI課程，并遇到了計算機工程專家琳·康薇。二人合力撰寫了經典教材《VLSI系統導論》，成為芯片設計領域的權威著作。此書不僅系統化集成了課程內容，更推動了結構化、模塊化設計方法的普及，促進了電子設計自動化工具的迅速發展。之后，康薇帶領團隊借助DARPA網絡組織了首個多高校、多設計者合作的多項目芯片計劃，促成了MOSIS項目的誕生。
EDA領域
1978年，米德與加州理工計算機科學系博士后馬丁·雷姆(Martin Rem)一起探討研究了VLSI設計復雜性基本問題，其中時間、面積和能效是成本向量的維度，這項工作從根本上擴展了計算復雜性的概念。在DAC 1979上，米德的學生大衛·約翰森(David Johannsen)發表了論文《Bristle Blocks: A Silicon Compiler》，首次提及硅編譯器(Silicon Compiler)，通過算法將數字電路的行為級描述自動轉換為硅芯片掩模版圖，極大簡化了設計流程。1981年，約翰森和師兄Edmund K. Cheng共同創辦Silicon Compilers Inc.,積極推動硅編譯器的應用。此舉，并為半導體行業帶來了一種全新的商業模式，現在稱為無晶圓半導體(Fabless)。
1982年，和加州理工計算機科學系博士生Marina Chen（78屆臺灣大學本科，80屆碩士，83屆博士，先后任教于耶魯大學和波士頓大學）、Tzu-Mu Lin合作，在仿真器、形式驗證、時序驗證方面發表了一系列的文章，對推動EDA和芯片設計的發展起到重大作用。
最后
米德的學術研究，由基礎的半導體組件，到IC編譯器的原創與VLSI設計方法學，再到神經擬態計算，對集成電路相關領域的貢獻不可磨滅。
米德集成電路領域的創新貢獻不僅僅在于Mead-Conway VLSI芯片結構化定制設計方法學，其他創新貢獻還包括砷化鎵MESFET（現在HEMT）。同時米德還從神經元及神經網絡的硬件實現的角度出發，開創了“神經擬態計算”(neuromorphic computing)方向，提出用模擬、數字或混合電路模仿更具有生物逼真性的脈沖神經網絡，計算功耗低是其重要優點之一，1986年在加州理工學院成立世界上第一個計算與神經系統（CNS）研究生項目，一直發展到現在，系列成果包括耳蝸芯片、觸控板等[2]。
1996年米德因為對“VLSI集成電路結構創新”榮獲“IEEE 馮諾依曼獎(IEEE John von Neumann Medal)”，2022年因為在“VLSI集成電路系統設計方法方面的杰出貢獻”獲得“京都先進技術獎（Kyoto Prize for Advanced Technology）”。
參考：
1、How a Small Class at Caltech Helped Launch a Computer Revolution；加州理工大學官網；2023年2月28日
2、【EDA大師】Carver Mead：VLSI芯片結構化定制設計方法學之父；“芯思想”公眾號，2023年6月19號
