米德（图片来源：加州理工大学官网）
在现代社会，计算机技术无处不在，而这些技术的核心“芯片设计”正是推动数字革命的关键所在。而这一切的起点，竟源于1970年代加州理工学院(Caltech)一门名为“EE 281(半导体器件)”的课程。正是由于这门课，计算机科学与电子工程领域实现了基础性突破，驱动了今天整个信息时代的蓬勃发展。主导这一课程的教授卡弗·米德(Carver Mead)在第一次开课时说明确，“每个学生都要设计一个MOS电路，然后在英特尔的工厂完成制造。如果电路有效，你将获得学分，如果电路无效，你就无法获得学分。” 米德的这一做法与当下国内许多高校都在推行“一生一芯”人才培养举措何其相似。
提到米德，集成电路行业人士都不陌生，其研究领域涵盖微电子学和神经计算。在集成电路设计方面取得了革命性突破，其和琳·康薇(Lynn Conway)共同提出Mead-Conway VLSI集成电路系统设计方法，使工程师能够将数万个晶体管集成到一个微小的芯片上，大大提高了集成电路技术，从而几何倍地增加了计算机处理能力，极大的推动了集成电路产业的发展，让我们的世界日益数字化；创建的放大微波通信信号的电路的高电子迁移率晶体管系统，引领了通信技术的发展；在生物建模领域探索神经计算模型，成功将物理与生物相结合。
1934年5月1日，米德出生于加利福尼亚州贝克斯菲尔德(Bakersfield）。1929年开始的大萧条(The Great Depression)带来的阴影还未消散，温饱尚无法完全解决，艰苦的条件让很多家庭放弃了教育。他在当地小学就读时，整个学校只有二十几个同学和两个老师。在初中时，他对电气产生了浓郁的兴趣，并在父亲的支持和帮助下，自己动手做实验，从数据和实验过程中观察和发现一些有趣的东西。在加利福尼亚州弗雷斯诺(Fresno)高中毕业后，米德成功进入顶级的研究性大学“加州理工学院”，并在这里攻读了电气工程专业的学士学位（1956年）、硕士学位（1957年）以及博士学位（1960年）。博士毕业后，米德留在加州理工学院任教。就在博士毕业那年，米德参加了加州理工学院为仙童半导体(Fairchild)举办的一次招聘活动，得以认识了校友高登·摩尔(Gordon Moore, 1954年获加州理工学院物理化学博士学位），两人相谈甚欢，又有共同的兴趣，很快成为了朋友。1968年英特尔(Intel)成立时，米德成为英特尔的签约咨询顾问，并每周前往新兴的硅谷。同时摩尔允许米德利用英特尔的工厂制造学生设计的芯片，让他们能够使用大多数大学或半导体行业以外的任何人都无法使用的设施，这实在是太美妙了。
1971年米德和学生在实验室（图片来源：加州理工大学官网）
托起两大定律
1965年，摩尔手绘出从1959～1965年每一芯片中晶体管成长数字，总计只有5点数据，并预测未来成长会依照每1.5～2年以1倍的速度增加。米德教授当时是仙童半导体(Fairchild)的顾问，随即将此称之为“摩尔定律Moore's Law”。米德是最早研究晶体管尺寸微缩(scaling)的一批人，1972年米德和同事布鲁斯·霍内森(Bruce Hoeneisen)曾在《Solid State Electronics》发文《Fundamental Limitations in Microelectronics—I. MOS Technology》探讨微缩原理。但当时米德在学术会议上报告MOS微缩理论时，并预测未来一个芯片上可以有上亿个晶体管存在，并没有多少人相信米德的理论。当时认为在这么小的尺寸下，光是所产生的热即足以烧毁整个晶体管。事实证明米德是对的，摩尔定律横跨超过60年时间，最主要的基石在于尺寸的微缩，而米德有关尺寸微缩理论给摩尔定律提供了根基（微缩理论以IBM工程师Robert Dennard的名字命名，源于其1974年在JSSC发表的文章Design of ion-implanted MOSFET's with Very Small Physical Dimensions）。
首倡“一生一芯”，推动MPW
如何处理日益复杂的电路设计，成为一个关键议题，米德的研究随即转向IC设计和自动化IC设计工具的研究。米德和琳·康薇(Lynn Conway)写了一本关于VLSI系统设计主题的书《VLSI系统导论》，该书于1978年首次出版，成为芯片设计工程师手中的圣经。
（图片来源：加州理工大学官网）
1969年，米德提出了创建VLSI集成电路的想法，希望能够使百万晶体管在一张芯片上同时工作，并且可以发挥不同的功能，设计出复杂的芯片。当时的半导体行业对于这一模型持普遍怀疑态度，很多人都认为这是Carver Mead的幻想，没有科学层面的实际意义。面对外界的质疑，米德并没有给出太多的回应，默默地回到了实验室，再接下来的十年里，米德专心的与一批志同道合的研究人员在实验室中证明自己的设想。
1971年暑假，正式开设名为EE 281半导体器件(Semiconductor Devices)的课程，该课程的目标之一是，考虑到所涉及的材料和加工费用，学生们要将芯片设计得尽可能紧凑。这门课程的诞生源于理查德·帕什利(Richard Pashley, 70届加州理工硕士，74届加州理工博士，1988年英特尔第一颗NOR闪存芯片设计团队负责人)对金属氧化物半导体(MOS)芯片设计的浓厚兴趣。实验室里学生们积极从事MOS器件的研究，然而当时院校内尚无专门课程教授该领域知识。米德教授给了帕什利一个挑战，要求其招募25名学生才能开设这门课程。
看似简单的要求，当时却因课程超前且极具挑战性，使得绝大多数选课学生在开课不久后选择放弃。帕什利回忆道，米德在上第一节课时就说，这门课程将与你们平时上的课有点不同，我不会只站在这里讲课。你们要设计一个MOS电路，然后在英特尔的工厂完成制造。如果电路有效，你将获得学分，如果电路无效，你就无法获得学分。到第二节课时，班上三分之二的人已经退学了，只剩下九名学生。所有留下来的人都很敬业，我们学到的是在设计规则范围内，如何让这些电路变小的艺术。
1970年代初，芯片是手工设计的，这是一个艰苦又昂贵的过程。工程师在绘制出电路的每一层图案后，然后将每一层图案转移光刻胶上，再进行切割、剥离，以创建反向图案，反向图案将被拍照、收缩，然后用作创建芯片的掩模(mask)。米德设计了一个简单、有效的程序，可以对芯片设计图案进行编码，以输出到当时唯一一个计算机可以生成高度精确的复杂几何图案的设备-Gerber plotter。米德的设计程序产生的图案更准确，而且所需的人力资源也少得多。
第一期学生设计的电路有四种类型的层：扩散层(diffusion layer)，在那里杂质(称为掺杂剂)被引入到纯硅片中以调节其导电性；多晶硅层(polysilicon layer)，其限定了晶体管的控制元件；金属层(metal layer)，限定了互连线；接触层(contact layer)，在导电层之间进行连接。1970年代，四层就足够用来构建电路；现在，你可以有数百层，因为工程师像高层建筑一样将晶体管堆叠在晶体管的内部。
米德要求每个学生都必须设计一个动态移位寄存器，这是一个数字电路，通过触发器元件的级联将信息从一个位置移位到另一个位置，触发器元件稳定在两个不同的位置，因此可以存储一个信息“位”（1或0）。1971年，EE 281第一学期剩下的九名学生完成了八个电路设计，其中两名学生结婚并合作设计了一个。米德将学生的设计组合在一个“多项目芯片（multi-project chip）”上（应该是全球第一次利用MPW模式），在Gerber plotter生成图案，安排在硅谷的掩模供应商处制作掩模，然后将掩模交付给英特尔安排制造芯片。1972年1月，每个学生都收到了一个芯片，并在实验室进行了测试。令人惊讶的是，八个电路都正常工作了。此后，该课程的学生数量每年都在增长，直到1977年停止教学[1]。
上过该门课程的人很多都在业界留下了重彩，除了帕什利外，还有Stuart Sando（71届本科，72届硕士，加入英特尔）、Yoshiaki Hagiwara（71届本科，72届硕士，75届博士，加入索尼）、Edmund K.Cheng（72届俄亥俄大学本科，73届硕士，76届博士，1981年共同创办Silicon Compilers Inc.）、Lee Britton（73届本科，加入惠普）。
1976年，米德与加州理工新任计算机科学系主任伊万·萨瑟兰(lvan Sutherland，1988年图灵奖获得者)合作推动了计算机科学选修方向的建立，使集成电路设计进入学术主流。米德进一步将课程内容完善，探索电路设计的复杂度理论，试图为VLS|设计过程建立优化模型和成本度量标准，为芯片自动化设计打下理论基础。1976年，米德受邀于Xerox PARC介绍VLSI课程，并遇到了计算机工程专家琳·康薇。二人合力撰写了经典教材《VLSI系统导论》，成为芯片设计领域的权威著作。此书不仅系统化集成了课程内容，更推动了结构化、模块化设计方法的普及，促进了电子设计自动化工具的迅速发展。之后，康薇带领团队借助DARPA网络组织了首个多高校、多设计者合作的多项目芯片计划，促成了MOSIS项目的诞生。
EDA领域
1978年，米德与加州理工计算机科学系博士后马丁·雷姆(Martin Rem)一起探讨研究了VLSI设计复杂性基本问题，其中时间、面积和能效是成本向量的维度，这项工作从根本上扩展了计算复杂性的概念。在DAC 1979上，米德的学生大卫·约翰森(David Johannsen)发表了论文《Bristle Blocks: A Silicon Compiler》，首次提及硅编译器(Silicon Compiler)，通过算法将数字电路的行为级描述自动转换为硅芯片掩模版图，极大简化了设计流程。1981年，约翰森和师兄Edmund K. Cheng共同创办Silicon Compilers Inc.,积极推动硅编译器的应用。此举，并为半导体行业带来了一种全新的商业模式，现在称为无晶圆半导体(Fabless)。
1982年，和加州理工计算机科学系博士生Marina Chen（78届台湾大学本科，80届硕士，83届博士，先后任教于耶鲁大学和波士顿大学）、Tzu-Mu Lin合作，在仿真器、形式验证、时序验证方面发表了一系列的文章，对推动EDA和芯片设计的发展起到重大作用。
最后
米德的学术研究，由基础的半导体组件，到IC编译器的原创与VLSI设计方法学，再到神经拟态计算，对集成电路相关领域的贡献不可磨灭。
米德集成电路领域的创新贡献不仅仅在于Mead-Conway VLSI芯片结构化定制设计方法学，其他创新贡献还包括砷化镓MESFET（现在HEMT）。同时米德还从神经元及神经网络的硬件实现的角度出发，开创了“神经拟态计算”(neuromorphic computing)方向，提出用模拟、数字或混合电路模仿更具有生物逼真性的脉冲神经网络，计算功耗低是其重要优点之一，1986年在加州理工学院成立世界上第一个计算与神经系统（CNS）研究生项目，一直发展到现在，系列成果包括耳蜗芯片、触控板等[2]。
1996年米德因为对“VLSI集成电路结构创新”荣获“IEEE 冯诺依曼奖(IEEE John von Neumann Medal)”，2022年因为在“VLSI集成电路系统设计方法方面的杰出贡献”获得“京都先进技术奖（Kyoto Prize for Advanced Technology）”。
参考：
1、How a Small Class at Caltech Helped Launch a Computer Revolution；加州理工大学官网；2023年2月28日
2、【EDA大师】Carver Mead：VLSI芯片结构化定制设计方法学之父；“芯思想”公众号，2023年6月19号
