Карвер Мид | |
---|---|
Рожденный | Карвер Андресс Мид ( 1934-05-01 )1 мая 1934 г. Бейкерсфилд, Калифорния , США |
Награды | Премия Киото (2022) Национальная медаль в области технологий 2011 г. Премия Фонда BBVA «За фронтиры знаний» Стипендиат Музея компьютерной истории (2002) |
Научная карьера | |
Тезис | Анализ переключения транзисторов (1960) |
научный руководитель | RD Middlebrook Роберт В. Ленгмюр |
Докторанты | Квабена Боахен |
Внешние видео | |
---|---|
Карвер Мид, лауреат премии Лемельсона-MIT 1999 года, Фонд Лемельсона | |
Carver Mead – Полупроводники, 17 апреля 2014 г., Официальный ACM | |
Карвер Мид представляет «Вселенная и мы: комплексная теория электромагнетизма и гравитации», TTI/Vanguard |
Карвер Андресс Мид (родился 1 мая 1934 года) — американский учёный и инженер. В настоящее время он занимает должность почётного профессора инженерии и прикладных наук имени Гордона и Бетти Мур в Калифорнийском технологическом институте (Калтех), преподавая там более 40 лет. [1]
Пионер современной микроэлектроники , Мид внес вклад в разработку и проектирование полупроводников , цифровых чипов и кремниевых компиляторов , технологий, которые формируют основу современного проектирования сверхбольших интегральных микросхем. Мид также принимал участие в создании более 20 компаний. [2]
В 1980-х годах Мид сосредоточился на электронном моделировании человеческой неврологии и биологии, создав « нейроморфные электронные системы ». [3] [4] [5] Совсем недавно он призвал к переосмыслению современной физики, пересмотрев теоретические дебаты Нильса Бора , Альберта Эйнштейна и других в свете более поздних экспериментов и разработок в области приборостроения. [6]
Вклад Мида как преподавателя включает классический учебник «Введение в системы СБИС» (1980), который он написал в соавторстве с Линн Конвей . Он также обучал Дебору Чанг , первую женщину-инженера, окончившую Калтех, [7] и консультировал Луизу Киркбрайд, первую женщину-студентку электротехники в школе. [8] [9]
Карвер Андресс Мид родился в Бейкерсфилде, Калифорния , и вырос в Кернвилле, Калифорния . Его отец работал на электростанции в проекте Big Creek Hydroelectric Project , принадлежащей Southern California Edison Company . [6] Карвер несколько лет учился в маленькой местной школе, затем переехал во Фресно, Калифорния , чтобы жить со своей бабушкой, чтобы иметь возможность посещать большую среднюю школу. [8] Он заинтересовался электричеством и электроникой в очень юном возрасте, наблюдая за работой на электростанции, экспериментируя с электрооборудованием, получив лицензию на любительское радио и работая в средней школе на местных радиостанциях. [10]
Мид изучал электротехнику в Калифорнийском технологическом институте, получив степень бакалавра в 1956 году, степень магистра в 1957 году и степень доктора философии в 1960 году. [11] [12]
Вклад Мида возник из применения базовой физики к разработке электронных устройств, часто новыми способами. В 1960-х годах он проводил систематические исследования энергетического поведения электронов в изоляторах и полупроводниках, развивая глубокое понимание электронного туннелирования , поведения барьеров и транспорта горячих электронов . [13] В 1960 году он был первым человеком, который описал и продемонстрировал трехконтактное твердотельное устройство, основанное на рабочих принципах электронного туннелирования и транспорта горячих электронов. [14] В 1962 году он продемонстрировал, что с помощью туннельной эмиссии горячие электроны сохраняют энергию при перемещении на нанометровые расстояния в золоте. [15] Его исследования соединений III-V (совместно с WG Spitzer) установили важность интерфейсных состояний, заложив основу для проектирования запрещенной зоны и разработки гетеропереходных устройств. [13] [16] [17] [18]
В 1966 году Мид разработал первый полевой транзистор с затвором из арсенида галлия, используя барьерный диод Шоттки для изоляции затвора от канала. [19] Как материал, GaAs обеспечивает гораздо более высокую подвижность электронов и более высокую скорость насыщения , чем кремний. [20] GaAs MESFET стал доминирующим микроволновым полупроводниковым прибором, используемым в различных высокочастотных беспроводных электронных устройствах, включая микроволновые системы связи в радиотелескопах , спутниковых антеннах и сотовых телефонах. Работа Карвера над MESFET также стала основой для более поздней разработки HEMT компанией Fujitsu в 1980 году. HEMT, как и MESFET, являются устройствами с режимом накопления, используемыми в микроволновых приемниках и телекоммуникационных системах. [20]
Гордон Мур приписывает Миду введение термина «закон Мура » [21], чтобы обозначить предсказание Мура, сделанное в 1965 году, о скорости роста количества компонентов, «компонентом, являющимся транзистором, резистором, диодом или конденсатором» [22], помещающихся на одной интегральной схеме. Мур и Мид начали сотрудничать около 1959 года, когда Мур дал Миду транзисторы «косметического брака» от Fairchild Semiconductor для его студентов, чтобы они использовали их на своих занятиях. В течение 1960-х годов Мид еженедельно приезжал в Fairchild, посещал научно-исследовательские лаборатории и обсуждал их работу с Муром. Во время одной из дискуссий Мур спросил Мида, может ли туннелирование электронов ограничить размер работоспособного транзистора. Когда ему сказали, что это так, он спросил, каков будет предел. [23]
Воодушевленные вопросом Мура, Мид и его студенты начали физический анализ возможных материалов, пытаясь определить нижнюю границу для закона Мура. В 1968 году Мид продемонстрировал, вопреки распространенным предположениям, что по мере уменьшения размера транзисторов они не станут более хрупкими, горячими, дорогими или медленными. Вместо этого он утверждал, что транзисторы будут становиться быстрее, лучше, холоднее и дешевле по мере их миниатюризации. [24] Его результаты изначально были встречены со значительным скептицизмом, но по мере экспериментов конструкторов результаты подтверждали его утверждение. [23] В 1972 году Мид и аспирант Брюс Хонейзен предсказали, что транзисторы могут быть сделаны размером всего 0,15 микрона. Этот нижний предел размера транзистора оказался значительно меньше, чем обычно ожидалось. [24] Несмотря на первоначальные сомнения, предсказание Мида повлияло на развитие субмикронной технологии в компьютерной индустрии. [23] Когда в 2000 году предсказанная Мидом цель была достигнута в ходе реальной разработки транзистора, транзистор был очень похож на тот, который Мид первоначально описал. [25]
Мид был первым, кто предсказал возможность создания миллионов транзисторов на чипе. Его предсказание подразумевало, что для достижения такой масштабируемости должны произойти существенные изменения в технологии. Мид был одним из первых исследователей, исследовавших методы сверхбольшой интеграции, проектируя и создавая микрочипы высокой сложности. [26]
Он преподавал первый в мире курс по проектированию БИС в Калтехе в 1970 году. На протяжении 1970-х годов, с участием и обратной связью от последовательных занятий, Мид развивал свои идеи проектирования интегральных схем и систем. Он работал с Иваном Сазерлендом и Фредериком Б. Томпсоном, чтобы создать кафедру компьютерных наук в Калтехе, что официально произошло в 1976 году. [27] [28] Также в 1976 году Мид стал соавтором отчета DARPA с Иваном Сазерлендом и Томасом Юджином Эверхартом , оценив ограничения современного производства микроэлектроники и рекомендуя исследования в области проектирования систем с использованием «сверхбольших интегральных схем». [29]
Начиная с 1975 года, Карвер Мид сотрудничал с Линн Конвей из Xerox PARC . [26] Они разработали знаменательный текст Введение в системы СБИС , опубликованный в 1979 году, важный острие революции Мида и Конвея . [30] Этот новаторский учебник использовался в образовании по интегральным схемам СБИС во всем мире на протяжении десятилетий. [31] Распространение ранних препринтов глав в классах и среди других исследователей привлекло широкий интерес и создало сообщество людей, заинтересованных в подходе. [32] Они также продемонстрировали осуществимость методологии многопроектного совместного использования пластин, создавая чипы для студентов в своих классах. [33] [34] [35] [36]
Их работа вызвала сдвиг парадигмы [36], « фундаментальную переоценку» развития интегральных схем [26] и «произвела революцию в мире компьютеров». [37] В 1981 году Мид и Конвей получили премию за достижения от журнала Electronics Magazine в знак признания их вклада. [26] Более 30 лет спустя влияние их работы все еще оценивается. [38]
Основываясь на идеях проектирования СБИС, Мид и его аспирант Дэвид Л. Йохансен создали первый кремниевый компилятор , способный принимать спецификации пользователя и автоматически генерировать интегральную схему. [39] [40] Мид, Йохансен, Эдмунд К. Ченг и другие основали Silicon Compilers Inc. (SCI) в 1981 году. SCI разработала один из ключевых чипов для мини-компьютера MicroVAX корпорации Digital Equipment . [40] [41]
Мид и Конвей заложили основу для разработки MOSIS ( Metal Oxide Semiconductor Implementation Service) и изготовления первого чипа CMOS . [38] Мид отстаивал идею производства без собственных производственных мощностей , при котором клиенты указывают свои потребности в разработке компаниям, занимающимся полупроводниковыми технологиями без собственных производственных мощностей. Затем компании разрабатывают специализированные чипы и передают производство чипов на аутсорсинг менее дорогим зарубежным литейным заводам полупроводников . [42]
Затем Мид начал исследовать потенциал моделирования биологических систем вычислений: мозг животных и человека. Его интерес к биологическим моделям возник как минимум в 1967 году, когда он встретил биофизика Макса Дельбрюка . Дельбрюк стимулировал интерес Мида к физиологии преобразователей , преобразованиям, которые происходят между физическим вводом, инициирующим перцептивный процесс, и конечным перцептивным явлением. [43]
Наблюдая градуированную синаптическую передачу в сетчатке, Мид заинтересовался возможностью рассматривать транзисторы как аналоговые устройства, а не как цифровые переключатели. [44] Он отметил параллели между зарядами, движущимися в МОП-транзисторах, работающих в слабой инверсии, и зарядами, текущими через мембраны нейронов. [45] Он работал с Джоном Хопфилдом и лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом , помогая создать три новых области: нейронные сети , нейроморфную инженерию и физику вычислений . [12] Миду, который считается основателем нейроморфной инженерии, приписывают введение термина «нейроморфные процессоры». [3] [5] [46]
Затем Мид успешно нашел венчурное финансирование для поддержки запуска ряда компаний, отчасти благодаря ранним связям с Арнольдом Бекманом , председателем Совета попечителей Калифорнийского технологического института. [12] Мид сказал, что его предпочтительный подход к развитию — это «технологический толчок», исследование чего-то интересного и затем разработка полезных приложений для этого. [47]
В 1986 году Мид и Федерико Фаггин основали Synaptics Inc. для разработки аналоговых схем, основанных на теориях нейронных сетей, подходящих для использования в зрении и распознавании речи. Первым продуктом, который Synaptics вывела на рынок, был чувствительный к давлению компьютерный тачпад , форма сенсорной технологии, которая быстро заменила трекбол и мышь в ноутбуках. [48] [49] Тачпад Synaptics был чрезвычайно успешным, в какой-то момент захватив 70% рынка тачпадов. [24]
В 1988 году Ричард Ф. Лион и Карвер Мид описали создание аналоговой улитки , моделирующей жидкостно-динамическую систему бегущей волны слуховой части внутреннего уха. [50] Ранее Лион описал вычислительную модель работы улитки. [51] Такая технология имела потенциальное применение в слуховых аппаратах, кохлеарных имплантатах и различных устройствах распознавания речи. Их работа вдохновила продолжающиеся исследования, пытающиеся создать кремниевый аналог, который может имитировать возможности обработки сигнала биологической улитки. [52] [53]
В 1991 году Мид помог основать Sonix Technologies, Inc. (позже Sonic Innovations Inc.). Мид разработал компьютерный чип для их слуховых аппаратов. Помимо того, что он был небольшим, чип, как говорили, был самым мощным из используемых в слуховых аппаратах. Выпуск первого продукта компании, слухового аппарата Natura, состоялся в сентябре 1998 года. [54]
В конце 1980-х годов Мид посоветовала Мише Маховальду , аспиранту в области вычислений и нейронных систем, разработать кремниевую сетчатку , используя аналоговые электрические схемы для имитации биологических функций палочковых клеток , колбочек и других возбудимых клеток в сетчатке глаза. [55] Диссертация Маховальда 1992 года получила докторскую премию Милтона и Фрэнсиса Клаузера от Калтеха за ее оригинальность и «потенциал для открытия новых направлений человеческой мысли и усилий». [56] По состоянию на 2001 год [обновлять]ее работа считалась «лучшей на сегодняшний день попыткой» разработать стереоскопическую систему зрения. [57] Мид продолжила описывать адаптивную кремниевую сетчатку, используя двумерную резистивную сеть для моделирования первого слоя визуальной обработки во внешнем плексиформном слое сетчатки. [58]
Около 1999 года Мид и другие основали Foveon , Inc. в Санта-Кларе, Калифорния, для разработки новой технологии цифровой камеры на основе нейронных датчиков изображения CMOS / чипов обработки . [24] Датчики изображения в цифровой камере Foveon X3 захватывали несколько цветов для каждого пикселя, обнаруживая красный, зеленый и синий на разных уровнях в кремниевом датчике. Это давало более полную информацию и лучшее качество фотографий по сравнению со стандартными камерами, которые обнаруживают один цвет на пиксель. [59] Это было воспринято как революционное. [24] В 2005 году Карвер Мид, Ричард Б. Меррилл и Ричард Лион из Foveon были награждены медалью Progress от Королевского фотографического общества за разработку датчика Foveon X3 . [60]
Работа Мида лежит в основе разработки компьютерных процессоров, электронные компоненты которых соединены способами, напоминающими биологические синапсы . [46] В 1995 и 1996 годах Мид, Хаслер, Диорио и Минч представили однотранзисторные кремниевые синапсы, способные к аналоговому обучению [61] и долговременному хранению памяти. [62] Мид был пионером в использовании транзисторов с плавающим затвором в качестве средства энергонезависимого хранения для нейроморфных и других аналоговых схем. [63] [64] [65] [66]
Мид и Диорио продолжили работу над созданием поставщика радиочастотной идентификации (RFID) Impinj , основанного на их работе с транзисторами с плавающим затвором (FGMOS). Используя маломощные методы хранения зарядов на FGMOS, Impinj разработал приложения для хранения флэш-памяти и радиочастотных идентификационных меток . [47] [67]
Карвер Мид разработал подход, который он называет Коллективной электродинамикой , в котором электромагнитные эффекты, включая квантованную передачу энергии, выводятся из взаимодействий волновых функций электронов, ведущих себя коллективно. [68] В этой формулировке фотон не является сущностью, а соотношение энергии и частоты Планка происходит из взаимодействий собственных состояний электрона . Подход связан с транзакционной интерпретацией квантовой механики Джона Крамера , с теорией поглотителя Уиллера-Фейнмана в электродинамике и с ранним описанием Гилберта Н. Льюиса обмена электромагнитной энергией на нулевом интервале [ необходимо разъяснение ] в пространстве-времени .
Хотя эта переосмысленная концепция не относится к гравитации, ее гравитационное расширение делает предсказания, которые отличаются от общей теории относительности. [69] Например, гравитационные волны должны иметь другую поляризацию в соответствии с "G4v", названием, данным этой новой теории гравитации. Более того, эта разница в поляризации может быть обнаружена продвинутым LIGO . [70]
Мид участвовал в создании по меньшей мере 20 компаний. В следующем списке указаны некоторые из наиболее значимых компаний и их основные вклады.