Введение
Американский ученый и инженер Карвер Андресс Мид (родился 1 мая 1934 года) – американский ученый и инженер. В настоящее время он является профессором-эмеритом Гордона и Бетти Мур по инженерному делу и прикладным наукам в Калифорнийском технологическом институте (Caltech), где преподавал более 40 лет. Мид – пионер современной микроэлектроники, внесший вклад в разработку и проектирование полупроводников, цифровых микросхем и кремниевых компиляторов – технологий, лежащих в основе современного проектирования интегральных схем сверхбольшой степени интеграции. Мид также принимал участие в основании более чем 20 компаний. В последнее время он призывает к переосмыслению современной физики, возвращаясь к теоретическим дискуссиям Нильса Бора, Альберта Эйнштейна и других ученых в свете более поздних экспериментов и достижений в области приборостроения, а также консультировал Луизу Киркбрайд, первую студентку-электротехника в институте.
Carver Andress Mead (born 1 May 1934) is an American scientist and engineer. He currently holds the position of Gordon and Betty Moore Professor Emeritus of Engineering and Applied Science at the California Institute of Technology (Caltech), having taught there for over 40 years. A pioneer of modern microelectronics, Mead has made contributions to the development and design of semiconductors, digital chips, and silicon compilers, technologies which form the foundations of modern very large scale integration chip design. Mead has also been involved in the founding of more than 20 companies. Most recently, he has called for the reconceptualization of modern physics, revisiting the theoretical debates of Niels Bohr, Albert Einstein and others in light of later experiments and developments in instrumentation. and advised Louise Kirkbride, the school's first female electrical engineering student.
Ранние годы и образование
Карвер Андресс Мид родился в Бейкерсфилде, Калифорния, и вырос в Кернвилле, Калифорния. Его отец работал на электростанции в рамках проекта гидроэлектростанции Биг-Крик, принадлежащей компании Southern California Edison Company. Карвер несколько лет учился в небольшой местной школе, а затем переехал в Фресно, Калифорния, чтобы жить со своей бабушкой и посещать более крупную среднюю школу. Он увлекся электричеством и электроникой в раннем возрасте, наблюдая за работой на электростанции, экспериментируя с электрооборудованием, получив лицензию радиолюбителя и работая на местных радиостанциях в старших классах.
Микроэлектроника
Вклад Мида обусловлен применением фундаментальной физики к разработке электронных устройств, зачастую новаторскими методами. В 1960-х годах он провел систематические исследования энергетического поведения электронов в изоляторах и полупроводниках, углубившись в понимание туннельного эффекта, свойств барьеров и переноса горячих электронов. В 1962 году он показал, что при использовании туннельной эмиссии горячие электроны сохраняют энергию, преодолевая нанометровые расстояния в золоте. Его исследования соединений III–V групп (совместно с В. Г. Спитцером) выявили важность поверхностных состояний, подготовив почву для инженерии запрещенной зоны и создания гетероструктурных устройств.
GaAs MESFET
В 1966 году Мид разработал первый полевой транзистор с затвором на основе арсенида галлия, используя диод Шоттки для изоляции затвора от канала. Арсенид галлия как материал обеспечивает значительно более высокую подвижность электронов и скорость насыщения по сравнению с кремнием.
Закон Мура
Гордону Муру приписывают авторство термина «закон Мура», используемого для обозначения прогноза, сделанного Муром в 1965 году относительно темпов роста числа компонентов – «под компонентом понимается транзистор, резистор, диод или конденсатор» – на одной интегральной схеме. Мур и Мид начали сотрудничать примерно в 1959 году, когда Мур предоставил Миду «транзисторы с незначительными дефектами внешнего вида» от Fairchild Semiconductor для использования его студентами на занятиях. В 1960-х годах Мид еженедельно посещал Fairchild, знакомясь с работой исследовательских и опытно-конструкторских лабораторий и обсуждая ее с Муром. В ходе одной из бесед Мур спросил Мида, не может ли квантовое туннелирование электронов ограничить минимально возможный размер рабочего транзистора. Получив утвердительный ответ, он поинтересовался, каков будет этот предел. Подстегнутый вопросом Мура, Мид и его студенты приступили к физическому анализу возможных материалов, стремясь определить нижнюю границу закона Мура. В 1968 году Мид продемонстрировал, вопреки общепринятым представлениям, что уменьшение размеров транзисторов не приведет к увеличению их хрупкости, нагреву, стоимости или снижению скорости работы. Напротив, он утверждал, что при миниатюризации транзисторы станут быстрее, эффективнее, менее нагревающимися и дешевле.
Конструкция VLSI MeadConway
Мид первым предсказал возможность создания миллионов транзисторов на чипе. Его предсказание подразумевало, что для достижения такой масштабируемости необходимо будет внести существенные изменения в технологию. Мид был одним из первых исследователей, изучавших методы сверхбольшой интеграции, разрабатывая и создавая микрочипы высокой сложности. Также в 1976 году Мид совместно с Иваном Сазерлендом и Томасом Юджином Эверхартом подготовил отчет для DARPA, в котором оценивались ограничения современного производства микроэлектроники и рекомендовались исследования последствий системного проектирования "сверхбольших интегральных схем". Начиная с 1975 года, Карвер Мид сотрудничал с Линн Конвей из Xerox PARC. Их совместный учебник стал новаторским и на протяжении десятилетий использовался во всем мире для обучения проектированию интегральных схем VLSI. Распространение ранних предварительных глав в учебных классах и среди других исследователей вызвало широкий интерес и сформировало сообщество специалистов, заинтересованных в этом подходе. Они также продемонстрировали возможность использования многопроектной методологии совместного использования пластин, создавая чипы для студентов в своих классах. Их работа привела к смене парадигмы. В 1981 году Мид и Конвей получили награду за достижения от журнала Electronics Magazine в знак признания их вклада. Развивая идеи VLSI-проектирования, Мид и его аспирант Дэвид Л. Йохансен создали первый кремниевый компилятор, способный принимать технические требования пользователя и автоматически генерировать интегральную схему. 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 компании Digital Equipment Corporation. Мид и Конвей заложили основу для разработки MOSIS (Сервис реализации металл-оксид-полупроводниковых структур) и производства первого CMOS-чипа.
Нейронные модели вычислений
Далее Мид начал изучать возможности моделирования биологических систем вычислений: мозга животных и человека. Его интерес к биологическим моделям восходит как минимум к 1967 году, когда он встретил биофизика Макса Дельбрюка. Дельбрюк стимулировал интерес Мида к физиологии трансдукторов, к преобразованиям, происходящим между физическим входом, запускающим процесс восприятия, и конечными феноменами восприятия. Он заметил параллели между движением зарядов в МОП-транзисторах, работающих в слабой инверсии, и потоком зарядов через мембраны нейронов. Он работал с Джоном Хопфилдом и нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом, способствуя созданию трех новых областей: нейронных сетей, нейроморфной инженерии и физики вычислений. Затем Миду удалось привлечь венчурное финансирование для поддержки запуска ряда компаний, отчасти благодаря ранней связи с Арнольдом Бекманом, председателем Совета управляющих Калтеха. Сенсорная панель Synaptics оказалась чрезвычайно успешной, в определенный момент захватив 70% рынка сенсорных панелей. Лион ранее описал вычислительную модель работы улитки. Такие технологии имели потенциальное применение в слуховых аппаратах, кохлеарных имплантатах и различных устройствах распознавания речи. Их работа вдохновила продолжающиеся исследования, направленные на создание кремниевого аналога, способного эмулировать возможности обработки сигналов биологической улитки. В 1991 году Мид помог основать Sonix Technologies, Inc. (позже Sonic Innovations Inc.). Мид разработал компьютерный чип для их слуховых аппаратов. Помимо малого размера, утверждалось, что этот чип является самым мощным из используемых в слуховых аппаратах. Выпуск первого продукта компании, слухового аппарата Natura, состоялся в сентябре 1998 года.
Видение
В конце 1980-х годов Мид посоветовал Мише Маховальду, аспиранту, изучающему вычислительные и нейронные системы, разработать кремниевую сетчатку, используя аналоговые электрические схемы для имитации биологических функций палочковых клеток, колбочковых клеток и других возбудимых клеток сетчатки глаза. Диссертация Маховальда 1992 года получила докторскую премию Милтона и Фрэнсис Клаузера в Калифорнийском технологическом институте за её оригинальность и «потенциал для открытия новых горизонтов человеческой мысли и деятельности». По состоянию на 2001 год его работа считалась «наилучшей попыткой на сегодняшний день» создать стереоскопическую систему зрения. Мид продолжил описывать адаптивную кремниевую сетчатку, используя двумерную резистивную сеть для моделирования первого слоя визуальной обработки во внешнем плексиформном слое сетчатки. Около 1999 года Мид и другие основали Foveon, Inc. в Санта-Кларе, штат Калифорния, для разработки новой технологии цифровых камер, основанной на CMOS-сенсорах/чипах обработки изображений, вдохновленных принципами работы нервной системы. Датчики изображения в цифровой камере Foveon X3 захватывали несколько цветов для каждого пикселя, определяя уровни красного, зеленого и синего в кремниевом сенсоре. Это обеспечивало более полную информацию и фотографии лучшего качества по сравнению со стандартными камерами, которые определяют только один цвет на пиксель. Её называют революционной.
Синапсы
Работа Мида легла в основу разработки компьютерных процессоров, в которых электронные компоненты соединены подобно биологическим синапсам, а также систем долговременной памяти. Мид стал пионером в использовании транзисторов с плавающим затвором как средства энергонезависимого хранения данных для нейроморфных и других аналоговых схем. Мид и Диорио основали компанию Impinj, поставщика решений в области радиочастотной идентификации (RFID), основываясь на своих разработках с использованием транзисторов с плавающим затвором (FGMOS). Используя энергоэффективные методы хранения зарядов на FGMOS, Impinj разработал приложения для флэш-памяти и радиочастотных меток.
Переосмысление физики
Карвер Мид разработал подход, который он называет коллективной электродинамикой, в котором электромагнитные эффекты, включая квантованный перенос энергии, выводятся из взаимодействий волновых функций электронов, ведущих себя коллективно. В этой формулировке фотон не имеет физического смысла, а соотношение между энергией и частотой Планка возникает из взаимодействий собственных состояний электронов. Этот подход связан с транзакционной интерпретацией квантовой механики Джона Крамера, с теорией электродинамики поглотителей Уилера — Фейнмана и с ранним описанием Гильбертом Н. Льюисом обмена электромагнитной энергией на нулевом интервале пространства-времени. Хотя эта переконцептуализация не относится к гравитации, её гравитационное расширение делает предсказания, отличающиеся от общей теории относительности. Например, гравитационные волны должны иметь иную поляризацию в рамках "G4v" – так называется эта новая теория гравитации. Более того, эту разницу в поляризации можно обнаружить с помощью усовершенствованного LIGO.