【EDA大师】Carver Mead：VLSI芯片结构化定制设计方法学之父

(图片来源于Caltech官网)

Carver Mead也许不从事EDA领域，但因为VLSI芯片结构化定制设计方法学，极大推动了EDA产业的发展，特别列入。事实上，“摩尔定律”一词也是由Carver Mead来命名的。

1996年Carver Mead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 AdvancedTechnology）”。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。

这一切要从1971年CarverMead在加州理工学院（Caltech）开设的一门课程说起。

1934年5月1日，Carver Mead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。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，Carver Mead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Gordon Moore（1954年获加州理工学院物理化学博士学位），两人很快成为了朋友。1968年英特尔成立时，Carver Mead成为英特尔的签约咨询顾问，并每周前往新兴的硅谷。同时GordonMoore允许Carver Mead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。

Carver Mead和施乐（Xerox）计算机工程师Lynn Conway合著《Introduction to VLSI Systems》于1978年首次出版，成为芯片设计的世界标准教科书。该书源于一门名为EE 281Semiconductor 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。

1969年，Carver Mead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，CarverMead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，Carver Mead专心的与一众志同道合的研究人员在实验室中证明着自己的设想。

英特尔NOR闪存设计团队负责人RichardPashley是这门课程的学生之一，他回忆道 ，Carver Mead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）。Carver Mead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。Carver Mead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（metallayer），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，因为它们像高层建筑一样将晶体管堆叠在晶体管的内部。

Carver Mead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。CarverMead将学生的设计组合在一个“多项目芯片（multi-projectchip）”上（应该是全球第一次利用MPW模式），在当地的Gerber商店生成图案，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的Gerhard Parker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，八个电中都正常工作了。此后，该课程的学生数量每年都在增长，直到1977年停止教学。

学过Carver Mead教学的EE281 Semiconductor Devices课程的很多学生都成了英特尔的首选，包括RichardPashley（74届博士）、Stuart Sando（72届硕士）、Edmund K.Cheng（76届博士）。

1976年，Xerox研究实验室邀请Carver Mead就VLSI集成电路进行演讲，Carver Mead将在演讲中概述EE 281及其产生的论文项目。就在Xerox研究实验室，Carver Mead认识了Xerox的Lynn Conway，两人相谈甚欢。

会谈结束后，Lynn Conway建议CarverMead写一本关于VLSI集成电路的书。Carver Mead邀请Lynn Conway一起写这本书。为此在两人第二次会面前，Lynn Conway购买了一大堆有关电路方面的书籍，据说叠起来有2英尺厚。Lynn Conway说，这些书里面没有什么比得上你所做的事情，我非常高兴和你一起来写这本书。

1977年8月开始基于Carver Mead对课程的理解编写《Introduction to VLSISystems》，1977年秋天，Carver Mead在加州理工学院、Carlo Sequin在加州大学伯克利分校（UC Berkeley）开设的课程中，前三章已经开始成为教材。1978年春季，Ivan Sutherland在加州理工学院、Robert Sproull在卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University，CMU）和Fred Rosenbaum在圣路易斯华盛顿大学（WashingtonUniversity in St. Louis）都开设了课程，随后使用整本作为教材。

1978年《Introductionto VLSI Systems》完成后，Carver Mead和Lynn Conway都成为了其思想和结构化、模块化芯片设计方法的支持者，他们在各种学术机构发表演讲，为初创公司提供咨询，并与政府机构合作。Carver Mead回忆说，当时已经筋疲力尽，但他们创造的文化正在焕发出自己的生命力：大学正在开发教授VLSI集成电路的课程，芯片制造企业正在生产基于Mead-Conway范式的先进设计工具和高性能芯片。

Carver Mead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Carver Mead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。

【EDA大师】系列接下来还将介绍《Introduction to VLSI Systems》的合著者Lynn Conway、Carver Mead的同门师弟Richard S. Muller。