Mead (BS '56, MS '57, PhD '60), Professor Gordon e Betty Moore de Engenharia e Ciências Aplicadas, Emérito, recebeu o Prêmio Kyoto de Tecnologia Avançada de 2022 em homenagem a suas "contribuições importantes para o estabelecimento do princípios para o projeto de sistemas VLSI." VLSI, que significa "integração em grande escala", é o processo de combinar milhões de transistores em um único chip que forma um circuito integrado e é a base dos computadores dos quais o mundo depende hoje. Mead, um ex-aluno distinto da Caltech, também recebeu a Medalha Nacional de Tecnologia em 2002 por seus esforços (agora conhecida como Medalha Nacional de Tecnologia e Inovação).

Mead e a engenheira de computação Lynn Conway escreveram o livro sobre o assunto, Introdução aos sistemas VLSI , que foi publicado pela primeira vez em 1978 e se tornou o livro-texto padrão mundial para design de chips. No entanto, o livro e a revolução VLSI surgiram de um curso de engenharia elétrica com um nome despretensioso, EE 281 - Semiconductor Devices, que Mead começou a ensinar para alunos de graduação e pós-graduação da Caltech em 1971.

O curso começou com a curiosidade de um aluno de pós-graduação, Richard Pashley (MS '70, PhD '74). No início dos anos 1970, o orientador de doutorado de Pashley, o físico aplicado James Mayer, tinha um escritório no mesmo andar do Steele Laboratory que o de Mead, então Pashley frequentemente o encontrava.

"Durante meu segundo ano, eu estava fazendo uma aula de projeto de circuito bipolar e entrei no laboratório de Carver, onde havia um grupo de alunos trabalhando com MOS [semicondutores de óxido metálico - construindo chips de computador], Pashley lembra." Eu disse , 'Por que não há aulas nisso?' E um dos alunos disse: 'Vá falar com Carver.'"

Então Pashley fez. Mead disse a ele para encontrar 25 alunos interessados ??em fazer o curso - se pudesse, Mead o ensinaria.

O interesse era alto. "Não foi difícil conseguir que 25 pessoas se inscrevessem", lembra Pashley. No entanto, manter esses alunos era uma questão diferente.

"Durante a primeira palestra, Carver disse: 'Isso vai ser um pouco diferente da sua aula normal. Não vou apenas ficar aqui parado e dar uma palestra. Você vai projetar um circuito MOS e ele vai ser fabricado na Intel. Se funcionar, você passa. Se não funcionar, você falha'", lembra Pashley. Na segunda sessão, dois terços da turma haviam desistido. Restaram apenas nove alunos. "Naquele ponto, fiquei preocupado que Carver dissesse que não faria isso. Mas ele interpretou isso como um sinal de que todos nós que permanecemos éramos dedicados, e nós éramos."

"Essa era uma parte inerente da metodologia de Carver", diz Doug Fairbairn , diretor de equipe do Semiconductor Special Interest Group no Computer History Museum, que cofundou a empresa VLSI Technology em 1980. "Você constrói coisas e as testa e aprende a melhorar eles."

Naquela época, os chips de computador eram projetados à mão em um processo meticuloso e caro. Depois de desenhar cuidadosamente várias camadas de um circuito em Mylar gradeado, os engenheiros tiveram que transferir cada camada individual do padrão para Rubylith – uma folha de Mylar coberta com uma fina camada vermelha. Essa camada poderia ser cortada no padrão desejado e removida do Mylar para criar o padrão inverso que seria fotografado, encolhido e depois usado como máscara para criar chips de computador. Mead desenvolveu um programa de computador simples, mas eficaz, capaz de codificar padrões de design de chip para enviar para uma plotadora Gerber - na época, o único dispositivo pelo qual um computador poderia gerar padrões geométricos complexos altamente precisos. O processo de design da Mead produziu padrões mais precisos do que o Rubylith padrão da indústria e exigiu muito menos recursos humanos.

A Intel, que se tornaria a maior fabricante de chips semicondutores do mundo, foi cofundada em 1968 pelo amigo de Mead, o ex-aluno da Caltech Gordon Moore (PhD '54) e Robert Noyce (que também foi cofundador da Fairchild Semiconductor em 1957 e inventou o sistema integrado circuito em 1959). Mead conheceu Moore - que mais tarde se tornou presidente do Conselho de Administração da Caltech - durante uma das expedições de recrutamento deste último à Caltech para Fairchild por volta de 1960, e os dois se tornaram amigos rapidamente, com Mead assinando contrato para consultar a Intel e fazer viagens semanais até o nascente Vale do Silício. Uma das vantagens de seu relacionamento amigável foi que Moore permitiu que Mead usasse a fábrica da Intel para fabricar os chips projetados por seus alunos,

Moore não saiu de mãos vazias da bolsa, que serviu como uma excelente ferramenta de recrutamento para a Intel. Muitos dos ex-alunos da classe de Mead conseguiram empregos na Intel em rápido crescimento, incluindo Pashley, Stuart Sando, Jr. (BS '71, MS '72), Edmund K. Cheng (MS '73, PhD '76), e o curador da Caltech Ted Jenkins (BS '65, MS '66) e Distinguished Alumnus Gerhard Parker (BS '65, MS '66, PhD '70).

Um dos objetivos da aula era que os alunos projetassem seus chips para serem o mais compactos possível, devido ao custo dos materiais e processamento envolvidos. "Costumávamos dizer que 'imóveis de silício custam um bilhão de dólares por acre'", diz Pashley. "O que aprendemos foi a arte de fazer esses circuitos pequenos e viver dentro das regras de design."

Cada aluno teve que projetar um registrador de deslocamento dinâmico, que é um circuito digital que transfere informações de um local para outro por meio de uma cascata de flip-flops - elementos que são estáveis ??em duas posições distintas e podem, portanto, armazenar um "bit" de informação ( um 1 ou um 0).

Nos chips de computador, uma série de transistores atua como um conjunto de interruptores liga-desliga em miniatura. Os padrões criados por esses interruptores permitem que as informações – na forma de sinais elétricos – sejam transformadas em um conjunto alternativo de sinais elétricos, processando as informações que eles carregam.

"A aula nos ensinou a pensar em três dimensões para criar um circuito", diz Pashley. Os circuitos que eles projetaram tinham quatro tipos de camadas: uma camada de difusão , onde impurezas (conhecidas como dopantes) foram introduzidas na pastilha de silício puro para modular sua condutividade; uma camada de polissilício , que definia os elementos de controle dos transistores; uma camada metálica , onde foram definidos os fios de interligação; e uma camada de contato , que fazia conexões entre as camadas condutoras. "Naquela época, quatro camadas podiam ser usadas para construir um circuito integrado. Agora, você pode ter centenas porque eles empilham transistores em cima de transistores como um prédio alto", diz Pashley.

Os nove alunos restantes naquele primeiro período da EE 281 em 1971 produziram oito projetos de circuitos - dois alunos se casaram e colaboraram em um dos projetos. Mead agrupou os designs dos alunos em um único "chip multiprojeto", teve os padrões gerados em uma loja Gerber local, providenciou para que as máscaras fossem feitas em um fornecedor de máscaras no Vale do Silício e entregou as máscaras a Gerhard Parker na Intel, que providenciou para que fossem fabricados.

Em janeiro de 1972, a fabricação foi concluída e cada aluno recebeu um chip e o testou no laboratório. "Surpreendentemente, todos eles funcionaram!" diz Mead. A partir daí, a classe cresceu a cada ano até que Mead parou de ensiná-la em 1977. "Correu a notícia de que este era o futuro", diz Mead.

Duas coisas importantes vieram da classe: em primeiro lugar, no campus, Mead trabalhou com Ivan Sutherland (MS '60, ex-Fletcher Jones Professor de Ciência da Computação da Caltech e ganhador do Prêmio Kyoto de 2012) para fundar a opção de ciência da computação da Caltech em 1976, com o Curso VLSI no coração da nova opção. "Consegui convencer Ivan de que os circuitos integrados guiariam a ciência da computação, e não o contrário", diz Mead.

Enquanto isso, Mead continuou a refinar e avançar seu processo de design de circuitos durante o curso. "Em todas as aulas que ensinei, aprendi tanto quanto os alunos", diz Mead, observando que também investigou questões fundamentais levantadas pelo design VLSI com Martin Rem, um dos dois pós-doutorandos contratados para trabalhar na recém-criada opção de ciência da computação.

"[Rem] e eu começamos juntos todo o negócio da teoria da complexidade VLSI: o que significa otimizar um projeto VLSI? No sentido de otimizar um programa? Quais são as métricas de custo? O que você faz? Como você atribui pesos para o que é importante? E isso deu início a toda uma maneira de pensar ", contou Mead em uma entrevista de 2020 para o Caltech Heritage Project.

Em 1976, a Xerox PARC (o laboratório de pesquisa com sede em Palo Alto fundado pela Xerox em 1970) convidou Mead para dar uma palestra sobre o VLSI, na qual ele forneceria uma visão geral do EE 281 e dos projetos de tese que surgiram dele. Foi lá que Mead conheceu Lynn Conway, da Xerox, com quem colaboraria na Introdução aos sistemas VLSI .

Após a palestra, Conway sugeriu que Mead escrevesse um livro sobre VLSI; Mead respondeu que ela deveria se tornar uma coautora, e eles poderiam escrever juntos. Na reunião seguinte, Conway mostrou a ele uma pilha de livros com cerca de 60 centímetros de altura que ela havia adquirido e que poderia ter algo a ver com o que ele estava ensinando. "Ela disse: 'Já li esses livros. Não há nada parecido com o que você está fazendo em nenhum deles. Serei sua coautora. ... E esse foi o início dessa colaboração", disse Mead. em 2020. "Eu já estava ensinando o curso há seis ou sete anos e o tinha muito bem planejado. Os primeiros capítulos foram principalmente colocar essa parte no papel." Os capítulos posteriores incluíram contribuições importantes de Conway e outros.

O trabalho no texto começou em agosto de 1977. Os três primeiros capítulos foram usados ??como notas de curso durante o outono de 1977 em cursos ministrados por Mead no Caltech e por Carlo Sequin na UC Berkeley. O texto completo foi usado posteriormente durante os cursos da primavera de 1978 dados por Ivan Sutherland na Caltech, por Robert Sproull na Carnegie Mellon University e por Fred Rosenberger na Washington University em St. Louis.

No outono de 1979, Conway e seus colegas da Xerox PARC organizaram o MPC79, a criação do primeiro chip multiuniversitário e multiprojeto. De universidades de todo o mundo, 124 designers contribuíram com 82 projetos de chips na ARPANET, a precursora da internet atual. Pat Castro, um dos colaboradores de Mead no início de sua carreira, que era então responsável pela fábrica de semicondutores da Hewlett-Packard, concordou em doar a fabricação de wafer. Os chips embalados foram enviados de volta aos projetistas em janeiro de 1980. Esse projeto se tornou o modelo do MOSIS — um projeto financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada que fornecia às universidades serviços de fabricação de chips.

Após a conclusão do livro em 1978, Mead e Conway tornaram-se líderes de torcida por suas ideias - e por uma metodologia modular e estruturada para design de chips - dando palestras em várias instituições acadêmicas, aconselhando empresas iniciantes e trabalhando com agências governamentais. Mead se lembra de estar exausto naquele ponto, mas a cultura que eles criaram estava ganhando vida própria: as universidades estavam desenvolvendo cursos voltados para o ensino de VLSI, e a indústria privada estava produzindo ferramentas avançadas de design e chips de alto desempenho baseados no Mead- Paradigma Conway.

"Estamos literalmente 40 anos depois, e essa metodologia se tornou o padrão na indústria", diz Fairbairn, do Computer History Museum. "Carver sempre esteve muito à frente do jogo. ... O único erro que Carver cometeu foi chegar cedo demais."

Indivíduos que haviam feito o EE 281 ou ouvido as várias palestras de Mead sobre o assunto estavam se espalhando por toda a indústria. Inspirados pelo que aprenderam, eles promoveram e, mais importante, promoveram a tecnologia em suas próprias carreiras.

Por exemplo, depois de fazer a primeira turma EE 281 em 1971, quatro dos alunos de Mead - Pashley, Sando, Lee Britton (BS '73) e Yoshiaki Hagiwara (BS '71, MS '72, PhD '75) - colaboraram para projetar e construir um chip multicomparador de 128 bits fabricado na Intel.

Depois de ajudar a projetar o multicomparador quando estudante, Hagiwara, agora um ex-aluno distinto da Caltech, desenvolveu um interesse em sistemas de detecção eletrônica e escolheu trabalhar em um sensor de imagem de dispositivo de carga acoplada (CCD) para seu trabalho de doutorado. Depois de conseguir um emprego na Sony em 1975, ele desenvolveu tecnologias, incluindo um sensor de imagem supersensível à luz que ainda está em uso hoje.

"Acredito que todos esses trabalhos se tornaram possíveis porque recebi uma educação excelente na Caltech, especialmente do Prof. CA Mead, Prof. James McCaldin [BS '50, MS '51, PhD '54] e TC McGill [MS '65, PhD '69], que orientou minha carreira", escreveu ele em um e-mail.

"A aula de design EE 281 MOS de Carver mudou minha carreira do que seria um cientista pesquisador da IBM ou HP Labs para um engenheiro de design e gerente geral da Intel", acrescentou Pashley. "Tenho uma dívida de gratidão com Carver Mead por sua disposição em ensinar esta classe. Sua liderança educacional inspirou muitos alunos da Caltech."

Além disso, Mead, com dois de seus ex-alunos - Cheng e David L. Johannsen (BS '78, MS '78, PhD '81) - em 1981 co-fundou a Silicon Compilers Inc., que desenvolveu software para obter especificações e usar para gerar automaticamente projetos de circuitos integrados. A tese de doutorado de Johannsen apresentou, pela primeira vez, a compilação de silício – a geração automática de um circuito integrado por um programa de computador com base nas especificações do usuário.

Cheng, em entrevista ao Computer History Museum em 2014 , disse que os professores universitários dos anos 70 tiveram muitos relacionamentos na indústria de computadores. Cheng lembrou que Mead traria profissionais do setor para ajudar a orientar seus alunos sobre quais habilidades eram necessárias no mundo real. "Então, eles diriam, bem, você deveria pensar em fazer isso, tentar aquilo. Isso acaba sendo imensamente útil. É melhor do que aprender essas coisas de matemática em uma aula teórica, deixe-me dizer a você", disse ele.

Mead começou a lecionar na Caltech em 1958. Ele detém mais de 80 patentes nos Estados Unidos e escreveu mais de 100 publicações científicas. Este ano, os ganhadores do Prêmio Kyoto são Mead, em tecnologia avançada; o biólogo populacional Bryan T. Grenfell, da Universidade de Princeton, em ciências básicas; e o músico Zakir Hussain em artes e filosofia. Em 2007, o Prêmio Kyoto foi concedido a Hiroo Kanamori , Professor Emérito de Geofísica John E. e Hazel S. Smits, em homenagem a suas "contribuições significativas para a compreensão dos processos físicos de terremotos e desenvolvimento de sistemas de mitigação de riscos sísmicos para proteger humanos vida." Em 2019, o astrofísico da Caltech James Gunn(agora na Universidade de Princeton) recebeu o Prêmio Kyoto por sua liderança no Sloan Digital Sky Survey, que produziu um mapa cósmico digital 3-D abrangendo uma ampla região.

"O Prêmio Kyoto é especialmente precioso para mim porque reconhece a contribuição, não apenas para a tecnologia, mas, ainda mais, para o espírito humano", diz Mead.