誰是 VLSI 之父？
半導體產業是台灣的護國神山，也是推動現代科技的明星產業，從剛開始的一顆電晶體到現在一個晶片上數十億個電晶體，進步之快沒有其他產業可以相比。這是許多人共同努力的結果，其中大家最熟知的有：Shockley, Kilby, Moore, 張忠謀，等。這些人常被冠上半導體之父，IC之父，半導體產業之父。.他們有的是發明家，有的有遠見，有的是企業家。但有誰真正具有這些特質於一身，並且把IC產業如此迅速的推到今天這種地步？並不是他們，真正夠資格被稱為VLSI之父的是 Carver Mead. 是他預測了摩爾定律可以一直延伸到次微米等級，是他預測可以將百萬顆以上的元件放在同一個晶片上，是他引進電腦輔助電路設計，他是世界上第一個開授大型積休電路設計課程的人，他寫了世界上第一本VLSI教科書，他是第一個提出半導体 foundry 概念的人，他是類神經網路的先驅，並製作了第一個類神經網路晶片。沒有他就不會有今天如此先進的半導體技術。
Carver Mead 是加州理工學院教授，今年90歲。他從18歲到加州理工學院讀書開始一直到今天都沒有離開過。但他卻與 IC 產業有密不可分的關係。我第一次聽到他的名字在1973年剛到那裡讀書時，在同一宿舍裡有兩位同學是他的學生。一個在電機系一個在化學系，做的研究南轅北轍，可是卻有同一個指導教授。我那時候就很好奇，怎麼會有這樣一個多才多藝的人。
Mead 在1959年拿到博士後就留校執教。他的指導教授是 Middlebrook，當我在那裡做學生時， Middlebrook, Mead 還有一位 Mead的學生 Tom McGill, 都同時在那裡教書，他們三個人的研究方向都不相同，Middlebrook 是在功率電晶體及線路，Mead 在VLSI的設計, McGill 則在純固態物理。這很有意思，系出同門的三個人居然做不同的研究。從這一點就可看出加州理工學院培養人才與眾不同之處。他們培養的不是一個專才，而是一個能開創新領域的科學家。這一點與許多其他地方不一樣，很多學校裡的教授培養出來的人好像同一個模子出來的，他們永遠都在做同樣的事。而這三位都是了不起的科學家。
從1959年起Mead 就開始在 Fairchildchild semiconductor做顧問。他與Moore是加州理工學院前後期校友，Moore 是學化學的，Mead 在物理及半導體元件上可以提供很多幫助。後來 Intel成立，Mead 仍是他們的顧問。他在第一線看到晶片製作中所遭遇的難題，及未來可能遭遇的瓶頸.。1965年 Moore 根據他有限的數據，畫出了著名的晶片上元件數目對時間的關係圖，在semi log plot 上這條呈直線的圖，他不知道能夠延伸多長，當時在單一晶片上所能夠製作的元件是有限的，他就問 Mead這條線有沒有盡領？Mead根據他物理的知識，提出了元件的 scaling law. 當元件尺寸縮小時，單一晶片上能夠容納的元件數目就越多，不僅如此，速度會更快，消耗的能量也會更低，在物理上它可以不斷地縮小直到受到量子效應的限制。在1968年，當他提出這個觀點時，就意識到未來這條Moore曲線會一直延伸下去，單一晶片元件的數目將可達到百萬以上，而元件的尺寸將是次微米的奈米等級。這個預言在當時是不可思議的，因為當時的工藝遠遠不能達到這樣水準。很多人對他的預言抱持懷疑的態度。後來事實證明他確實是對的。雖然Moore發現了元件數目成長的趨勢，但是Mead把它稱之為摩爾定律（Moore’s law)。
當他預見到在單一晶片上要容納如此龐大數目的元件時，他知道晶片的製作及積體電路的設計必須要做革命性的改變，不可能再用人工把這些元件一個一個畫出來，也不可能能用人工來做這麼複雜的設計。於是他就和學生著手研究如何用電腦輔助來做電路的設計及佈局（lay out)。藉由這些努力，他大大的縮短了電路設計及製作的時間，他1969年開始在加州理工學院開數位積體電路設計課程，用他所開發出出來的模型及軟體教導學生如何自己設計一個積體電路並且把他們想要的佈局形式用電腦畫出來。這就是 computer, aided design (CAD)的開端。在課程中他把學生所設計的電路及佈局放在一起，做成光罩，由Intel把他們做出來。做出來後，學生們再一一地去測試。這個計劃被稱之為 MOSES, 他的意思就是說像摩西當年帶領以色列人出埃及一樣，他要帶領這批學生及 IC設計進入一個新的領域。他這種授課方式，後來變得非常popular，成為各學校模仿的對象。最後他與 Xerox的 Lynn Conway 把這套用電腦輔助設計電路的方式寫成 introduction to VLSI systems. 這是第一本有關 VLSI 的教科書。
從那時候開始，積體電路設計就可以由設計人員在電腦面前完成，而不必實際進入半導體工廠。他的這套方法造就了成千上萬的晶片設計工程師。他在1980年代初意識到晶片設計和晶片製作是可以分開進行的，所以他也是 fabless design house 及 Silicon foundry 的原創者。當然後來在80年後期，台積電的成立讓這個 idea成為事實。今天積體電路可以變得這麼大，台積電和聯發科可以這麼成功，都要拜 Mead. 的貢獻。
Mead 也是將神經網絡實現在晶片上的第一人。在1981年他與Feynman 和John Hopfield 合開了一門課叫做 Physics of Computation，探討人腦如何計算及其物理。這三人都是傳奇人物。Feyman 是公認的天才，物理諾貝爾奬得主，Hopfield原來是著名的物理學家，後改習生物，是神徑網路研究的鼻祖。Mead則是橫跨電機與計算機。這三人聯手，能擦出的花可想而知。那時還沒人工智慧這個名詞，但他們所做的就是想用電子電路做人腦的事。
Mead 本來是做元件物理的，後來走向電腦輔助設計，後來又進入電腦科學.。他在基本元件物理上的貢獻也很大，很少人知道他是 GaAs MESFET 的發明人。但他意識到當一個積體電路變得很大的時候，單一元件的性能並不見得很重要，重要的是如何安排這些元件。就好像一個大都市，都市的規劃遠比單一建築的設計來得重要。他和他學生所開發出來的技術很多都成為VLSI 發展歷史中的里程碑。
Mead 不是一個只待在辦公室或實驗室的人。他在電子領域的創新幾乎都能實現在產業上。他前後創辦或協助創辦超過20個公司。這些公司的技術都是由他實驗室開發出來的。
Mead不是一個安於現狀的人，他總在尋找新的方向，近年來他的興趣又轉到最基礎的物理，在近90歲的高齡他仍著述不斷，光是去年他發表的論文，包括cosmology, gravitation, superconductor ⋯⋯. 他的興趣和研究領域無所不包，在2002年他還出版了一本書名為 Collective Electrodynamics: Quantum Foundations of Electromagnetism。他提出了一種與傳統截然不同的電磁學理論，他用光子，電子與物質最基本的量子行為來描述電磁現象，而不使用 Maxwell’s equations。我沒有仔細看過這些文章，所以很難對他們加以評論。但可以看出他的每一項研究都是創新性的革命性的，沒有一項是跟在別人後面的。
Mead說過他是用物理的知識及自然的現象來解決工程的問題。他同時扮演了科學家和工程師的角色。現在產業界最缺乏的是那種有遠見，且有能力將它實現的人。而很多科學家的想法又常不切實際。因此這兩者之間常是脫節的。產業界不敢嘗試新的東西，因為他們對新的東西沒有把握。那些從事尖端科學研窮的人，又不瞭解工程上及產業界的問題和需要。這種現象在台灣特別嚴重。學校訓練出來的要麽是工程師要麼是科學家，而不是會解快工程問題的科學家或有能力帶領產業界創新及對未來有足夠影響力的工程師。
Carver Mead 是很好的榜樣。他本質上是一個科學家，卻做了工程師的事。因為他這種特質，成就了一般科學家和工程師無法做到的事。我來講一個自己的例子，我曾在美國一家微波通訊公司做顧問。他們主要做微波電路的設計，其實我對這些一竅不通，可是我做顧問一作就將近20年。我是搞元件物理的，可是卻替他們解決了不少問題。其實任何工程上的問題都有背後的物理。一般工程師解決問題的辦法，通常只是 trial and error。這種方法不僅常常找不到問題的癥結，而且很沒效率。 而我卻能從基本物理，找出真正的原因並提出解決的方法。我雖不會設計電路，但我知道他們想要什麼，而用我的基礎物理知識做出一些實際有用的東西。我每年只有暑假去幫忙， 20年過去我對微波電路依然一無所知，但卻為他們解決了不少問題。
現在的IC產業分工很細，很多工程師覺得基礎物理没用，而學物理的人也認為工程上的問題與他們所學的無關。這是相當錯誤的觀念，不管什麼工程上的問題，都有它物理上的道理。只有這兩者合在一起才能讓科技不斷進步。
剛剛收到我妹妹寄來的一個訊息 Carver Mead 下禮拜要給一個演講，各位可以上網去聽。這個演講是針對一般人的，大家都能聽得懂。歡迎大家來聽。
 Carver is giving a talk at the Watson Series next Wednesday. You can watch the livestreaming. https://events.caltech.edu/calendar/watson-lecture-caltech-and-the-science-and-engineering-that-changed-the-world
再加一段我妹妹所寫關於 Carver Mead 的故事，他曾是她的指導教授
Professor Carver Mead admitted me to Caltech in 1979 and was my advisor in the first year of my graduate study. I made my one and only microprocessor using the computer aided design tool and the VLSI concept he pioneered. I remember the big printer that printed the circuits in different colors on a gigantic sheet of paper. I remember I made a single-bit asynchronous microprocessor out of his idea to break the speed limit of the the synchronous clock then. I remember I saw the shining golden circuits on a three quarter inch square chip when I received them from the fabrication factory and wanted to make it into a necklace 🥹. I remember Carver had a Chinese girl friend at that time and he had good impressions on Chinese students thus he accepted many Chinese students from Taiwan before and after me. I remember he had been in Caltech for 30 years when I got there and he had never watched Rose Parade once (I watched Rose Parade every year on the Colorado Blvd when I was a graduate student😀). I remember he had his group meeting on Saturday morning. He would take his students to lunch afterwards. One of their favorite restaurants was a Chinese restaurant called 全家福 (In early 80s, there were only two Chinese restaurants in Pasadena, one was 全家福 and the other was 聚豐園 - opened by the owner of Panda Express). I remember one time at lunch, some of the students decided to compete who can eat the most chili sauce on the table so they were eating the chili sauce by spoonfuls and their funny facial expressions was pretty unforgettable.
Professor Mead, now 90 years old, is going to give a lecture at Caltech next Wednesday, May 22. I wish I could be there to listen to his lecture again.
