米德教授奇人奇事

在Chris Miller所着《芯片战争》（CHIP WAR: The Fight for the World’s Most Critical Technology）一书中，多次提到Gordon Moore（1929～2023）与加州理工学院（California Institute of Technology）米德教授（Carver Mead）的互动。

在1965年，当Moore还在快捷半导体（Fairchild），手绘出从1959～1965年每一矽芯片中晶体管成长数字，总计只有5点数据，并预测未来成长会依照每1.5～2年以1倍的速度增加。Mead教授当时是快捷半导体的顾问，随即将此称之为「摩尔定律」（Moore's Law）。

Mead曾回忆，当时他正在研究半导体内电子的量子穿隧效应（tunneling effect），在此事后没多久Moore就问他，穿隧效应要在很小的尺度才会发生，那晶体管可以做到多小的尺寸？Mead花了些功夫答覆此问题。

1968年，Mead提出晶体管尺寸微缩理论（scaling），也就是在MOS晶体管的闸极长度微缩同时，每一晶体管所需耗用的功率是与长度成平方的下降，同时晶体管速度却等比例增加—即晶体管效能是随着晶体管闸极长度微缩，而呈现3次方的改善。

当Mead在学术会议上，报告MOS微缩理论时，并预测未来1个芯片上可以有上亿个晶体管存在，并没有多少人相信Mead的理论。当时认为在这麽小的尺寸下，光是所产生的热即足以烧毁整个晶体管。事实证明Mead是对的，Moore's Law横跨超过50年时间，最主要的基石在于尺寸的微缩，而Mead的理论提供Moore's Law的理论基础。

Mead在1970年代初期，即洞悉未来芯片上可以制作出众多的晶体管，代表将拥有庞大的算力，其也因此建议英特尔（Intel）高层，发展电脑所需的芯片。

不过，如何有自动化的IC设计工具，处理日益复杂的电路设计，成为一个关键议题，Mead的研究随即转向IC设计。

Mead于1970年在加州理工学院开设VLSI课程，在课堂上并将学生所设计的各式IC，用统一的光罩，手刻出布局图，最后完成硅片的制作。这比国内芯片设计中心对学术界的服务，整整早了20年。Mead与Lynn Conway于1979年合着的Introduction to VLSI System，更是IC设计者手中的圣经。

Mead在1970年代初期，即投入Si compiler的研究，这是电路模拟及布局图自动化的滥觞，造就现在EDA工具的产业。Mead更于1979年提出未来半导体产业，会由多数的IC设计公司（fabless），及较少数目的晶圆厂（foundry）所组成。这与同时期张忠谋先生，在德州仪器（TI）内部所提出foundry概念，不谋而合。

笔者在美国求学时，即久仰Mead大名。因为笔者的研究题目是化合物半导体的微波高速元件及集成电路，第一个发明出此类元件（1965年出现的GaAs MESFET）的正是Mead。化合物半导体很难成长出优质的氧化层，不像硅片有高品质的二氧化矽，所以化合物半导体只能利用金属作为闸极，直接接触到半导体。此接触（junction）因为材料不同，衍生很多的界面缺陷，因此电子几乎无法在通道内（channel）运行。

Mead很技巧地利用此接触所产生的空乏区（depletion），来控制电子数量，也由于电子远离界面，所以能够自由地运行。至今我们在无线通讯所使用的高频元件，其运作方式依旧是使用Mead的原创。

Mead在2000年后，又回到基础物理研究，尤其是量子的电动力学及重力理论。Mead似乎可以在不同的学术领域，来去自如，悠游自得。

Mead于2022年荣获日本的京都赏，奖金是5,000万日圆。京都赏是由京瓷（Kyocera）已故创始人，稻盛和夫于1984年所创立，奖励全球对于前瞻技术、基础科学及人文艺术等3个领域有杰出贡献人士。华裔科学家邓青云博士，发明有机发光二极管材料，于2019年获得京都赏；国内清华大学信息科学教授姚期智博士，也于2021年获此殊荣。

Mead的学术研究，由基础的半导体元件，到IC compiler的原创，以至于VLSI设计，对于半导体相关的领域做出重大贡献，在学术界还无人能出其右。他的洞察力及远见，更激发整个半导体产业的发展，终究造福大众。