米德教授奇人奇事

在Chris Miller所著《晶片戰爭》（CHIP WAR: The Fight for the World’s Most Critical Technology）一書中，多次提到Gordon Moore（1929～2023）與加州理工學院（California Institute of Technology）米德教授（Carver Mead）的互動。

在1965年，當Moore還在快捷半導體（Fairchild），手繪出從1959～1965年每一矽晶片中電晶體成長數字，總計只有5點數據，並預測未來成長會依照每1.5～2年以1倍的速度增加。Mead教授當時是快捷半導體的顧問，隨即將此稱之為「摩爾定律」（Moore's Law）。

Mead曾回憶，當時他正在研究半導體內電子的量子穿隧效應（tunneling effect），在此事後沒多久Moore就問他，穿隧效應要在很小的尺度才會發生，那電晶體可以做到多小的尺寸？Mead花了些功夫答覆此問題。

1968年，Mead提出電晶體尺寸微縮理論（scaling），也就是在MOS電晶體的閘極長度微縮同時，每一電晶體所需耗用的功率是與長度成平方的下降，同時電晶體速度卻等比例增加—即電晶體效能是隨著電晶體閘極長度微縮，而呈現3次方的改善。

當Mead在學術會議上，報告MOS微縮理論時，並預測未來1個晶片上可以有上億個電晶體存在，並沒有多少人相信Mead的理論。當時認為在這麼小的尺寸下，光是所產生的熱即足以燒毀整個電晶體。事實證明Mead是對的，Moore's Law橫跨超過50年時間，最主要的基石在於尺寸的微縮，而Mead的理論提供Moore's Law的理論基礎。

Mead在1970年代初期，即洞悉未來晶片上可以製作出眾多的電晶體，代表將擁有龐大的算力，其也因此建議英特爾（Intel）高層，發展電腦所需的晶片。

不過，如何有自動化的IC設計工具，處理日益複雜的電路設計，成為一個關鍵議題，Mead的研究隨即轉向IC設計。

Mead於1970年在加州理工學院開設VLSI課程，在課堂上並將學生所設計的各式IC，用統一的光罩，手刻出布局圖，最後完成矽晶圓的製作。這比國內晶片設計中心對學術界的服務，整整早了20年。Mead與Lynn Conway於1979年合著的Introduction to VLSI System，更是IC設計者手中的聖經。

Mead在1970年代初期，即投入Si compiler的研究，這是電路模擬及布局圖自動化的濫觴，造就現在EDA工具的產業。Mead更於1979年提出未來半導體產業，會由多數的IC設計公司（fabless），及較少數目的晶圓廠（foundry）所組成。這與同時期張忠謀先生，在德州儀器（TI）內部所提出foundry概念，不謀而合。

筆者在美國求學時，即久仰Mead大名。因為筆者的研究題目是化合物半導體的微波高速元件及積體電路，第一個發明出此類元件（1965年出現的GaAs MESFET）的正是Mead。化合物半導體很難成長出優質的氧化層，不像矽晶圓有高品質的二氧化矽，所以化合物半導體只能利用金屬作為閘極，直接接觸到半導體。此接觸（junction）因為材料不同，衍生很多的介面缺陷，因此電子幾乎無法在通道內（channel）運行。

Mead很技巧地利用此接觸所產生的空乏區（depletion），來控制電子數量，也由於電子遠離介面，所以能夠自由地運行。至今我們在無線通訊所使用的高頻元件，其運作方式依舊是使用Mead的原創。

Mead在2000年後，又回到基礎物理研究，尤其是量子的電動力學及重力理論。Mead似乎可以在不同的學術領域，來去自如，悠遊自得。

Mead於2022年榮獲日本的京都賞，獎金是5,000萬日圓。京都賞是由京瓷（Kyocera）已故創辦人，稻盛和夫於1984年所創立，獎勵全球對於前瞻技術、基礎科學及人文藝術等3個領域有傑出貢獻人士。華裔科學家鄧青雲博士，發明有機發光二極體材料，於2019年獲得京都賞；中國清華大學資訊科學教授姚期智博士，也於2021年獲此殊榮。

Mead的學術研究，由基礎的半導體元件，到IC compiler的原創，以至於VLSI設計，對於半導體相關的領域做出重大貢獻，在學術界還無人能出其右。他的洞察力及遠見，更激發整個半導體產業的發展，終究造福大眾。