1983 年，我在匹兹堡郊外一个度假村里举行的研讨会上第一次见到了卡弗·米德（Carver Mead）（见图14-1）。那时杰弗里·辛顿创建了一个小组来探索神经网络研究的发展趋势。米德因其在计算机科学领域的重要贡献而闻名。他第一个认识到，随着大规模集成电路芯片上的晶体管变得越来越小，芯片将越来越高效，计算能力也应该会持续增长很长一段时间。他还创造了“摩尔定律”这个术语，根据戈登·摩尔（Gordon Moore）的观察，芯片上的晶体管数量每18 个月会翻一番。1981 年，卡弗发明了硅编译器，从此成为业界传奇。硅编译器是一种自动在芯片上设计系统级功能模块和布线的程序。2 在硅编译器诞生之前，每款芯片都是由工程师基于经验和直觉手工制作出来的。从本质上讲，米德的解决方案是让计算机自己设计芯片。这是我们迈向纳米工程的起点。

图14-1　1976 年的卡弗·米德。正是在那段时期，他在加州理工学院创造了第一个硅编译器。卡弗是一位有远见的人，他的洞察力和引领的技术进步对数字和模拟计算产生了重大影响。桌上的电话暗示了照片的拍摄时间。图片来源：加州理工学院。

米德是一位颇有远见的人。我们曾一起在匹兹堡郊外参加一个研讨会。尽管大家挤在楼上一个小房间里的桌子边上讨论，但是正在进行着的是一场关于超级计算机的会议。当时Cray 和Control Data 等主流超级计算机公司正在设计专用硬件，比我们实验室的计算机快了数百倍，售价高达1亿美元。Cray超级计算机速度如此之快，不得不用氟利昂进行液体冷却。米德告诉我，超级计算机公司还不知道，通用微处理器将会占领它们的市场，这些公司很快就会销声匿迹。虽然比超级计算机中的专用芯片慢得多，但得益于因缩小基本器件尺寸所带来的成本压缩和性能改进，个人计算机中的微处理器进化得比超级计算机中的还要快。现在手机中的微处理器的计算能力是20 世纪80 年代Cray XMP超级计算机的10倍，现在的高性能超级计算机拥有数十万个微处理器核心，每秒进行的浮点运算达到了千万亿次级别，比已经消失的Cray 超级计算机快100万倍。考虑到通货膨胀，两者的成本大致是相同的。

在1983 年的那次研讨会上，米德向我们展示了一个硅视网膜，它使用了与超大规模集成电路芯片相同的制造技术，但使用了模拟而非数字电路。在模拟电路中，晶体管上的电压可以连续变化，而数字电路中的晶体管只能采用“开”或“关”两个二进制值中的一个。人的视网膜上有一亿个光感受器，与相机将信息从光子桶（photon buckets）传动到记忆体的方式不同，视网膜具有多层神经处理功能，可将视觉输入转换为高效的神经编码。视网膜的所有处理过程都是模拟的，直到其编码信号到达神经节细胞，神经节细胞将这些信号沿着100万个轴突，以“全或无”的放电脉冲形式传送到大脑。脉冲信号的“全或无”特征就像数字逻辑，但放电脉冲的时间是一个模拟变量，没有时钟同步，因此放电脉冲序列是一种混合编码。

在米德的视网膜芯片中，处理过程的分级部分是通过使用位于阈值拐点以下，从“关”到接近“关”状态的电压来完成的。与之相反，在数字模式下运行时，晶体管迅速跳到完全“导通”的状态，这需要消耗更多的功率。因此，模拟超大规模集成电路芯片仅消耗数字芯片所需能耗的一小部分，从纳瓦到微瓦，而不是从毫瓦到瓦，能量效率提升了数百万倍。米德是神经形态工程的创始人，他致力于构建基于大脑式算法的芯片，在1989 年，他表明嵌入在昆虫和哺乳动物眼睛神经环路中的神经算法，可以有效地复制到芯片上。3

视网膜芯片是米德的明星研究生米莎·马霍沃德（Misha Mahowald）于1988 年创造的一项令人印象深刻的发明（见图14-2）。4 她在加州理工学院读本科时主修的是生物学。在研究生阶段，她从事的是电子工程领域的工作。这两个领域的结合所带来的洞见帮助她获得了四项专利。1992 年，她的博士论文描述了在芯片上的实时双目匹配，这是第一个真正使用集群行为完成艰巨任务的芯片。为此她获得了加州理工学院的米尔顿和弗朗西斯·克拉泽奖（Milton and Francis Clauser Prize）。1996 年，她的名字还被列入了国际技术女性（Women in Technology International，WITI）名人堂。(www.daowen.com)

图14-2　1982 年，加州理工学院的米莎·马霍沃德作为卡弗·米德的学生，创造了当时世界上第一个硅视网膜。她对神经形态工程的贡献是开创性的。图片来源：托比·德尔布吕克。

晶体管在阈值附近的物理特性，与生物膜中离子通道的生物物理特性之间存在密切的对应关系。马霍沃德与牛津大学的神经科学家凯万·马丁（Kevan Martin）和罗德尼·道格拉斯（Rodney Douglas）合作开发过硅神经元，5 并随同他们一起搬到了苏黎世，帮助他们在苏黎世大学和瑞士联邦理工学院建立了神经信息学研究所（见图14-3）。然而后来，在经历了抑郁症的折磨之后，米莎于1996 年结束了自己的生命，时年33 岁。一位杰出的新星就此陨落。

图14-3　硅神经元。该模拟大规模集成电路芯片具有类似于神经元中离子通道的电路，能够实时对神经回路进行仿真操作，正如米莎·马霍沃德在芯片上绘制的卡通图所示。图片来源：罗德尼·道格拉斯。

卡弗·米德于1999 年从加州理工学院退休后搬到了西雅图，2010年我去拜访过他。在他家的后院，可以看到飞机飞过水面有序地降落到Sea-Tac 机场。他的父亲是一位工程师，在大溪水电项目的一座发电厂工作，该项目是位于加州中部内华达山脉圣华金河上游系统的一个大型水电项目。从早期的水电技术向微电子技术的飞跃，仅仅花了一代人的时间，真令人难以置信。卡弗的爱好是收集用于悬挂电线的古董玻璃和陶瓷绝缘子。如果你选对了地点，就会像寻找散落的印第安箭头一样轻松地找到它们。卡弗目光长远（他拥有一台激光陀螺仪，曾经被用来测试量子物理学的新方法），6而他之所以如此高效，是因为他致力于打造不仅能够正常运转，还可以被你拿在手中把玩的东西。