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模拟电路设计_SPICE模型的前世今生 — 前世

SPICE模型的前世今生

1,前世

作为一个半导体老兵,一直以为集成电路行业标准,大名鼎鼎的SPICE模型是某个大型项目的结果,近来由于个人兴趣,查阅了一些资料,才知道了它的前世今生:加大伯克利分校一门研究生课程中阶段项目的课堂作业!类似于国内家喻户晓的“梁祝”只是两个音乐学院本科生毕业课题;当然,SPICE模型是站在前人的肩膀上才达到如此的高度,后文中有提及;前人把这壶水烧到了90多度,这组研究生继续烧,就到了100度沸腾了!

SPICE来自加利福尼亚大学伯克利分校的EECS (电子电气和计算机科学)部门,它是一个计算机程序,用来预测集成电路的电气特性。名称SPICE是“具有集成电路重点的仿真程序” (“Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis.”) 的首字母缩写。

1973年4月12日,在加拿大滑铁卢举行的第16届中西部电路理论研讨会上 (Sixteenth Midwest Symposium on Circuit Theory),一篇论文向世界宣布了SPICE 的问世,该论文的作者是加利福尼亚大学伯克利分校的Donald Pederson教授。当时没有人知道该论文和其描述的计算机程序对后世集成电路产业的巨大影响。

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Donald O. Pederson教授

尽管人们对SPICE的期望不高,但是发生的事情确实是惊人的:在短短的几年内,SPICE已在几乎所有的电气工程学校中获得认可,并且一些小的机构和初创公司开始向迅猛发展的集成电路行业提供SPICE衍生物。直到今天,大多数电气工程学校的学生都学会了如何使用SPICE或某些衍生产品。几乎每个处理电路网表的CAD工具都可以理解与原始SPICE 2G.6完全相同的网表描述。简而言之,SPICE在没有标准机构,委员会,会议,相关评估文章和政府机构的例行审核验证下就成为了行业标准。

当人们问为什么SPICE如此广泛地使用,或者伯克利做了什么使SPICE如此广泛地使用时,直接的回答是“什么都没做!”。但是人们可以推测,最大原因,这个可以直接归因于Don Pederson 教授,是SPICE从一开始就是在一所公立大学的公共域上开发的。由于SPICE主要是作为一种教学工具开发的,目的是为学生提供有关集成电路性能的预测能力,因此SPICE迅速被全世界许多工程学院所接受。当学生进入集成电路行业时,他们会写信给伯克利以获取一份SPICE的程序以用于他们的工作。因此,SPICE的扩散激增,使用量也增加了。

SPICE只是加州大学伯克利分校开发的最新电路仿真程序,它紧随BIAS,SLIC,TIME和CANCER以及许多其他鲜为人知程序的步伐, 也就是说是站在先行者的肩上。实际上,SPICE在很大程度上是Ronald Rohrer教授在1971年费城举行ISSCC会议上发表的论文中公布的CANCER项目的升级产品。

CANCER是60年代在伯克利开发的,是“不包括抗辐射的非线性电路的计算机分析” ( Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation ) 的首字母缩写,它是在这样一个时代,受政府资助的大型公司开发了许多电路仿真程序,并且政府要求其具有能够评估半导体电路抗辐射硬度的仿真能力而开发的。 CANCER这个名字其实是一个自负的声明,表明该程序不会模拟抗辐射,并且不受国防工业的资助!

实际上,CANCER是伯克利教学规划的衍生品,该规划是Ron Rohrer教授的一系列关于电路仿真课程的课堂项目。 Ron一直是一位创新的老师,他认为学生们通过实践比听他自己讲课会学到更多,当时规则是,只要Don Pederson 认可课堂项目的作业,学生们就都通过了电路仿真课程,但如果Don不喜欢该作业,那么这组学生就挂科了。 其中一个课程项目组的成员有:Laurence Nagel,Bob Berry,Shi-Ping Fan (范世平),Frank Jenkins,Joe Pipkin,Steve Ratner和Lynn Weber。Laurence Nagel负责向Don Pederson展示该作业程序并获得他的认可,可能是因为他过去曾与Don密切合作,每个学生都努力希望能通过此课程。

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Dr. Laurence W. Nagel

因此,SPICE的许多秘密在于Ron Rohrer指导的此类项目中。这组学生们开发了一个稀疏矩阵求解器,使他们能够仿真比以前程序可以处理的数量级大的电路,隐式积分算法的使用提供了更强大的瞬态分析功能。该程序具有半导体器件的内置模型,因此用户只需要提供一组模型参数即可,而不是提供FORTRAN例程来对器件进行建模。并且引入了伴随解决方案以实现快速灵敏度分析和噪声分析。

课程结束后,Don Pederson 教授从心底表示了认可,这组所有人都通过了该课程,之后 CANCER成为了Laurence Nagel的硕士课题。该程序在伯克利的本科生和研究生课程中大量使用,这给了他很多机会来提高电路仿真算法的性能。Laurence Nagel和Ron Rohrer花了很多时间进行头脑风暴,并改进了程序。尽管CANCER取得了成功,但仍有很多工作要做,Nagel以Don Pederson作为论文导师开始了博士学习。

CANCER这个名字并不是在该行业中最受欢迎的,主要是由于医学方面的原因,Nagel的第一项工作是找到一个新名字。他不知道花了多长时间想到了SPICE这个名字,因为无论如何,如果没有一个醒目的名称,整个项目就不会顺利推广,最终SPICE诞生了,Nagel 作为该程序的初始作者。 SPICE的某些版本于1971年发行,但业界公认SPICE (SPICE 1) 正式推出是1973年。

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SPICE 的初始版本是用 FORTRAN 语言编的,估计当时也没几种高级语言可选;笔者在 1983年学FORTRAN 时,同教研室的一位老师从美国进修回来,带回来一套 SPICE 程序,请我们这些学生帮助汉化,那是我第一次听到 SPICE 这个名字;学校有一台 VAX-750 超小型机,我每天手里拿着一个8吋软盘,分析注释 SPICE。感觉程序本身并不复杂,但参数,变量及注解特别多,最后似乎汉化也没完成,可能是里面的专业术语,词汇,参量太多,汉语中很难找到相应的词汇,但我的确通过了这门课程。

第16届中西部电路理论研讨会上人们特别感兴趣的是,SPICE仅具有用于双极晶体管的模型,因为这是在当时伯克利设计的全部。David Hodges教授 (对,就是那个提出Shichman-Hodges模型的David Hodges) 离开贝尔实验室 (Bell Lab) 加入伯克利后,情况发生了变化:他带来了一篇有关MOSFET电路仿真的论文,并且在一个周末将Shichman-Hodges模型植入SPICE,以便David教授有关MOSFET电路设计的课程。现在,SPICE开发已经变得非常复杂,以至将模型植入仿真器需要花费数月的时间,但那时只需花了一个周末。

在SPICE中引入MOSFET模型时,引入了两种目前仍存在于SPICE仿真器中的现象:直流收敛问题和瞬态分析中的时间步太短。 MOSFET是很复杂的器件,其电导摆幅大得离谱且电容很小。双极电路有时的确会出现收敛问题,但MOSFET总会出各种各样的问题。

用户界面没有设计的特别复杂,因为当时最重要的考虑是该程序必须不引起宕机。那时能做到最好的是大约50个节点和25个双极晶体管的仿真。如今,SPICE仿真器可处理数千倍大的电路!

随着SPICE程序的扩散激增,每天都有许多评论,报错,建议,投诉涌向伯克利。这里需要提到的是,Ellis Cohen是SPICE的不言而喻的无名英雄。 Ellis在伯克利读书时更偏重计算机,了解数据结构,内存管理和程序体系结构。 在Nagel 离开伯克利去贝尔实验室后Ellis 接手了SPICE并把它提升到了专业软件和行业标准SPICE 2G.6的水平 (SPICE 2)。 随后出现了许多许多SPICE版本。并且SPICE产生了许许多多博士论文和硕士项目。现在这是一个价值数十亿美元的行业。

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