芯片设计必弗成少的SPICE科普_电路_半导体

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来源：内容由半导体行业不雅观察（ID:icbank）转载自公众年夜众号「芯思想」，作者：赵元闯，感激。

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2011年2月20日，SPICE Circuit Simulation Program获颁IEEE里程碑（IEEE Milestone）牌匾，以表彰其对集成电路设计所做出的贡献。

该牌匾放在美国加州大学伯克利分校电气工程大楼（Cory Hall）正门口，由于SPICE的三个版本都是Cory Hall大楼内开拓完成的。
牌匾上刻文：

SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）于 1969-1970 年作为班级项目在加州大学伯克利分校创建。
它发展成为环球标准的集成电路仿真器。
SPICE已被用于对学生在电路仿真繁芜性方面进行培训。
SPICE及其衍生产品已成为险些所有集成电路设计职员都采取的必不可少的工具。

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) was created at UC Berkeley as a class project in 1969-1970. It evolved to become the worldwide standard integrated circuit simulator. SPICE has been used to train many students in the intricacies of circuit simulation. SPICE and its descendants have become essential tools employed by virtually all integrated circuit designers.

SPICE的出身

SPICE是Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis的缩写，由加州大学伯克利分校（UCBerkeley）的电工和打算机科学系开拓，骨干是Ronald A. Rohrer和Laurence Nagel，开始是利用FORTRAN措辞设计的仿真软件，用于快速可靠地验证集成电路中的电路设计以及预测电路的性能，是一种功能强大的通用电路级仿照仿真器，紧张用于集成电路的电路剖析，SPICE的网表格式变成了常日仿照电路和晶体管级电路描述的标准。

1970年。
当时Ronald A. Rohrer刚刚从仙童半导体（Fairchild）返回加州大学伯克利分校，担当电机工程与打算机科学系的教授。

由于刚回到学校，Ronald A. Rohrer教授在给七个研究生上“电路综合”课时没来得及准备教材，以是，在第一堂课，他就宣告：学生们一起写一个电路仿真程序。

Ronald A. Rohrer跟系里的管传授教化的主任Donald O. Peterson教授达成一个协议：只要Peterson教授认可学生们写的仿真程序，他们就全部通过。
否则的话，他们就全部不及格。

当课程结束，大学同等保举Laurence Nagel为代表向Peterson教授申报请示成果，这个成果便是CANCER（ComputerAnalysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation不包括辐射的非线性电路打算机剖析），Peterson教授给予了认可。

1971年秋，CANCER更名为SPICE，并发送给友好用户（friendly users）；1973年4月12日，Donald O. Peterson教授在第十六届中西部电路研讨会（Sixteenth Midwest Symposium on Circuit Theory）上先容SPICE论文，SPICE才开始让全天下认识。

初版于1971年由Laurence Nagel等七名研究生在Ronald A. Rohrer教授辅导下开拓完成，Ronald A. Rohrer教授在1971年国际固态电路会议（ISSCC）上揭橥的一篇论文中宣告。
1975年在Donald O. Peterson教授辅导下推出正式实用化版本。
1983年发布的SPICE2G.6在很永劫光内都是工业标准，它包含超过15000条FORTRON语句，运行于多种中小型打算机上。
1985年SPICE3推出，转为用C措辞开拓，易于运行于UNIX事情站，还增加了图形后处理工具和事理图工具，供应了更多的器件模型和剖析功能。
1988年被定为美国国家工业标准，紧张用于仿照电路、数模稠浊电路、电源电路等电子系统的设计和仿真。

这七位天才学生是：Laurence W. Nagel（UCBerkeley，1969年学士、1970年硕士、1975年博士）、Bob Berry、Shi-Ping Fan、Frank Jenkins、Jesse Pipkin、Steve Ratner和Lynn Weber。

SPICE的意义

在SPICE涌现之前，设计职员剖析电路，要么是用笔和纸，要么就要搭电路板（breadboard）。
Donald O. Peterson教授就被学生们称之为“信封教授”，由于他认为电路剖析用个信封的背面来做就足够了。
但随着电路规模的增大，用笔纸变得越来越不可能，搭电路板又不能精确反应芯片上的电路特性，而且用度也越来越高。

电子产品的设计一样平常先从功能框图开始，然后细化到事理图，还要经由很繁芜和繁琐的调试验证过程，终极才能完成。
为了验证事理图的精确性，都要焊接实验板（样板），或利用易于插件的“面包板（breadboard）”，每个节点都必须精确和可靠，连接或焊接过程都是细致而耗时的事情，在器件很多时险些是不可能完成的任务，而每次调度都要打样，耗时长而本钱高，在设计集成电路时更是如此，急需在制造之前验证集成电路的功能。
这种现实须要就迫使人们想用他办法来办理。

根据电路理论，人们可以建立起节点方程和回路方程，通过解这些方程组成的方程组就可以得到结果，也便是说可以通过打算来得到电路的事情情形。
但包含电感、电容等器件的电路形成的是一组微分方程组，人工打算依然是累人的活，而打算机则可以大展技艺，通过其强大的存储、打算和图形显示能力就能轻松完成，很快得到结果。

用软件来做电路仿真就变得日益急迫了。
基于这种思想，人们开拓出电路仿真软件，通过快速的仿真，代替耗时且累人的反复调测，提高设计速率和效率，也节省了韶光和本钱。
最早、最出色的仿真软件便是SPICE。

很多SPICE里面的基本要素都来自于Rohrer教授辅导的这堂“电路综合”课，包括解稀疏矩阵的模块（使得可处理的电路规模成倍的增大）、隐式积分算法的利用（使得瞬态剖析更加稳定）。
并且程序里加入了自带的半导体器件模型，用户只须要给出一组模型参数，用不着自己供应器件模型的FORTRAN模块了。

SPICE不仅仅是一个用于传授教化的大略程序。
它是第一个结合稀疏矩阵剖析以许可对大型电路进行经济仿照、对组件变革和噪声的敏感性进行伴随剖析、用于“首次切割”设计的内置设备模型以及通过过渡演化的大略用户界面从打孔卡（punched cards）到哑终端（dumb terminals）再到繁芜的事情站。
SPICE的开拓职员首次广泛供应源代码，使其他人能够贡献更繁芜的设备模型和额外的剖析功能。
这些成分匆匆成了其在开源和专有电路仿真软件的后续开拓中的主导地位。

SPICE是开源代码先驱

当时有许多开源代码，但都没有太大的商业代价。
SPICE就不同了，有人已经看到它的商业代价，但Peterson教授坚持要把代码开源，我们都得至心的感谢Peterson教授。
任何人只要花20美元的手续费，就可以得到SPICE的源代码。
当然，在冷战期间，SPICE被禁止出口到政府认为的“共产国家”。

SPICE的发展

自SPICE问世以来，其版本的更新持续不断，有SPICE2、SPICE2G6、SPICE3、SPICE3f5等多个版本，新版本紧张在电路输入、图形化、数据构造和实行效率上有所增强，业界普遍认为SPICE2G6是最为成功和有效的，往后的版本仅仅是局部的变动，现在常用的各种SPICE工具都是基于公开拓表的SPICE 2G6版的源代码。

从1970年代到如今超过五十年的韶光里，SPICE从只能仿真十几个元器件规模到本日可以仿真上千万个元器件规模的电路，取得了非常惊人的造诣。
SPICE是一个解非线性常微分方程的工具，但由于要改变SPICE的基石很难，以是1990年代中期的SPICE没有太大的变革。

SPICE的基石包括：改进的节点剖析法（Modified Nodal Analysis）、稀疏矩阵解法（Sparse Matrix Solver），牛顿-拉夫逊迭代（Newton-Raphson Iteration）、隐性数值积分（Implicit Numerical Integration）、动态步长的瞬态剖析（Dynamic Time Step Control）、局部截断偏差（Local Truncation Error）等等。

目前主流的商用SPICE包括新思科技（Synopsys）的HSPICE & FineSim SPICE、楷登电子（Cadence）的Spectre& APS、西门子（Siemens EDA）的ELDO& AFS、芯师科技（Silvaco）的Smart-Spice，国产厂商华大九天（Empyrean）的ALPS、概伦电子（Primarius）的NanoSpice&NanoSpice Giga具有一定竞争力。

当然，除了由EDA公司供应的商业SPICE外，还有便是一些老牌的半导体公司自行在内部开拓的SPICE，不用来发卖，包括IBM、英特尔（Intel）、德州仪器（TI）、亚德诺（ADI）、意法半导体（STM）和英飞凌（Infineon）等公司，这些半导体公司的SPICE基本都会有自己的器件模型。
据悉，TI就把内部的SPICE现在也拿来开源了。

SPICE的优点是其精确性，但是缺陷也很明显，对付可以仿真的规模和速率有一定的限定，一样平常用于小规模和高精度的仿真运用。
因此在此根本上发展了另一类晶体管级仿真器FastSPICE，范例如新思科技（Synopsys）的NanoSim、HSIM（2004年收购Nassda）、FineSim Pro（2011年收购Magma）和CustomSim（XA）；楷登电子（Cadence）的UltraSim（2003年收购Celestry，这里要提一下，UltraSim最早由BTA开拓，BTA为概伦电子团队于1993年与胡正明教授所创建，BTA于2001年与戴伟民博士的Ultima公司合并成Celestry）和Spectre XPS；西门子（Siemens EDA）的ADiT（2006年收购EverCAD），概伦电子的NanoSpice Giga等，用于处理大规模电路仿真和全芯片验证。
FastSPICE采取了大量的加速仿真的技能，例如Table Model和Event Driven的电路partition等，并对电路进行简化，在捐躯一定仿真精度的情形下处理大规模电路仿真的需求，如定制数字电路、存储器、SOC全芯片仿真和验证等。
在实际的运用中，SPICE每每用于高精度仿照电路和小模块的定制数字电路和存储器模块，FastSPICE每每用于大规模后仿电路、大模块定制数字电路、存储器和全芯片SOC的仿真和验证等。

SPICE在中国

值得一提的是，国产EDA公司在SPICE方面取得了重大进步。

2016年概伦电子的NanoSpice Giga提出了一个全新的观点GigaSpice，以SPICE的引擎和精度去取代FastSPICE的运用以避免FastSPICE造成的精度缺失落，并供应比FastSPICE更快的速率，在业界领先的超大规模存储器设计和大规模后仿仿照电路中得到了国际市场认可和运用。

华大九天在2018年正式推出业界首款异构并行仿真系统Empyrean ALPS-GT™，基于大算力异构平台和独创的异构智能矩阵求解技能SMS-GT，极大的提升了电路仿真的性能，保持100% True SPICE精度，性能比较CPU架构的SPICE提升了10+倍。
ALPS-GT的推出，办理了FastSPICE及引入fastspice技能的spice精度不足，而传统SPICE及并行SPICE性能和容量又不足的问题。

开源SPICE

末了有必要说说开源的NGSPICE。
自从上世纪九十年代后，有一批SPICE的爱好者及高校把SPICE3f5接过来，并整合了其他几个开源软件，包括xspice、cider、gss、adms等，建成了NGSPICE。

NGSPICE是一款通用（general-purpose）电路仿真程序（circuit simulation program），适用于非线性和线性剖析（nonlinear and linear analyses）。
电路中可以包含电阻器（resistors）、电容器（capacitors）、电感器（inductors）、互感元件（mutual inductors）、独立或受控的电压和电流源（independent or dependent voltage and current sources）、非丢失性(loss-less)和丢失性（lossy)的传输线(transmission lines)、开关（switches）、均匀分布电阻电容网络(uniform distributed RC lines)、以及5种最常见的半导体器件：二极管（diodes）、双极性晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、金属半导体场效应管（MESFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
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NGSPICE是SPICE3f5的版本更新，SPICE3f5是UCBerkeley大学的SPICE3仿真器系列的末了一个发布（release)出来的版本。
NGSPICE新加入了许多特性，并修复了SPICE3f5中的不少毛病。
开拓一个像电路仿真程序这样的繁芜的软件是非常困难的，除了增加新的特性外，大部分的事情在于代码除虫（bug fixing）和代码的重构（code refactoring）。

NGSPICE对付半导体器件（semiconductor devices）有内建的模型（built-in models），利用者只须要设置干系（pertinent）的模型参数（model parameter values）就可以利用。

NGSPICE支持稠浊级别（mixed-level）的仿真，并供应在技能参数（technology parameters）和电路性能（circuit performance）之间的直接连接（direct link）。
比较独立进行的电路或器件仿真（stand-alone circuit or device simulator），通过将电路中的关键器件数字化建模（numerically modeling），稠浊级别的电路和器件仿真可以供应更高的仿真精度（greater simulation accuracy）。
组合的模型（Compact models）可以用于其他的器件中。
稠浊模型在NGSPICE中的扩展（extensions）即为CIDER, 一种稠浊了电路级别和器件级别的集成仿真。

NGSPICE通过集成XSPICE支持稠浊旗子暗记的仿真（mixed-signal simulation）。
XSPICE软件由佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）开拓，作为SPICE3C1的一个扩展，现在已经移植进入了NGSPICE，并进行了增强，供应了板级（board level）和稠浊旗子暗记（mixed-signal）的仿真。

XSPICE 扩展同样支持纯粹的数字电路的仿真（pure digital simulation）。

NGSPICE在缓慢的进化着，但比起商业SPICE进展的速率慢多了。
目前很多学术研究在利用。

参考：

1、ngspice简要先容和安装，作者：dc lin

2、推动IC设计革命的七大EDA技能工具，作者：赵元闯

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