SPICE的變異與進化

SPICE最初是用來做小型電路仿真的。電路中的元器件數也就幾十最多到幾百個。隨著電路規模越做越大，電路種類越來越多，人們會問：SPICE能不能跑得更快一些，能運行的電路更大一些？自然而然的，SPICE的變種就出現了。我們在這兒講三個方面：第一是快速仿真，第二是數模混合仿真，第三是擴展應用。

先說說快速仿真（fastSPICE）。這也是市場最大，發展最多的一塊兒。因為SPICE是把整個電路放到一個矩陣中來解。人們就想能不能把電路分成小塊單獨解，然后再把各塊之間聯接起來，這樣不就快了嗎？的確，對數字電路，確實可以用分割的方法。因為數字電路的信號是有方向的，我們可以在沒有直流通路的地方把它分開（例如在兩個串聯的反相器中間）。另外就是數字信號是離散的，我們可以把它分成幾段。分的段越大，時間步長也就能越大，需要解的次數就少了（當然結果也就沒那么精確了）。還有就是器件模型。我們前面講過如今的mosfet模型非常復雜，要花很多時間去算，那能不能把它簡化呢？可以。事實證明對數字電路以及數模混合電路（像PLL，memory，serdes）來說，用表格模型（tablemodel）來代替復雜的方程模型是個不錯的選擇。通過這些簡化，快速仿真可以比原來的SPICE快幾十到上百倍，而精度是在SPICE的5-10%之內。像EPIC的PowerMill（后來成為Synopsys的Nanosim），Anagram的ADM（后來成為Avant!的StarSim），Celestry（后來成為Cadence）的Ultrasim，Nassda（后來成為Synopsys）的HSIM，等等。最近比較流行的是Magma（現在是Synopsys）的Finesim，BDA（現在是Mentor）的AFS，Proplus的Nanospice。

其次來說說數模混合仿真。當一個系統中既有模擬電路，又有數字電路，人們自然就會想到把SPICE和數字仿真器（如Synopsys的VerilogVCS，Cadence的NC，Mentor的Modelsim）聯在一起運行。SPICE去算模擬電路部分，數字仿真器去算數字電路部分，它們之間用數模／模數轉換器（AD/DA）連接。注意這種運行方式跟上面的快速仿真不同。這樣的混合仿真需要兩個仿真器。但這樣的構架有缺點。主要的問題是數模轉換沒有一個標準。市面上有很多SPICE以及Verilog仿真工具，每一個工具的轉換界面都不一樣，這就造成混合仿真的界面非常復雜。因此，最近發展的混合仿真都采用數模一體化的構架，大大簡化了轉換界面，而且用戶只需在一個環境下就可進行混合仿真。這樣的工具有Cadence的Virtuoso-AMS，Synopsys的HSIM-plusHDL，Silvaco的Harmony，華大的Aeolus-ADS等。

最后再來說說SPICE的擴展應用。雖說SPICE是針對集成電路（IC）開發的，但它的應用已擴展到系統級（systemlevel），主要是電路板（PCB）級的仿真。那系統級仿真與集成電路仿真有何區別呢？它們不都是電路嗎？呵呵，沒錯，它們都是電路，但區別還是蠻大的。主要是它們的規模與尺寸的不同。我們知道，集成電路是集成在芯片上的。其器件尺寸現在已做到納米級。而系統級的尺寸還在毫米，厘米，甚至米的數量級。學過電磁的同學都知道，當器件的尺寸大于信號波長的時候，就要考慮分布的場效應了。拿一段導線做例子。一段在芯片上的導線，你可以把它看作一個電阻。而一段電路板上的導線，你就必須用傳輸線(transmission line)來代表它，否則誤差就太大了。如果信號的頻率再高，那就要用S參數了（S-parameter）。由此，電路仿真發展出一大分支，這就是所謂的“信號完整性”工具。像Agilent的ADS，Mentor的HyperLynx，以及 Cadence的OrCAD和Allegro。

SPICE今后的道路

從70年代初到如今的四十多年里，SPICE從只能仿真十幾個節點/器件到今天可以仿真上百萬個節點/器件的電路，這是一個非常驚人的成就。但這個成就的主要原因是摩爾定律。前面我們講過自從90年代中期，SPICE本身就沒有太大的變化了。這怪就怪（不，應該是感謝才對）SPICE的先驅們。他們奠定了一個堅實的基礎，使得我們后面的人都沒什么可做的了（呵呵，這不是好事嗎）。的確，要改變SPICE的基石，例如改進的節點分析法（ModifiedNodal Analysis），稀疏矩陣解法（Sparse Matrix Solver），牛頓-拉夫遜迭代（Newton-RaphsonIteration），隱性數值積分（ImplicitNumerical Integration），等等，確實不容易。說到底，SPICE是一個解非線性常微分方程的工具。你要想從根本上有個革命性的改變，那你還是從數學上著手吧。

SPICE是一個非常通用的工具。雖然集成電路是它的著重點，但我們看到它也被廣泛應用到了系統級，電源級，甚至延伸到了不同領域的仿真。我們前面講到了數模混合（mixed-signal），但它還是在電路的范疇內。可不可以把它擴展到其他領域（mixeddomain/multiple discipline），比如機械，熱力，甚至生物領域？答案是可以的。例如，在電路領域中，我們解的是跨過兩個節點的電壓和通過一個支路電流。而在機械領域中，我們解的是兩個點的位置和力。從早期Saber的MAST語言，到現在的工業標準Verilog-AMS和VHDL-AMS都已經支持不同領域的描述。這就給跨領域的仿真帶來了可能。雖然Verilog-AMS還沒有被模擬電路設計者廣泛采用，但它很可能先從另一個地方發揚光大。比如，微機電系統（MEMS）很有可能是下一個大的應用領域。

另外一方面，雖然SPICE可以解很多類型的電路，但它的運算速度也因此受到了制約。每一種電路都有它自己的特點，比如數字電路信號的離散性，存儲器（ram）結構的重復性，等等。我們可以在SPICE的基礎上，利用這些電路的特點來開發特制的“SPICE”以提高仿真的效率。前面說的快速SPICE仿真工具就屬于這一類。它們的通用性不如SPICE，但它們針對某一類電路的仿真效率是非常高的。

最后一方面，我們從SPICE的發展可以清晰得看到，軟件的發展是與硬件的發展密不可分的。現在的處理器基本上都是多核，多線程的，新一代的商業SPICE也利用了這些新的處理器架構。最新的圖形處理器（GPU）更是達到了上百個核，上萬個線程。并行的開發工具像開放計算語言（OpenCL），CUDA也逐漸成熟。高性能計算（HPC）以及云計算也在日益普及。SPICE能否利用這些新的的環境來提高仿真效率呢？呵呵，這個問題就需要你來解答了。

下面的圖給出了主要SPICE的發展過程。其中的代號如下：UCB：伯克利，gEDA：GNU EDA，Meta：Meta-Software，SNPS：Synopsys，μSIM：MicroSIM，CDN：Cadence，MENT：Mentor

下面的圖給出了主要快速仿真工具的發展過程,“+”代表并購。

注意這些快速仿真工具都是商業化的。目前還沒有一個開源的快速仿真工具具有像伯克利SPICE那樣廣泛的影響力。

編輯：黃飛

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