SPICE简史（2)

spiceguy

SPICE2和SPICE3

在70年代初期，伯克利电子系用的计算机是CDC6400大型机，它的运算能力相当于286（它的时钟频率是10兆赫，可它的成本是六百万美元。再看看今天你手中的iPhone，它的时钟频率超过1000兆赫，成本不到六百美元–这是一百万倍性价比的差别！）分给每个学生的主内存白天为256K字节。到了晚上人少，你就可得到384K。运行一个不算太大的电路仿真，用Nagel的话来说，就像把你11码大的脚穿进婴儿的鞋里–你得想尽一切办法节省内存。能仿真的最大的电路规模也就是25个双极晶体管（相当于50个电路节点）。而且，那时候SPICE还只有双极晶体管模型。71年的秋季，从贝尔实验室来到伯克利的DavidHodges教授带来了第一个MOSFET模型: Shichman-Hodges模型。如果你用过SPICE（并且年头足够多的话），你应该知道这就是Level1 MOSFET 模型。它是所有MOSFET模型的鼻祖（下面我们还会讲到MOSFET模型的）。

1975年Nagel从伯克利博士毕业。他的论文“SPICE2:A COMPUTER PROGRAM TO SIMULATE SEMICONDUCTOR CIRCUITS”, 成为了EDA行业被引用最多的文章。

SPICE2这个版本基本上奠定了今天电路仿真程序的基石，其中包括：改进的节点分析法（ModifiedNodal Analysis），稀疏矩阵解法（Sparse Matrix Solver），牛顿-拉夫逊迭代（Newton-RaphsonIteration），隐性数值积分（ImplicitNumerical Integration），动态步长的瞬态分析（Dynamic Time Step Control），局部截断误差（LocalTruncation Error），等等-- 说太多技术细节了，还是接着讲故事吧。

Nagel毕业后去了贝尔实验室。从此以后，SPICE2的改进就由Nagel的室友，EllisCohen，继续进行下去。Ellis是个计算机编程能手。用当时周围学生的话说，他就是一个长成人形的计算机。是他（以及后来的AndreiVladimirescu和Sally Liu）把学校里开发的程序SPICE改造成了实用的SPICE2G6。在SPICE的早期开发中，他是个无名英雄。今天工业界里的很多商业SPICE就是基于SPICE2G6开发出来的。

这是Nagel博士论文的封面。

你可以用下面的链接下载这篇论文:

http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/1975/9602.html

如果你想了解SPICE的核心秘密，就下载一份好好读读吧！


最早的SPICE2没有用户界面。它的运行是批处理方式。也就是说，你准备好了你的电路描述和仿真命令，就把它们提交给主机系统里。然后呢？然后你就可以下班回家了（多好啊）。因为你的几十个（或几百个）同事也在做着同样的事。这就好像在一个银行里只有一个办事员（主机），而有几百个顾客（提交的仿真任务）排着队。这个办事员动作又慢（286的速度）。所以，等第二天早上上了班再看结果吧！（下面在讲HSPICE时我们还会讲到这个情况）。


SPICE2的输入是用打卡。你可能会问：什么是打卡啊？呵呵，祝贺你年纪够小。对那些年过半百的人，最初接触到的计算机输入界面就是像下面这样的卡：

你把你的电路描述及仿真命令打在一叠这样的卡上，然后放到读卡机里。你可能听说过SPICE的输入叫“SPICE DECK”，这个名字就是从这叠卡来的。


SPICE2的输出是行打印机。是的，就是用下面这样的打印机打出仿真结果在纸上（想象一下那时消耗了多少纸张）。

你也可以打印输入输出的信号波形。每个波形是用不同的字符画的。像下面这样（看着是不是很粗糙啊）：

有同学读SPICE手册时会看到一个奇怪的选择项叫”NOPAGE“。这是因为SPICE的输出在页与页之间的折线处会加入一个分页符，留出空白。这个选项就是要求不要停止打印的。这样一来，波形就不会因为换页而在页与页之间断掉了。随着行打印机的消失，这个选择项也进入了历史。呵呵，如果有谁知道这个选项，那他的“年龄”至少在40岁以上。


后来SPICE2的输入/出也进化成了文件输入/出，像下面这样：

到了八十年代，SPICE2已经遍及了各个大学。但它的问题也显现出来：FORTRAN代码太难维护，加新的器件模型需要改动的地方太多，等等。在此同时，C作为一种新的程序语言正方兴未艾。于是，用C语言重新写SPICE就被提到了议事日程上来。这个任务被伯克利的ThomasQuarles在89年的时候完成了。比起SPICE2来，SPICE3增加了用户界面，你可以使用命令，甚至命令串来控制程序。另外，还增加了图形界面看波形。更重要的是，SPICE3的程序构架更加清晰，更加模块化。维护及修改起来更加容易。八十年代也是计算机硬件突飞猛进的时代：大型机（mainframe）被工作站（workstation）取代。UNIX及架构在它上面的C-shell和X-window成为软件开发及应用的基本框架。另外，个人电脑（PC）也越来越普及。这些都为SPICE的广泛应用打下了坚实的基础（下面我们讲商业SPICE时会提到）。

这是Quarles论文的封面。





同样，你可以用下面的链接下载Quarles的论文http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/1989/ERL-89-46.pdf 下面是SPICE3（版本3f5）的执行语句，注意它是交互式的。每一个“Spice<number>->”后面是一个Spice3的命令。比如“source”就是把电路读入，“run”就是运行，”display”就是显示，”quit”就是退出。




SPICE3自带了一个图形模块nutmeg。下面是nutmeg显示的波形，是不是比SPICE2的行打印的字符波形好看多了？






自从上世纪九十年代后，学术界SPICE的发展基本就停止在SPICE3f5这个版本了。这是不是意味着SPICE停滞不前了呢？非也。至少在两个方向上SPICE还在一直发展：一个是器件模型（特别是MOSFET模型），另一个是商业SPICE程序。（这里值得提一下，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（xspice,cider, gss, adms,等），建成了ngspice。Ngspice也在缓慢的进化着，但比起商业SPICE进化的速度慢多了。你可以在sourceforge上找到ngspice。）

（待续）

wang1991

好贴呀！

walterqin

收看中。。。。。。

jamesccp

期待楼主………………

hycmos

good！

bruceok

good article

athome1

楼主辛苦了！

jansenchen

回复 2# wang1991


    thanks

jackzhang

本贴从 谈天说地 板块移动过来的，感觉到更适合本版块。

盼盼123

本科四年，都没用过SPICE，我大三下学期才知道这个软件