小電科普|SPICE誕生記

小飛哥玩嵌入式

前面小電科普討論了電子管和晶體管的誕生，這次配合第七次重難點(diǎn)中推送的仿真題，應(yīng)景的咱們來聊聊仿真軟件的誕生吧。

    如今，每一天都有不知其數(shù)的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)公司與設(shè)計(jì)驗(yàn)證工程師，在用著電路仿真軟件SPICE。SPICE廣泛應(yīng)用在仿真模擬電路，混合信號電路，精確數(shù)字電路，等等。作為最早的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，它今天仍然是最重要的軟件之一。我們EDA設(shè)計(jì)課程使用的Multisim的內(nèi)核也是SPICE�？梢哉f，沒有SPICE，就沒有電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化這個(gè)產(chǎn)業(yè)，也就沒有今天的半導(dǎo)體工業(yè)。它的市場超過上億美元。所有這一切，都是從1970年加州大學(xué)伯克利分校電機(jī)工程系的一堂課開始的。


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   時(shí)間回到1970年，在加州大學(xué)伯克利分校電機(jī)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，Ron Rohrer教授給七個(gè)研究生上“電路綜合”課。
    Rohrer教授那時(shí)剛剛從仙童半導(dǎo)體公司返回伯克利，沒有時(shí)間準(zhǔn)備教材。所以，在第一堂課，他就宣布：學(xué)生們一起寫一個(gè)電路仿真程序。他跟系里的管教學(xué)的主任Peterson教授達(dá)成一個(gè)協(xié)議：只要Peterson教授認(rèn)可學(xué)生們寫的仿真程序，他們就全部通過。否則的話，他們就全部不及格。
   這七個(gè)學(xué)生中有一個(gè)還是從機(jī)械系來的。他感到十分委屈：教授啊，俺啥電路都不會，俺就是來學(xué)電路的。這倒好，電路沒學(xué)到，反而要去寫電路仿真程序。這可咋辦��？

    Rohrer教授想了想，說沒關(guān)系。雖然電路你不懂，但你的數(shù)值分析不是很厲害嗎？OK，你就負(fù)責(zé)解方程這塊吧。最后的結(jié)果證明了恰恰是學(xué)生們自己開發(fā)的解稀疏矩陣的模塊是一個(gè)亮點(diǎn)，它使得可處理的電路規(guī)模成倍的增大。

   這七個(gè)學(xué)生推舉Laurence Nagel為代表，由他負(fù)責(zé)向Peterson教授匯報(bào)結(jié)果。（下圖為Nagel當(dāng)年在伯克利的照片）

    這個(gè)結(jié)果就是CANCER。沒錯(cuò)，它的意思就是“癌癥”。它是Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation的縮寫。不要忘了，那是在一個(gè)叛逆的時(shí)代。當(dāng)時(shí)絕大部分的電路分析軟件來自于大公司與政府/軍方的合同開發(fā)。在冷戰(zhàn)和核威脅的環(huán)境下，政府/軍方要求這些軟件都具有分析電路抗核輻射的能力。伯克利是反戰(zhàn)的大本營，學(xué)生們自己開發(fā)的程序當(dāng)然要跟政府/軍方的要求對著干了。


    有同學(xué)可能會問：為什么要開發(fā)一個(gè)電路仿真程序？要知道在這之前，人們分析電路，要么是用筆和紙，要么就要搭電路板。 Peterson教授就被學(xué)生們稱之為“信封教授”，因?yàn)樗�認(rèn)為電路分析用個(gè)信封的背面來做就足夠了。但隨著電路規(guī)模的增大，用筆紙變得越來越不可能，搭電路板又不能精確反應(yīng)芯片上的電路特性，而且費(fèi)用也越來越高。因此，用軟件來做電路仿真就變得日益迫切了。

    當(dāng)課程結(jié)束，Nagel向Peterson教授匯報(bào)CANCER之后，Peterson教授給予了全心的認(rèn)可。學(xué)生們都通過了！CANCER成了Nagel的碩士論文課題。它在伯克利被很多本科生及研究生使用，并且給了大量的建議去改進(jìn)它。
    呵呵，都說學(xué)生是最好的“小白鼠”，這話果然不假。

“     再插一段話：基于這堂課的巨大成功，Rohrer教授后來又用同樣的辦法試了幾堂課，但都失敗了。他自己總結(jié)說，是因?yàn)橛蠳agel，伯克利的那堂課才成功了。所以，如果沒有Rohrer教授那樣的功力和Nagel那樣天分的學(xué)生，SPICE也不可能從一堂課里誕生出來。
”

    到了1971年的秋天，Nagel在伯克利又開始了他的博士生生活，這一回是在Peterson教授的指導(dǎo)下了。

Peterson教授
    Peterson教授給Nagel的第一個(gè)任務(wù)是給程序起個(gè)新名字。確實(shí)，CANCER太難聽了，誰都不喜歡。Nagel花了天知道多長時(shí)間才想出來這樣好聽的，也是我們現(xiàn)在還在用的名字：SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）。所以，同學(xué)，如果你要寫一個(gè)新程序，注冊個(gè)微信號，取個(gè)QQ昵稱，都要深思熟慮哦。

    后來1971年被正式認(rèn)定為SPICE誕生的年份。

    SPICE還是開源代碼的先驅(qū)。當(dāng)時(shí)也有開源代碼，但都沒有太大的商業(yè)價(jià)值。SPICE就不同了。有人已經(jīng)看到它的商業(yè)價(jià)值，但Peterson教授堅(jiān)持要把代碼開源（我們都得真心的感謝Peterson教授）。任何人只要花20美元的手續(xù)費(fèi)，就可以得到SPICE的源代碼。有人會問，那這樣一來，伯克利是不是損失了一大筆錢呢？事實(shí)并非如此。伯克利的SPICE幫助數(shù)字設(shè)備公司（DEC）賣出了很多臺VAX機(jī)。反過來，DEC給伯克利電子系捐贈了一千八百萬美元。這么多錢可不是一個(gè)學(xué)校賣代碼能獲得的。所以，做好事終究還是會得到好報(bào)的。

    我們的小伙伴們中間也許也藏有像Nagel這樣有天分的學(xué)生，下面是Nagel的博士論文鏈接，有興趣的你可以翻翻看。
http://www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/1973/ERL-382.pdf

END

    這一期的小電科普到這里就跟大家說再見啦，下期不見不散(*?▽?*)




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