電路仿真：什么是SPICE模型！SPICE的變異與進(jìn)化

SPICE的變異與進(jìn)化

SPICE最初是用來做小型電路仿真的。電路中的元器件數(shù)也就幾十最多到幾百個(gè)。隨著電路規(guī)模越做越大，電路種類越來越多，人們會(huì)問：SPICE能不能跑得更快一些，能運(yùn)行的電路更大一些？自然而然的，SPICE的變種就出現(xiàn)了。我們?cè)谶@兒講三個(gè)方面：第一是快速仿真，第二是數(shù)模混合仿真，第三是擴(kuò)展應(yīng)用。

先說說快速仿真（fastSPICE）。這也是市場(chǎng)最大，發(fā)展最多的一塊兒。因?yàn)镾PICE是把整個(gè)電路放到一個(gè)矩陣中來解。人們就想能不能把電路分成小塊單獨(dú)解，然后再把各塊之間聯(lián)接起來，這樣不就快了嗎？的確，對(duì)數(shù)字電路，確實(shí)可以用分割的方法。因?yàn)閿?shù)字電路的信號(hào)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(gè)串聯(lián)的反相器中間）。另外就是數(shù)字信號(hào)是離散的，我們可以把它分成幾段。分的段越大，時(shí)間步長也就能越大，需要解的次數(shù)就少了（當(dāng)然結(jié)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(fù)雜，要花很多時(shí)間去算，那能不能把它簡化呢？可以。事實(shí)證明對(duì)數(shù)字電路以及數(shù)?；旌想娐罚ㄏ馪LL，memory，serdes）來說，用表格模型（tablemodel）來代替復(fù)雜的方程模型是個(gè)不錯(cuò)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(nèi)。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(xiàn)在是Synopsys）的Finesim，BDA（現(xiàn)在是Mentor）的AFS，Proplus的Nanospice。

其次來說說數(shù)?；旌戏抡?。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中既有模擬電路，又有數(shù)字電路，人們自然就會(huì)想到把SPICE和數(shù)字仿真器（如Synopsys的VerilogVCS，Cadence的NC，Mentor的Modelsim）聯(lián)在一起運(yùn)行。SPICE去算模擬電路部分，數(shù)字仿真器去算數(shù)字電路部分，它們之間用數(shù)模／模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD/DA）連接。注意這種運(yùn)行方式跟上面的快速仿真不同。這樣的混合仿真需要兩個(gè)仿真器。但這樣的構(gòu)架有缺點(diǎn)。主要的問題是數(shù)模轉(zhuǎn)換沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。市面上有很多SPICE以及Verilog仿真工具，每一個(gè)工具的轉(zhuǎn)換界面都不一樣，這就造成混合仿真的界面非常復(fù)雜。因此，最近發(fā)展的混合仿真都采用數(shù)模一體化的構(gòu)架，大大簡化了轉(zhuǎn)換界面，而且用戶只需在一個(gè)環(huán)境下就可進(jìn)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(kuò)展應(yīng)用。雖說SPICE是針對(duì)集成電路（IC）開發(fā)的，但它的應(yīng)用已擴(kuò)展到系統(tǒng)級(jí)（systemlevel），主要是電路板（PCB）級(jí)的仿真。那系統(tǒng)級(jí)仿真與集成電路仿真有何區(qū)別呢？它們不都是電路嗎？呵呵，沒錯(cuò)，它們都是電路，但區(qū)別還是蠻大的。主要是它們的規(guī)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(xiàn)在已做到納米級(jí)。而系統(tǒng)級(jí)的尺寸還在毫米，厘米，甚至米的數(shù)量級(jí)。學(xué)過電磁的同學(xué)都知道，當(dāng)器件的尺寸大于信號(hào)波長的時(shí)候，就要考慮分布的場(chǎng)效應(yīng)了。拿一段導(dǎo)線做例子。一段在芯片上的導(dǎo)線，你可以把它看作一個(gè)電阻。而一段電路板上的導(dǎo)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(hào)的頻率再高，那就要用S參數(shù)了（S-parameter）。由此，電路仿真發(fā)展出一大分支，這就是所謂的“信號(hào)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(gè)節(jié)點(diǎn)/器件到今天可以仿真上百萬個(gè)節(jié)點(diǎn)/器件的電路，這是一個(gè)非常驚人的成就。但這個(gè)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(yīng)該是感謝才對(duì)）SPICE的先驅(qū)們。他們奠定了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，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(jìn)的節(jié)點(diǎn)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(shù)值積分（ImplicitNumerical Integration），等等，確實(shí)不容易。說到底，SPICE是一個(gè)解非線性常微分方程的工具。你要想從根本上有個(gè)革命性的改變，那你還是從數(shù)學(xué)上著手吧。

SPICE是一個(gè)非常通用的工具。雖然集成電路是它的著重點(diǎn)，但我們看到它也被廣泛應(yīng)用到了系統(tǒng)級(jí)，電源級(jí)，甚至延伸到了不同領(lǐng)域的仿真。我們前面講到了數(shù)?；旌希╩ixed-signal），但它還是在電路的范疇內(nèi)?？刹豢梢园阉鼣U(kuò)展到其他領(lǐng)域（mixeddomain/multiple discipline），比如機(jī)械，熱力，甚至生物領(lǐng)域？答案是可以的。例如，在電路領(lǐng)域中，我們解的是跨過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和通過一個(gè)支路電流。而在機(jī)械領(lǐng)域中，我們解的是兩個(gè)點(diǎn)的位置和力。從早期Saber的MAST語言，到現(xiàn)在的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Verilog-AMS和VHDL-AMS都已經(jīng)支持不同領(lǐng)域的描述。這就給跨領(lǐng)域的仿真帶來了可能。雖然Verilog-AMS還沒有被模擬電路設(shè)計(jì)者廣泛采用，但它很可能先從另一個(gè)地方發(fā)揚(yáng)光大。比如，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）很有可能是下一個(gè)大的應(yīng)用領(lǐng)域。

另外一方面，雖然SPICE可以解很多類型的電路，但它的運(yùn)算速度也因此受到了制約。每一種電路都有它自己的特點(diǎn)，比如數(shù)字電路信號(hào)的離散性，存儲(chǔ)器（ram）結(jié)構(gòu)的重復(fù)性，等等。我們可以在SPICE的基礎(chǔ)上，利用這些電路的特點(diǎn)來開發(fā)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(duì)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(fā)展可以清晰得看到，軟件的發(fā)展是與硬件的發(fā)展密不可分的?，F(xiàn)在的處理器基本上都是多核，多線程的，新一代的商業(yè)SPICE也利用了這些新的處理器架構(gòu)。最新的圖形處理器（GPU）更是達(dá)到了上百個(gè)核，上萬個(gè)線程。并行的開發(fā)工具像開放計(jì)算語言（OpenCL），CUDA也逐漸成熟。高性能計(jì)算（HPC）以及云計(jì)算也在日益普及。SPICE能否利用這些新的的環(huán)境來提高仿真效率呢？呵呵，這個(gè)問題就需要你來解答了。

下面的圖給出了主要SPICE的發(fā)展過程。其中的代號(hào)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(fā)展過程,“+”代表并購。

注意這些快速仿真工具都是商業(yè)化的。目前還沒有一個(gè)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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