电路仿真：什么是SPICE模型！SPICE的变异与进化

SPICE的变异与进化

SPICE最初是用来做小型电路仿真的。电路中的元器件数也就几十最多到几百个。随着电路规模越做越大，电路种类越来越多，人们会问：SPICE能不能跑得更快一些，能运行的电路更大一些？自然而然的，SPICE的变种就出现了。我们在这儿讲三个方面：第一是快速仿真，第二是数模混合仿真，第三是扩展应用。

先说说快速仿真（fastSPICE）。这也是市场最大，发展最多的一块儿。因为SPICE是把整个电路放到一个矩阵中来解。人们就想能不能把电路分成小块单独解，然后再把各块之间联接起来，这样不就快了吗？的确，对数字电路，确实可以用分割的方法。因为数字电路的信号是有方向的，我们可以在没有直流通路的地方把它分开（例如在两个串联的反相器中间）。另外就是数字信号是离散的，我们可以把它分成几段。分的段越大，时间步长也就能越大，需要解的次数就少了（当然结果也就没那么精确了）。还有就是器件模型。我们前面讲过如今的mosfet模型非常复杂，要花很多时间去算，那能不能把它简化呢？可以。事实证明对数字电路以及数模混合电路（像PLL，memory，serdes）来说，用表格模型（tablemodel）来代替复杂的方程模型是个不错的选择。通过这些简化，快速仿真可以比原来的SPICE快几十到上百倍，而精度是在SPICE的5-10%之内。像EPIC的PowerMill（后来成为Synopsys的Nanosim），Anagram的ADM（后来成为Avant!的StarSim），Celestry（后来成为Cadence）的Ultrasim，Nassda（后来成为Synopsys）的HSIM，等等。最近比较流行的是Magma（现在是Synopsys）的Finesim，BDA（现在是Mentor）的AFS，Proplus的Nanospice。

其次来说说数模混合仿真。当一个系统中既有模拟电路，又有数字电路，人们自然就会想到把SPICE和数字仿真器（如Synopsys的VerilogVCS，Cadence的NC，Mentor的Modelsim）联在一起运行。SPICE去算模拟电路部分，数字仿真器去算数字电路部分，它们之间用数模／模数转换器（AD/DA）连接。注意这种运行方式跟上面的快速仿真不同。这样的混合仿真需要两个仿真器。但这样的构架有缺点。主要的问题是数模转换没有一个标准。市面上有很多SPICE以及Verilog仿真工具，每一个工具的转换界面都不一样，这就造成混合仿真的界面非常复杂。因此，最近发展的混合仿真都采用数模一体化的构架，大大简化了转换界面，而且用户只需在一个环境下就可进行混合仿真。这样的工具有Cadence的Virtuoso-AMS，Synopsys的HSIM-plusHDL，Silvaco的Harmony，华大的Aeolus-ADS等。

最后再来说说SPICE的扩展应用。虽说SPICE是针对集成电路（IC）开发的，但它的应用已扩展到系统级（systemlevel），主要是电路板（PCB）级的仿真。那系统级仿真与集成电路仿真有何区别呢？它们不都是电路吗？呵呵，没错，它们都是电路，但区别还是蛮大的。主要是它们的规模与尺寸的不同。我们知道，集成电路是集成在芯片上的。其器件尺寸现在已做到纳米级。而系统级的尺寸还在毫米，厘米，甚至米的数量级。学过电磁的同学都知道，当器件的尺寸大于信号波长的时候，就要考虑分布的场效应了。拿一段导线做例子。一段在芯片上的导线，你可以把它看作一个电阻。而一段电路板上的导线，你就必须用传输线(transmission line)来代表它，否则误差就太大了。如果信号的频率再高，那就要用S参数了（S-parameter）。由此，电路仿真发展出一大分支，这就是所谓的“信号完整性”工具。像Agilent的ADS，Mentor的HyperLynx，以及 Cadence的OrCAD和Allegro。

SPICE今后的道路

从70年代初到如今的四十多年里，SPICE从只能仿真十几个节点/器件到今天可以仿真上百万个节点/器件的电路，这是一个非常惊人的成就。但这个成就的主要原因是摩尔定律。前面我们讲过自从90年代中期，SPICE本身就没有太大的变化了。这怪就怪（不，应该是感谢才对）SPICE的先驱们。他们奠定了一个坚实的基础，使得我们后面的人都没什么可做的了（呵呵，这不是好事吗）。的确，要改变SPICE的基石，例如改进的节点分析法（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），等等，确实不容易。说到底，SPICE是一个解非线性常微分方程的工具。你要想从根本上有个革命性的改变，那你还是从数学上着手吧。

SPICE是一个非常通用的工具。虽然集成电路是它的着重点，但我们看到它也被广泛应用到了系统级，电源级，甚至延伸到了不同领域的仿真。我们前面讲到了数模混合（mixed-signal），但它还是在电路的范畴内。可不可以把它扩展到其他领域（mixeddomain/multiple discipline），比如机械，热力，甚至生物领域？答案是可以的。例如，在电路领域中，我们解的是跨过两个节点的电压和通过一个支路电流。而在机械领域中，我们解的是两个点的位置和力。从早期Saber的MAST语言，到现在的工业标准Verilog-AMS和VHDL-AMS都已经支持不同领域的描述。这就给跨领域的仿真带来了可能。虽然Verilog-AMS还没有被模拟电路设计者广泛采用，但它很可能先从另一个地方发扬光大。比如，微机电系统（MEMS）很有可能是下一个大的应用领域。

另外一方面，虽然SPICE可以解很多类型的电路，但它的运算速度也因此受到了制约。每一种电路都有它自己的特点，比如数字电路信号的离散性，存储器（ram）结构的重复性，等等。我们可以在SPICE的基础上，利用这些电路的特点来开发特制的“SPICE”以提高仿真的效率。前面说的快速SPICE仿真工具就属于这一类。它们的通用性不如SPICE，但它们针对某一类电路的仿真效率是非常高的。

最后一方面，我们从SPICE的发展可以清晰得看到，软件的发展是与硬件的发展密不可分的。现在的处理器基本上都是多核，多线程的，新一代的商业SPICE也利用了这些新的处理器架构。最新的图形处理器（GPU）更是达到了上百个核，上万个线程。并行的开发工具像开放计算语言（OpenCL），CUDA也逐渐成熟。高性能计算（HPC）以及云计算也在日益普及。SPICE能否利用这些新的的环境来提高仿真效率呢？呵呵，这个问题就需要你来解答了。

下面的图给出了主要SPICE的发展过程。其中的代号如下：UCB：伯克利，gEDA：GNU EDA，Meta：Meta-Software，SNPS：Synopsys，µSIM：MicroSIM，CDN：Cadence，MENT：Mentor

下面的图给出了主要快速仿真工具的发展过程,“+”代表并购。

注意这些快速仿真工具都是商业化的。目前还没有一个开源的快速仿真工具具有像伯克利SPICE那样广泛的影响力。

编辑：黄飞