工程領域學者的成名，需對工業屆有所貢獻（SPICE與Don Pederson）

工程學科的著名教授，其“青史留名”，不在于他發表了多少論文，更重要在于其為工業界的直接貢獻。本人在2013年8月也在新浪微網誌上發表過“工科學者有所成”的說法。現用國外著名教授Spice之父Don Pederson教授的例子說明。

圖1：工程領域的有所成“意味着你的研究成果被工業界所使用，而且社會公認這個是你的研究成果”

SPICE之父DonPederson

本文主要引子Department of EECS, University ofCalifornia, Berkeley的Andrei Vladimirescu教授為A SHORT HISTORY OF CIRCUITS AND SYSTEMS撰寫的文章，該書由我的學生翻譯，即将由清華大學出版社出版1960年代初，矽內建電路（IC）的發明，與原有的由分立元件組成的印刷電路闆（PCB）電路不同，人們迫切需要新的設計方法。PCB闆的電路系統，可以用實驗闆測量檢驗、可以通過試錯來校正。然而，對于內建電路若設計出的電路沒有達到最初的目标，那麼它需要重新加工制造才可以修正錯誤。制造過程需要經過很多道工序。而那些無法工作的矽片會被扔掉，這白白增加了成本，延長了IC的上市時間。

工業界的需求：迫切需要一種新的方法來得到首次流片即能工作的矽片。

基礎條件：人們認識到，求解大規模半導體組成的電子電路的數學方程，可以在計算機的輔助下解決。當時強大的科學計算機——如控制資料公司（CDC，Control-Data Corporation）的6600，已經有能力求解那些IC方程。在這些因素的共同推動下，世界上的許多實驗室都開始嘗試開發這樣的計算機程式。

加州大學伯克利分校（University of California at Berkeley）的Don Pederson在1962年就認識到了IC将會對世界産生的巨大影響，他首先在大學中建造了第一個半導體制造工廠；他也看到了計算機輔助設計的需求。在Don的支援下，在1969-70年，青年教授Ron Rohrer在研究所學生班中組織了一個有關計算機輔助設計（CAD，Computer-Aided Design）的班級課題。這個項目的目标是“開發出最好的內建電路仿真程式”。該程式需要實作的主要任務是快速獲得模拟內建電路的直流工作點；在早期的半導體工業中，線性雙極型IC——例如運算放大器，扮演了十分關鍵的角色，而運算放大器的性能的發揮完全有賴于正确的偏置。

班上的學生們編寫的不同代碼被Larry Nagel整合成了單一的、完整的程式，名為CANCER（Computer-Aided Nonlinear Circuit analysis ExcludingRadiation）[1]，它能夠進行直流(DC)、交流(AC)以及時域瞬态分析。當然，當時的CANCER并不完善，存在一些問題；首先，它有一個不讨人喜歡的名字，此外，更重要的一點是，它是一個專有（proprietary）的程式。這一點是與Don Pederson的思想相悖的。Don Pederson始終秉持這樣的信條：大學的研究應當是公開的，應當有助于科學的進步。經過進一步的研究改進之後，一個擁有新的名字的仿真器——SPICE産生了。SPICE1于1971年秋首次公開釋出。在四十多年後的今天，在一塊晶片上已經能內建數十億個半導體的今天，市面上已經有了各種各樣的商業版本和公開發行版本的SPICE；SPICE也已經演變成了IC設計的标準，用在了所有的半導體級電路的設計中。

SPICE1以電路描述語言為起點，帶來了一系列的創新，如今，這種語言在不同的IC CAD工具中事實上隻是形式上有變化而已；此外，它還包含了很多算法創新，如關聯矩陣電路表示、節點-基準電壓（node-to-datum voltage）解決方案、稀疏矩陣算法、Newton-Raphson疊代和隐式數值積分等。這一系列算法統稱為直接解法（direct-methods solution）[2]。

SPICE1的使用者為UC Berkeley所有電路課的學生，以及一些來自産業界的“友好的”設計人員。他們給出了很多非常有價值的回報，指出了第一版的SPICE的缺點。其中最重要的幾個缺點與編譯時聲明的元件數量、電壓源接地限制（節點-基準電壓方程）和固定時間-步長積分等問題有關。

以上的這些缺點促使人們進行更進一步的研究，并于1975年首次釋出了SPICE2。早期的SPICE 2A和2B兩個版本隻解決了後兩個問題——節點-基準電壓方程被替換成了改進節點分析（MNA，Modified-Nodal Analysis），此外，程式中還加入了一個可變時間-步長的算法 [3]；而元件數量限制直到1976年才由Ellis Cohen在SPICE 2D中解決；Ellis重新建構了資料結構，并用Fortran寫了一個記憶體管理包，它不需要依賴于各種元件（如半導體、電阻、電容）的數量，就能将計算機的可用記憶體配置設定給電路。

到此，SPICE2已經具備了廣泛應用的條件，而且UC Berkeley的電子研究實驗室（ERL，Electronics Research Laboratory）的準備工作也已經到位，他們把這個程式包括源代碼和文檔釋出出去，給任何感興趣者。

然而，在産業界這一程式并沒有獲得一緻的認可；實際上仍存在着一大批懷疑者，他們以Bob Pease為首——Bob Pease在《電子設計》（Electronic Design）雜志上開有一個專欄，題為“這個辛辣（spice）的東西到底是個什麼玩意兒？（What’sAll This SPICEY Stuff, Anyhow?）”，并寫道，“沒有什麼事情是SPICE能做到而我不能手工做到的”。對于一項颠覆性的技術來說，隻有人類自己才是技術可能遇到的阻力；不過，随着IC複雜度的提升，該技術的使用者越來越多，到了70年代末，絕大部分半導體公司都已經用上了SPICE。

随着該程式在産業界的廣泛使用，對其進行進一步改進和補充也提上了日程；Don Pederson把這個挑戰交給了Andrei Vladimirescu。要解決的關鍵問題是所得結果的魯棒性，而它由牛頓疊代算法的收斂性與否決定。SPICE的2F和2G版本對算法進行了一些改良，如基于實際電導值的電路矩陣重排序（旋轉）、工作點（operating point）解的連續方法（continuation methods）、來自于牛頓疊代法的個性化器件（device-specific）限流算法等。SPICE 2G6 [4]在1980年釋出，并由UC Berkeley免費分發，可以說，它是由大學開發的、最強大（robust）的軟體。SPICE 2G6強大的産業實力是當時剛剛開始的HSPICE項目的基礎，而HSPICE今天已經成為了商業SPICE仿真器的市場上司者。

像惠普（Hewlett Packard）、模拟器件公司（Analog Devices）、泰克（Tektronix）、德州儀器（Texas Instruments）等大公司紛紛組建了它們自己的CAD部門，招攬了如DickDowell、Steve Hamm、Graham Boyle和Burt Epler等SPICE專家，在這些專家的幫助下将Berkeley的程式改編，以滿足它們自己的具體需求。從70年代後期到80年代初期的近十年的時間裡，Berkeley與産業界的SPICE專家們之間的交流是持續而開放的，後者提供關于錯誤修複和改進的回報，而前者将這些回報應用于後來釋出的版本中。這是一個大學與産業界協作的獨特案例，這樣的合作使整個半導體領域受益匪淺。

圖2 唐·佩德森（Don Pederson）

20世紀70年代末，UC Berkeley釋出了伯克利标準發行（BSD，Berkeley Standard Distribution）Unix作業系統——一個從Bell實驗室發明的Unix系統衍生而來的作業系統。與Unix密切相關的C語言，提供了應用程式與裝置的互動。Tom Quarles着手進行了SPICE2的重構，并将它的資料結構從Fortran轉換為了C；SPICE3于1983年釋出，它是一個具有圖形功能的互動式程式。人們對SPICE3的改進與補充一直在進行着，直到1993年UC Berkeley釋出了它的最後一個版本SPICE 3f5——它的求解算法已經完全成熟了，人們無法想象還有什麼進一步的研究項目可以進行。

1998年，由于在SPICE項目中扮演了最重要的角色，以及SPICE已經在事實上被采用為了IC設計的标準，Don Pederson被授予了IEEE金獎（Gold Medal）；同時，他也正式獲得了“SPICE之父”的頭銜。

原文釋出時間為：2018-06-11

本文作者：王志華

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