电路仿真:SPICE模型是什么！香料的变异与进化

很多朋友对电路仿真:SPICE模型是什么！香料的变异与进化不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

SPICE的变异与进化

SPICE最初用于模拟小型电路。电路中的元件数量最多也就几十到几百个。随着电路的规模越来越大，电路的种类也越来越多，人们会问：SPICE能不能运行得更快，运行更大的电路？自然，一种香料的变种出现了。这里讲三个方面：一是快速仿真，二是数模混合仿真，三是扩展应用。

先说fastSPICE。这也是最大最发达的市场。因为SPICE把整个电路放入一个矩阵中求解。人们在想，是不是可以把电路分成小块，分别求解，然后再连起来。那不是更快吗？的确，对于数字电路来说，确实可以使用分段法。因为数字电路的信号是有方向性的，所以我们可以在没有DC路径的地方(比如两个串联的反相器之间)把它分开。

另外，数字信号是离散的，我们可以把它分成几段。分段越大，时间步长越大，需要求解的次数越少(当然结果没有那么准确)。还有就是设备型号。我们前面说过，目前的mosfet模型非常复杂，需要大量的时间来计算。我们能简化它吗？当然可以。

事实证明，对于数字电路和混合信号电路(如PLL、存储器、serdes)来说，用表模型代替复方程模型是一个很好的选择。通过这些简化，快速模拟可以比原来的SPICE快几十到几百倍，精度在SPICE的5-10%以内。像EPIC的PowerMill(后来变成了Synopsys的Nanosim)，Anagram的ADM(后来变成了Avant！StarSim)、Celestry的Ultrasim(后来成为Cadence)、Nassda的HSIM(后来成为Synopsys)等等。

最近比较热门的有Magma的Finesim(现在的Synopsys)、BDA的AFS(现在的Mentor)和Proplus的Nanospice。

其次，我们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时，人们自然会想到将SPICE与数字仿真器(如Synopsys的VerilogVCS、Cadence的NC、Mentor的Modelsim)一起运行。SPICE计算模拟电路部分，数字仿真器计算数字电路部分，二者通过数模转换器(AD/DA)连接。注意，这种操作模式不同于上面的快速模拟。这种混合模拟需要两个模拟器。但是这样的框架也有缺点。

主要问题是数模转换没有标准。市面上有很多SPICE和Verilog仿真工具，每个工具的转换接口都不一样，这就使得混合仿真的接口非常复杂。因此，最近开发的混合仿真采用了数模一体化的架构，大大简化了转换接口，用户只需在一种环境下就可以进行混合仿真。此类工具包括Cadence的Virtuoso-AMS、Synopsys的HSIM-plusHDL、Silvaco的Harmony、华大的风神-ADS等。

最后说一下SPICE的扩展应用。虽然SPICE是为集成电路(IC)开发的，但它的应用已经扩展到系统级，主要是PCB级仿真。系统级仿真和集成电路仿真有什么区别？不都是电路吗？呵呵，没错，都是电路，但是区别还是挺大的。主要是因为规模大小的不同。众所周知，集成电路是集成在芯片上的。它的器件尺寸现在已经达到了纳米量级。

系统级的尺寸仍然在毫米、厘米甚至米的量级。学过电磁学的同学都知道，当器件尺寸大于信号波长时，要考虑分布场效应。以一段电线为例。芯片上的一根导线，你可以把它想象成一个电阻。而电路板上的一根导线，必须用传输线来表示，否则误差太大。如果信号频率较高，则使用S参数。

于是，电路仿真发展出了一个大的分支，就是所谓的“信号完整性”工具。安捷伦的ADS、Mentor的HyperLynx、Cadence的OrCAD和Allegro。

SPICE的未来之路

从70年代初到现在的40多年，SPICE已经可以模拟十几个节点/器件到今天上百万个节点/器件的电路，这是一个非常惊人的成就。但这一成就的主要原因是摩尔定律。正如我们之前所说，自20世纪90年代中期以来，SPICE本身并没有太大变化。怪(不，谢谢)香料的先驱们。他们打下了坚实的基础，让后面的人无所事事(呵呵，这不是好事吗)。

的确，要改变SPICE的基石并不容易，比如修正节点分析、稀疏矩阵求解器、牛顿-拉夫逊迭代法、隐式数值积分等等。毕竟SPICE是一个求解非线性常微分方程的工具。如果想彻底改变，最好从数学开始。

SPICE是一个非常通用的工具。虽然集成电路是它的重点，但我们可以看到它也已经广泛应用于系统级、电源级，甚至扩展到仿真的不同领域。我们前面谈到了混合信号，但它仍然属于电路的范围。能否扩展到其他领域(mixed domain/多学科)，比如力学、热学甚至生物领域？答案是肯定的。

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，SIM：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。

黄飞

以上知识分享希望能够帮助到大家！