工程领域学者的成名，需对工业届有所贡献（SPICE与Don Pederson）

来源：内容来自王老先生的酒肆絮语，作者 王志华，谢谢。

工程学科的著名教授，其“青史留名”，不在于他发表了多少论文，更重要在于其为工业界的直接贡献。本人在2013年8月也在新浪微博上发表过“工科学者有所成”的说法。现用国外著名教授Spice之父Don Pederson教授的例子说明。

图1：工程领域的有所成“意味着你的研究成果被工业界所使用，而且社会公认这个是你的研究成果”

本文主要引子Department of EECS, University ofCalifornia, Berkeley的Andrei Vladimirescu教授为A SHORT HISTORY OF CIRCUITS AND SYSTEMS撰写的文章，该书由我的学生翻译，即将由清华大学出版社出版 1960年代初，硅集成电路（IC）的发明，与原有的由分立元件组成的印刷电路板（PCB）电路不同，人们迫切需要新的设计方法。PCB板的电路系统，可以用实验板测量检验、可以通过试错来校正。然而，对于集成电路若设计出的电路没有达到最初的目标，那么它需要重新加工制造才可以修正错误。制造过程需要经过很多道工序。而那些无法工作的硅片会被扔掉，这白白增加了成本，延长了IC的上市时间。

工业界的需求：迫切需要一种新的方法来得到首次流片即能工作的硅片。

基础条件：人们认识到，求解大规模晶体管组成的电子电路的数学方程，可以在计算机的辅助下解决。当时强大的科学计算机——如控制数据公司（CDC，Control-Data Corporation）的6600，已经有能力求解那些IC方程。在这些因素的共同推动下，世界上的许多实验室都开始尝试开发这样的计算机程序。

加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）的Don Pederson在1962年就认识到了IC将会对世界产生的巨大影响，他首先在大学中建造了第一个半导体制造工厂；他也看到了计算机辅助设计的需求。在Don的支持下，在1969-70年，青年教授Ron Rohrer在研究生班中组织了一个有关计算机辅助设计（CAD，Computer-Aided Design）的班级课题。这个项目的目标是“开发出最好的集成电路仿真程序”。该程序需要实现的主要任务是快速获得模拟集成电路的直流工作点；在早期的半导体工业中，线性双极型IC——例如运算放大器，扮演了十分关键的角色，而运算放大器的性能的发挥完全有赖于正确的偏置。

班上的学生们编写的不同代码被Larry Nagel整合成了单一的、完整的程序，名为CANCER（Computer-Aided Nonlinear Circuit analysis ExcludingRadiation）[1]，它能够进行直流(DC)、交流(AC)以及时域瞬态分析。当然，当时的CANCER并不完善，存在一些问题；首先，它有一个不讨人喜欢的名字，此外，更重要的一点是，它是一个专有（proprietary）的程序。这一点是与Don Pederson的思想相悖的。Don Pederson始终秉持这样的信条：大学的研究应当是公开的，应当有助于科学的进步。经过进一步的研究改进之后，一个拥有新的名字的仿真器——SPICE产生了。SPICE1于1971年秋首次公开发布。在四十多年后的今天，在一块芯片上已经能集成数十亿个晶体管的今天，市面上已经有了各种各样的商业版本和公开发行版本的SPICE；SPICE也已经演变成了IC设计的标准，用在了所有的晶体管级电路的设计中。

SPICE1以电路描述语言为起点，带来了一系列的创新，如今，这种语言在不同的IC CAD工具中事实上只是形式上有变化而已；此外，它还包含了很多算法创新，如关联矩阵电路表示、节点-基准电压（node-to-datum voltage）解决方案、稀疏矩阵算法、Newton-Raphson迭代和隐式数值积分等。这一系列算法统称为直接解法（direct-methods solution）[2]。

SPICE1的用户为UC Berkeley所有电路课的学生，以及一些来自产业界的“友好的”设计人员。他们给出了很多非常有价值的反馈，指出了第一版的SPICE的缺点。其中最重要的几个缺点与编译时声明的元件数量、电压源接地限制（节点-基准电压方程）和固定时间-步长积分等问题有关。

以上的这些缺点促使人们进行更进一步的研究，并于1975年首次发布了SPICE2。早期的SPICE 2A和2B两个版本只解决了后两个问题——节点-基准电压方程被替换成了改进节点分析（MNA，Modified-Nodal Analysis），此外，程序中还加入了一个可变时间-步长的算法 [3]；而元件数量限制直到1976年才由Ellis Cohen在SPICE 2D中解决；Ellis重新构建了数据结构，并用Fortran写了一个内存管理包，它不需要依赖于各种元件（如晶体管、电阻、电容）的数量，就能将计算机的可用内存分配给电路。

到此，SPICE2已经具备了广泛应用的条件，而且UC Berkeley的电子研究实验室（ERL，Electronics Research Laboratory）的准备工作也已经到位，他们把这个程序包括源代码和文档发布出去，给任何感兴趣者。

然而，在产业界这一程序并没有获得一致的认可；实际上仍存在着一大批怀疑者，他们以Bob Pease为首——Bob Pease在《电子设计》（Electronic Design）杂志上开有一个专栏，题为“这个辛辣（spice）的东西到底是个什么玩意儿？（What’sAll This SPICEY Stuff, Anyhow?）”，并写道，“没有什么事情是SPICE能做到而我不能手工做到的”。对于一项颠覆性的技术来说，只有人类自己才是技术可能遇到的阻力；不过，随着IC复杂度的提升，该技术的使用者越来越多，到了70年代末，绝大部分半导体公司都已经用上了SPICE。

随着该程序在产业界的广泛使用，对其进行进一步改进和补充也提上了日程；Don Pederson把这个挑战交给了Andrei Vladimirescu。要解决的关键问题是所得结果的鲁棒性，而它由牛顿迭代算法的收敛性与否决定。SPICE的2F和2G版本对算法进行了一些改良，如基于实际电导值的电路矩阵重排序（旋转）、工作点（operating point）解的连续方法（continuation methods）、来自于牛顿迭代法的个性化器件（device-specific）限流算法等。SPICE 2G6 [4]在1980年发布，并由UC Berkeley免费分发，可以说，它是由大学开发的、最强大（robust）的软件。SPICE 2G6强大的产业实力是当时刚刚开始的HSPICE项目的基础，而HSPICE今天已经成为了商业SPICE仿真器的市场领导者。

像惠普（Hewlett Packard）、模拟器件公司（Analog Devices）、泰克（Tektronix）、德州仪器（Texas Instruments）等大公司纷纷组建了它们自己的CAD部门，招揽了如DickDowell、Steve Hamm、Graham Boyle和Burt Epler等SPICE专家，在这些专家的帮助下将Berkeley的程序改编，以满足它们自己的具体需求。从70年代后期到80年代初期的近十年的时间里，Berkeley与产业界的SPICE专家们之间的交流是持续而开放的，后者提供关于错误修复和改进的反馈，而前者将这些反馈应用于后来发布的版本中。这是一个大学与产业界协作的独特案例，这样的合作使整个半导体领域受益匪浅。

图2 唐·佩德森（Don Pederson）

20世纪70年代末，UC Berkeley发布了伯克利标准发行（BSD，Berkeley Standard Distribution）Unix操作系统——一个从Bell实验室发明的Unix系统衍生而来的操作系统。与Unix密切相关的C语言，提供了应用程序与设备的交互。Tom Quarles着手进行了SPICE2的重构，并将它的数据结构从Fortran转换为了C；SPICE3于1983年发布，它是一个具有图形功能的交互式程序。人们对SPICE3的改进与补充一直在进行着，直到1993年UC Berkeley发布了它的最后一个版本SPICE 3f5——它的求解算法已经完全成熟了，人们无法想象还有什么进一步的研究项目可以进行。

1998年，由于在SPICE项目中扮演了最重要的角色，以及SPICE已经在事实上被采用为了IC设计的标准，Don Pederson被授予了IEEE金奖（Gold Medal）；同时，他也正式获得了“SPICE之父”的头衔。

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