Interested Article - SPICE (симулятор электронных схем)

SPICE ( Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ) — симулятор электронных схем общего назначения с открытым исходным кодом . Является мощной программой, используемой в разработке как интегральных схем , так и печатных плат для проверки целостности схемы и для анализа её поведения.

Введение

Интегральные схемы, в отличие от печатных плат, практически не поддаются макетированию перед производством. Кроме того, высокая стоимость создания фотолитографических масок и других этапов полупроводникового производства приводят к необходимости очень тщательной разработки и верификации. Симуляция схемы при помощи SPICE является общепринятым в полупроводниковой промышленности способом верификации работы схемы на транзисторном уровне (перед её реализацией в кремнии).

Для печатных плат, особенно небольшой сложности, возможно проводить макетирование. Но на макетной плате некоторые свойства схем могут быть неточны по сравнению с итоговой платой. Например, на макетной плате у печатных дорожек будут иные паразитные сопротивления и ёмкости. Подобные паразитные элементы часто можно оценить при помощи симуляции на SPICE.

История

SPICE был разработан в Electronics Research Laboratory в Калифорнийском университете в Беркли Лоуренсом Нагелем ( ) и его научным руководителем профессором Дональдом Педерсоном ( ). SPICE1 был в значительной степени основан на более ранней программе CANCER, написанной Лоуренсом с другим научным руководителем, профессором Рональдом Рохрером (Ronald Rohrer). Название программы расшифровывалось как «Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation» (Компьютерный анализ нелинейных схем, исключая радиацию), что было отсылкой к относительной свободе в Университете Беркли в 1960-х годах . В то время большая часть симуляторов электронных схем разрабатывалась по грантам и контрактам министерства обороны США , одним из требований которых была возможность оценки влияния радиации на работу схем (См. ). После смены научного руководителя, Нагелю пришлось переписать проприетарный CANCER так, чтобы новую программу можно было опубликовать в открытом доступе, таким образом передав в общественное достояние.

Впервые SPICE1 был представлен на конференции в 1973. Программа была написана на языке FORTRAN и использовала анализ цепи методом узловых потенциалов для построения уравнений схемы. Метод узловых потенциалов имел ограничения в работе с индуктивностями, источниками переменного напряжения и с различными вариантами управляемых генераторов тока и напряжения. В SPICE1 было доступно небольшое количество элементов, программа использовала (transient analysis) с фиксированным шагом по времени. Популярность пришла ко второй версии программы, SPICE2 , в 1975 году. Она тоже была написана на FORTRAN, но имела больше элементов, позволяла изменять шаг по времени при анализе переходных процессов, уравнения цепей формулировались при помощи модифицированного метода узловых потенциалов ( ) , устраняя тем самым ограничения метода узловых потенциалов. Последняя версия SPICE, написанная на языке FORTRAN, — 2G.6 (1983 год). Следующую версию, SPICE3 разработал Томас Кворлс (Thomas Quarles) в 1989. Она написана на языке Си , использует тот же формат данных об электрических цепях (netlist) и поддерживает визуализацию в среде X Window System .

С ранних версий SPICE являлась программным обеспечением с открытыми исходными кодами, что способствовало её широкому распространению и применению. SPICE стала индустриальным стандартом симуляции электрических схем . Исходные коды SPICE распространялись университетом по номинальной стоимости (по цене магнитной ленты). Лицензия изначально включала в себя условия, ограничивающие передачу кода в некоторые недружественные США страны, но в настоящее время программа распространяется по условиям лицензии BSD .

SPICE послужил основой для разработки множества других программ симуляции схем, как в академической, так и в промышленной среде. Первая коммерческая версия — ISPICE, ( ). Наиболее выдающиеся коммерческие версии SPICE: HSPICE (изначально Meta Software, ныне Synopsys ) и (ныне Cadence Design Systems ). Академические версии программы: XSPICE ( Georgia Tech , с поддержкой смешанных аналого-цифровых моделей) и Cider (ранее CODECS, UC Berkeley и Oregon State Univ.; с поддержкой полупроводниковых устройств). Индустрия проектирования интегральных схем достаточно рано начала пользоваться SPICE, и, до развития коммерческих реализаций, многие компании-разработчики микросхем имели собственные проприетарные версии SPICE. В настоящее время крупные производители микросхем развивают собственные программы симулирования на базе SPICE. Например, ADICE у компании Analog Devices , у , Mica у Freescale Semiconductor , TISPICE у Texas Instruments .

В 2011 году появление SPICE было отнесено к , было отмечено, что SPICE и его производные стали неотъемлемой частью разработки практически любой интегральной схемы.

Особенности и структура программы

SPICE стал популярен, поскольку поддерживал анализ и содержал модели, необходимые для разработки интегральных схем того времени, и при этом был достаточно быстрым для практического использования. Предшественники SPICE часто имели лишь одно предназначение, например BIAS позволял рассчитывать режимы биполярных транзисторов; SLIC производил анализ малых сигналов. SPICE комбинировал в себе несколько режимов анализа и достаточно обширную библиотеку моделей устройств.

Виды анализа

SPICE2 включает в себя:

AC-анализ (анализ по переменному току)
DC-анализ (анализ по постоянному току) для слабых сигналов
анализ DC transfer curve
анализ шумов
анализ передаточной функции (входное и выходное усиление малых сигналов и вычисление импеданса )

Входные и выходные форматы: Netlist, schematic capture и plotting

SPICE2 принимает netlist в текстовом виде на вход и выдает line-printer listings как результат своей работы. Такая программа была типичной для 1975 года. Листинги представляют либо колонки с номерами, соответствующими рассчитанным выходным параметрам (чаще всего, токам и напряжениям), либо представляли собой рисунок из символов ( ASCII art ). SPICE3 оставил формат netlist для описания схем, но позволил контролировать анализ с помощью командного интерфейса ( CLI ). Также в SPICE3 появились базовые варианты отрисовки схемы в графической среде X Window , по мере того, как Unix и рабочие станции становились более популярными.

См. также

Примечания

Nagel, L. W., and Rohrer, R. A. (англ.) // IEEE Journal of Solid State Circuits : journal. — 1971. — August ( vol. SC—6 ). — P. 166—182 . — doi : . (недоступная ссылка)
(неопр.) . Дата обращения: 17 мая 2010. Архивировано из 4 февраля 2012 года.
Perry, T. (англ.) // IEEE Spectrum : magazine. — 1998. — June ( vol. 35 ). — P. 22—27 . — doi : . 13 февраля 2009 года.
от 11 июня 2010 на Wayback Machine , Technical Report No. UCB/ERL M382, April 1973, Laurence W. Nagel and D.O. Pederson
от 11 июня 2010 на Wayback Machine , Laurence W. Nagel, Berkeley Technical Report No. UCB/ERL M520 1975
Ho, Ruehli, and Brennan (1974). . Proc. 1974 Int. Symposium on Circuits and Systems, San Francisco . pp. 505—509. из оригинала 15 мая 2011 . Дата обращения: 17 мая 2010 . {{ cite conference }} : Неизвестный параметр |month= игнорируется ( справка ) Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) ( ссылка ) (неопр.) . Дата обращения: 14 июня 2023. Архивировано 15 мая 2011 года.
Quarles, Thomas L., Analysis of Performance and Convergence Issues for Circuit Simulation , Memorandum No. UCB/ERL M89/42, University of California, Berkeley, Apr. 1989.
Pescovitz, David (2002-05-02). . Lab Notes: Research from the Berkeley College of Engineering. из оригинала 3 февраля 2007 . Дата обращения: 10 марта 2007 .
Vladimirescu, Andrei, SPICE — The Third Decade , Proc. 1990 IEEE Bipolar Circuits and Technology Meeting, Minneapolis, Sept. 1990, pp. 96-101
K. S. Kundert, The Designer’s Guide to SPICE and SPECTRE , Kluwer. Academic Publishers, Boston , 1998
(неопр.) . IEEE Global History Network . IEEE. Дата обращения: 1 января 2013. 6 января 2013 года.
Nagel, L., 26 сентября 2006 года. , 2004 Numerical Aspects of Device and Circuit Modeling Workshop, June 23-25, 2004, Santa Fe, New Mexico. Retrieved on 2007-11-10
McCalla and Howard. (англ.) // IEEE J. of Solid State Circuits : journal. — 1971. — February ( vol. 6 ). — P. 14—19 . — doi : . (недоступная ссылка)
Idleman, Jenkins, McCalla and Pederson. (неопр.) // IEEE J. of Solid State Circuits. — 1971. — August ( т. 6 ). — С. 188—203 . — doi : .