工程學(xué)科的著名教授，其“青史留名”，不在于他發(fā)表了多少論文，更重要在于其為工業(yè)界的直接貢獻(xiàn)。本人在2013年8月也在新浪微博上發(fā)表過“工科學(xué)者有所成”的說法?，F(xiàn)用國外著名教授Spice之父Don Pederson教授的例子說明。

圖1：工程領(lǐng)域的有所成“意味著你的研究成果被工業(yè)界所使用，而且社會(huì)公認(rèn)這個(gè)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(xué)生翻譯，即將由清華大學(xué)出版社出版1960年代初，硅集成電路（IC）的發(fā)明，與原有的由分立元件組成的印刷電路板（PCB）電路不同，人們迫切需要新的設(shè)計(jì)方法。PCB板的電路系統(tǒng)，可以用實(shí)驗(yàn)板測(cè)量檢驗(yàn)、可以通過試錯(cuò)來校正。然而，對(duì)于集成電路若設(shè)計(jì)出的電路沒有達(dá)到最初的目標(biāo)，那么它需要重新加工制造才可以修正錯(cuò)誤。制造過程需要經(jīng)過很多道工序。而那些無法工作的硅片會(huì)被扔掉，這白白增加了成本，延長了IC的上市時(shí)間。

工業(yè)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硅片。

基礎(chǔ)條件：人們認(rèn)識(shí)到，求解大規(guī)模晶體管組成的電子電路的數(shù)學(xué)方程，可以在計(jì)算機(jī)的輔助下解決。當(dāng)時(shí)強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)——如控制數(shù)據(jù)公司（CDC，Control-Data Corporation）的6600，已經(jīng)有能力求解那些IC方程。在這些因素的共同推動(dòng)下，世界上的許多實(shí)驗(yàn)室都開始嘗試開發(fā)這樣的計(jì)算機(jī)程序。

加州大學(xué)伯克利分校（University of California at Berkeley）的Don Pederson在1962年就認(rèn)識(shí)到了IC將會(huì)對(duì)世界產(chǎn)生的巨大影響，他首先在大學(xué)中建造了第一個(gè)半導(dǎo)體制造工廠；他也看到了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的需求。在Don的支持下，在1969-70年，青年教授Ron Rohrer在研究生班中組織了一個(gè)有關(guān)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，Computer-Aided Design）的班級(jí)課題。這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是“開發(fā)出最好的集成電路仿真程序”。該程序需要實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)是快速獲得模擬集成電路的直流工作點(diǎn)；在早期的半導(dǎo)體工業(yè)中，線性雙極型IC——例如運(yùn)算放大器，扮演了十分關(guān)鍵的角色，而運(yùn)算放大器的性能的發(fā)揮完全有賴于正確的偏置。

班上的學(xué)生們編寫的不同代碼被Larry Nagel整合成了單一的、完整的程序，名為CANCER（Computer-Aided Nonlinear Circuit analysis ExcludingRadiation）[1]，它能夠進(jìn)行直流(DC)、交流(AC)以及時(shí)域瞬態(tài)分析。當(dāng)然，當(dāng)時(shí)的CANCER并不完善，存在一些問題；首先，它有一個(gè)不討人喜歡的名字，此外，更重要的一點(diǎn)是，它是一個(gè)專有（proprietary）的程序。這一點(diǎn)是與Don Pederson的思想相悖的。Don Pederson始終秉持這樣的信條：大學(xué)的研究應(yīng)當(dāng)是公開的，應(yīng)當(dāng)有助于科學(xué)的進(jìn)步。經(jīng)過進(jìn)一步的研究改進(jìn)之后，一個(gè)擁有新的名字的仿真器——SPICE產(chǎn)生了。SPICE1于1971年秋首次公開發(fā)布。在四十多年后的今天，在一塊芯片上已經(jīng)能集成數(shù)十億個(gè)晶體管的今天，市面上已經(jīng)有了各種各樣的商業(yè)版本和公開發(fā)行版本的SPICE；SPICE也已經(jīng)演變成了IC設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，用在了所有的晶體管級(jí)電路的設(shè)計(jì)中。

SPICE1以電路描述語言為起點(diǎn)，帶來了一系列的創(chuàng)新，如今，這種語言在不同的IC CAD工具中事實(shí)上只是形式上有變化而已；此外，它還包含了很多算法創(chuàng)新，如關(guān)聯(lián)矩陣電路表示、節(jié)點(diǎn)-基準(zhǔn)電壓（node-to-datum voltage）解決方案、稀疏矩陣算法、Newton-Raphson迭代和隱式數(shù)值積分等。這一系列算法統(tǒng)稱為直接解法（direct-methods solution）[2]。

SPICE1的用戶為UC Berkeley所有電路課的學(xué)生，以及一些來自產(chǎn)業(yè)界的“友好的”設(shè)計(jì)人員。他們給出了很多非常有價(jià)值的反饋，指出了第一版的SPICE的缺點(diǎn)。其中最重要的幾個(gè)缺點(diǎn)與編譯時(shí)聲明的元件數(shù)量、電壓源接地限制（節(jié)點(diǎn)-基準(zhǔn)電壓方程）和固定時(shí)間-步長積分等問題有關(guān)。

以上的這些缺點(diǎn)促使人們進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，并于1975年首次發(fā)布了SPICE2。早期的SPICE 2A和2B兩個(gè)版本只解決了后兩個(gè)問題——節(jié)點(diǎn)-基準(zhǔn)電壓方程被替換成了改進(jìn)節(jié)點(diǎn)分析（MNA，Modified-Nodal Analysis），此外，程序中還加入了一個(gè)可變時(shí)間-步長的算法 [3]；而元件數(shù)量限制直到1976年才由Ellis Cohen在SPICE 2D中解決；Ellis重新構(gòu)建了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并用Fortran寫了一個(gè)內(nèi)存管理包，它不需要依賴于各種元件（如晶體管、電阻、電容）的數(shù)量，就能將計(jì)算機(jī)的可用內(nèi)存分配給電路。

到此，SPICE2已經(jīng)具備了廣泛應(yīng)用的條件，而且UC Berkeley的電子研究實(shí)驗(yàn)室（ERL，Electronics Research Laboratory）的準(zhǔn)備工作也已經(jīng)到位，他們把這個(gè)程序包括源代碼和文檔發(fā)布出去，給任何感興趣者。

然而，在產(chǎn)業(yè)界這一程序并沒有獲得一致的認(rèn)可；實(shí)際上仍存在著一大批懷疑者，他們以Bob Pease為首——Bob Pease在《電子設(shè)計(jì)》（Electronic Design）雜志上開有一個(gè)專欄，題為“這個(gè)辛辣（spice）的東西到底是個(gè)什么玩意兒？（What’sAll This SPICEY Stuff, Anyhow?）”，并寫道，“沒有什么事情是SPICE能做到而我不能手工做到的”。對(duì)于一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)來說，只有人類自己才是技術(shù)可能遇到的阻力；不過，隨著IC復(fù)雜度的提升，該技術(shù)的使用者越來越多，到了70年代末，絕大部分半導(dǎo)體公司都已經(jīng)用上了SPICE。

隨著該程序在產(chǎn)業(yè)界的廣泛使用，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和補(bǔ)充也提上了日程；Don Pederson把這個(gè)挑戰(zhàn)交給了Andrei Vladimirescu。要解決的關(guān)鍵問題是所得結(jié)果的魯棒性，而它由牛頓迭代算法的收斂性與否決定。SPICE的2F和2G版本對(duì)算法進(jìn)行了一些改良，如基于實(shí)際電導(dǎo)值的電路矩陣重排序（旋轉(zhuǎn)）、工作點(diǎn)（operating point）解的連續(xù)方法（continuation methods）、來自于牛頓迭代法的個(gè)性化器件（device-specific）限流算法等。SPICE 2G6 [4]在1980年發(fā)布，并由UC Berkeley免費(fèi)分發(fā)，可以說，它是由大學(xué)開發(fā)的、最強(qiáng)大（robust）的軟件。SPICE 2G6強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)實(shí)力是當(dāng)時(shí)剛剛開始的HSPICE項(xiàng)目的基礎(chǔ)，而HSPICE今天已經(jīng)成為了商業(yè)SPICE仿真器的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。

像惠普（Hewlett Packard）、模擬器件公司（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將Berkeley的程序改編，以滿足它們自己的具體需求。從70年代后期到80年代初期的近十年的時(shí)間里，Berkeley與產(chǎn)業(yè)界的SPICE專家們之間的交流是持續(xù)而開放的，后者提供關(guān)于錯(cuò)誤修復(fù)和改進(jìn)的反饋，而前者將這些反饋應(yīng)用于后來發(fā)布的版本中。這是一個(gè)大學(xué)與產(chǎn)業(yè)界協(xié)作的獨(dú)特案例，這樣的合作使整個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域受益匪淺。

圖2 唐·佩德森（Don Pederson）

20世紀(jì)70年代末，UC Berkeley發(fā)布了伯克利標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行（BSD，Berkeley Standard Distribution）Unix操作系統(tǒng)——一個(gè)從Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的Unix系統(tǒng)衍生而來的操作系統(tǒng)。與Unix密切相關(guān)的C語言，提供了應(yīng)用程序與設(shè)備的交互。Tom Quarles著手進(jìn)行了SPICE2的重構(gòu)，并將它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從Fortran轉(zhuǎn)換為了C；SPICE3于1983年發(fā)布，它是一個(gè)具有圖形功能的交互式程序。人們對(duì)SPICE3的改進(jìn)與補(bǔ)充一直在進(jìn)行著，直到1993年UC Berkeley發(fā)布了它的最后一個(gè)版本SPICE 3f5——它的求解算法已經(jīng)完全成熟了，人們無法想象還有什么進(jìn)一步的研究項(xiàng)目可以進(jìn)行。

1998年，由于在SPICE項(xiàng)目中扮演了最重要的角色，以及SPICE已經(jīng)在事實(shí)上被采用為了IC設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，Don Pederson被授予了IEEE金獎(jiǎng)（Gold Medal）；同時(shí)，他也正式獲得了“SPICE之父”的頭銜。