stringtranslate.com

СПАЙС

SPICE (« Программа моделирования с акцентом на интегральные схемы ») [1] [2] — это универсальный симулятор аналоговых электронных схем с открытым исходным кодом . Это программа, используемая в проектировании интегральных схем и плат для проверки целостности схемных конструкций и прогнозирования поведения схем .

Введение

В отличие от конструкций на уровне платы, состоящих из дискретных деталей, непрактично делать макет интегральных схем перед производством. Кроме того, высокая стоимость фотолитографических масок и других предварительных условий производства делает необходимым проектирование схемы как можно более близкой к идеальной до того, как интегральная схема будет впервые построена.

Моделирование схемы с помощью SPICE является стандартным для отрасли способом проверки работы схемы на уровне транзистора перед тем, как приступить к изготовлению интегральной схемы. Симуляторы SPICE помогают предсказать поведение ИС в различных рабочих условиях, таких как различные уровни напряжения и тока, колебания температуры и шум. [3]

Схемы на уровне платы часто можно макетировать для тестирования. Даже с макетной платой некоторые свойства схемы могут быть неточными по сравнению с окончательной печатной платой, например, паразитные сопротивления и емкости , влияние которых часто можно оценить точнее с помощью моделирования. Кроме того, проектировщикам может потребоваться больше информации о схеме, чем доступно из одного макета. Например, на производительность схемы влияют допуски при изготовлении компонентов. В этих случаях обычно используют SPICE для выполнения моделирования Монте-Карло влияния изменений компонентов на производительность, что непрактично при использовании ручных расчетов для схемы любой значительной сложности.

Программы моделирования цепей, из которых SPICE и производные являются наиболее известными, берут текстовый список соединений, описывающий элементы схемы ( транзисторы , резисторы , конденсаторы и т. д.) и их соединения, и переводят [4] это описание в уравнения, которые нужно решить. Полученные общие уравнения являются нелинейными дифференциально-алгебраическими уравнениями , которые решаются с использованием методов неявного интегрирования , метода Ньютона и методов разреженных матриц .

Происхождение

SPICE был разработан в Лаборатории электронных исследований Калифорнийского университета в Беркли Лоренсом Нагелем под руководством его научного руководителя, профессора Дональда Педерсона . SPICE1 в значительной степени является производной от программы CANCER, [5] над которой Нагель работал под руководством профессора Рональда Рорера. CANCER — это аббревиатура от «Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Exclusion». [6] В то время по контрактам с Министерством обороны США разрабатывалось много симуляторов цепей , которые требовали возможности оценки радиационной стойкости схемы. Когда первоначальный руководитель Нагеля, профессор Рорер, покинул Беркли, профессор Педерсон стал его руководителем. Педерсон настоял на том, чтобы CANCER, запатентованная программа, была переписана достаточно, чтобы можно было снять ограничения и сделать программу общедоступной . [ 7]

SPICE1 был впервые представлен на конференции в 1973 году. [1] SPICE1 написан на языке FORTRAN и для построения уравнений цепи использует узловой анализ , который имеет ограничения в представлении индукторов, плавающих источников напряжения и различных форм управляемых источников. [8] SPICE1 имеет относительно мало доступных элементов схемы и использует анализ переходных процессов с фиксированным шагом по времени . Настоящая популярность SPICE началась с SPICE2 в 1975 году. [2] SPICE2, также написанный на языке FORTRAN, представляет собой значительно улучшенную программу с большим количеством элементов схемы, анализом переходных процессов с переменным шагом по времени с использованием либо трапециевидного ( метод Адамса-Моултона второго порядка ), либо метода интегрирования Gear (также известного как BDF ), формулировкой уравнений с помощью модифицированного узлового анализа (избегающего ограничений узлового анализа), [9] и инновационной системой распределения памяти на основе FORTRAN. [10] Эллис Коэн руководил разработкой от версии 2B до отраслевого стандарта SPICE 2G6, последней версии FORTRAN, выпущенной в 1983 году. [11] [12] SPICE3 был разработан Томасом Куорлзом (с А. Ричардом Ньютоном в качестве консультанта) в 1989 году. Он написан на языке C , использует тот же синтаксис списка соединений и добавлен вывод графиков в системе X Window . [13]

Как ранняя общедоступная программа с исходным кодом , [14] SPICE широко распространялась и использовалась. Ее повсеместное распространение стало таким, что «to SPICE a circuit» остается синонимом моделирования схемы. [15] Исходный код SPICE с самого начала распространялся Калифорнийским университетом в Беркли за номинальную плату (для покрытия стоимости магнитной ленты). Первоначально лицензия включала ограничения на распространение для стран, не считающихся дружественными к США, но в настоящее время исходный код покрывается лицензией BSD .

Рождение SPICE было названо вехой IEEE в 2011 году; в записи упоминается, что SPICE «развился, чтобы стать всемирным стандартом симулятора интегральных схем». [16] Нагель был награжден премией IEEE Donald O. Pederson Award 2019 в области твердотельных схем за разработку SPICE. [17]

Преемники

Преемники с открытым исходным кодом

Никаких новых версий Berkeley SPICE не было выпущено после версии 3f5 в 1993 году. [18] С тех пор, открытые исходные коды или академические продолжения SPICE включают: XSPICE, [19] разработанный в Georgia Tech , который добавил смешанные аналоговые/цифровые «модели кода» для поведенческого моделирования; CIDER [20] (ранее CODECS), разработанный UC Berkeley и Oregon State University, который добавил моделирование полупроводниковых устройств ; Ngspice , [21] [22] основанный на SPICE 3f5; WRspice, [23] переписанный на C++ оригинальный код spice3f5. Другие открытые исходные коды симуляторов, не разработанные академиками, это QUCS , QUCS-S, [24] Xyce, [25] и Qucsator.

Коммерческие версии и спин-оффы

Berkeley SPICE вдохновил и послужил основой для многих других программ моделирования схем в академических кругах, в промышленности и в коммерческих продуктах. Первой коммерческой версией SPICE является ISPICE, [26] интерактивная версия на таймшер-сервисе National CSS . Наиболее известные коммерческие версии SPICE включают HSPICE (первоначально коммерциализированную Ashawna и Kim Hailey из Meta Software, но теперь принадлежащую Synopsys ) и PSPICE (теперь принадлежащую Cadence Design Systems ). Индустрия интегральных схем быстро приняла SPICE, и пока коммерческие версии не стали хорошо развитыми, многие проектные компании IC имели собственные версии SPICE. [27]

Сегодня несколько производителей ИС, как правило, крупные компании, имеют группы, продолжающие разрабатывать программы моделирования схем на основе SPICE. Среди них ADICE и LTspice в Analog Devices , QSPICE в Qorvo , MCSPICE, за которыми следует Mica в Freescale Semiconductor , теперь NXP Semiconductors , и TINA-TI [28] в Texas Instruments . И LTspice, и TINA-TI поставляются в комплекте с моделями от своих компаний. [29] [30] Другие компании поддерживают внутренние симуляторы схем, которые не основаны напрямую на SPICE, среди них PowerSpice в IBM , TITAN в Infineon Technologies , Lynx в Intel Corporation и Pstar в NXP Semiconductors . [31]

Особенности и структура программы

SPICE стал популярным, потому что он содержал анализы и модели, необходимые для проектирования интегральных схем того времени, и был достаточно надежным и быстрым, чтобы его можно было использовать на практике. [32] Предшественники SPICE часто имели одну цель: например, программа BIAS [33] выполняла моделирование рабочих точек схемы биполярного транзистора; программа SLIC [34] выполняла только анализ малых сигналов. SPICE объединял решения рабочих точек, анализ переходных процессов и различные анализы малых сигналов с элементами схемы и моделями устройств, необходимыми для успешного моделирования многих схем.

Анализы

SPICE2 включает в себя следующие анализы:

Поскольку SPICE обычно используется для моделирования цепей с нелинейными элементами , анализу малых сигналов обязательно предшествует расчет точки покоя , в которой схема линеаризуется. SPICE2 также содержит код для других анализов малых сигналов: анализ чувствительности , анализ полюсов и нулей и анализ искажений малых сигналов . Анализ при различных температурах выполняется путем автоматического обновления параметров модели полупроводника для температуры, что позволяет моделировать схему при экстремальных температурах.

Другие симуляторы цепей с тех пор добавили много анализов помимо тех, что есть в SPICE2, чтобы соответствовать меняющимся требованиям отрасли. Параметрические развертки были добавлены для анализа производительности схемы с изменяющимися производственными допусками или условиями эксплуатации. Были добавлены расчеты усиления контура и устойчивости для аналоговых схем. Гармонический баланс или анализ стационарного состояния во временной области были добавлены для проектирования схем RF и коммутируемых конденсаторов. Однако общедоступный симулятор цепей, содержащий современные анализы и функции, необходимые для того, чтобы стать преемником популярности SPICE, еще не появился. [32]

Очень важно использовать соответствующие анализы с тщательно подобранными параметрами. Например, применение линейного анализа к нелинейным цепям должно быть обосновано отдельно. Кроме того, применение переходного анализа с параметрами моделирования по умолчанию может привести к качественно неверным выводам о динамике цепи. [35]

Модели устройств

SPICE2 включает в себя множество компактных моделей полупроводниковых приборов : три уровня модели MOSFET , комбинированную биполярную модель Эберса–Молла и Гуммеля–Пуна , модель JFET и модель для диода с переходом . Кроме того, в нем было много других элементов: резисторы, конденсаторы, индукторы (включая связь ), независимые источники напряжения и тока , идеальные линии передачи , активные компоненты и источники, управляемые напряжением и током.

SPICE3 добавил более сложные модели MOSFET, которые были необходимы из-за достижений в области полупроводниковых технологий. В частности, было добавлено семейство моделей BSIM , которые также были разработаны в Калифорнийском университете в Беркли.

Коммерческие и промышленные симуляторы SPICE добавили много других моделей устройств по мере развития технологий и того, что более ранние модели стали неадекватными. Чтобы попытаться стандартизировать эти модели, чтобы набор параметров модели мог использоваться в различных симуляторах, была сформирована отраслевая рабочая группа, Compact Model Council [36] , для выбора, поддержки и продвижения использования стандартных моделей. Стандартные модели на сегодняшний день включают BSIM3, BSIM4, BSIMSOI, PSP, HICUM и MEXTRAM.

Spice может использовать модели устройств из Foundry PDK .

Ввод и вывод: списки соединений, захват и построение схем

SPICE2 принимает текстовый список соединений в качестве входных данных и выдает листинги для построчного принтера в качестве выходных данных, что соответствует вычислительной среде 1975 года. Эти листинги представляют собой либо столбцы чисел, соответствующие вычисленным выходам (обычно напряжениям или токам), либо «графики» символов для построчного принтера . SPICE3 сохраняет список соединений для описания схемы, но позволяет управлять анализами из интерфейса командной строки, похожего на оболочку C. SPICE3 также добавил базовое построение графиков X , поскольку UNIX и инженерные рабочие станции стали обычным явлением.

Поставщики и различные проекты свободного программного обеспечения добавили интерфейсы захвата схем в SPICE, что позволяет рисовать принципиальную схему цепи и автоматически генерировать список соединений и передавать его в различные бэкенды SPICE. Кроме того, были добавлены графические пользовательские интерфейсы для выбора моделирования и управления векторами выходного напряжения и тока. Кроме того, были добавлены очень эффективные графические утилиты для просмотра форм сигналов и графиков параметрических зависимостей. Доступно несколько бесплатных версий этих расширенных программ.

Использование SPICE за пределами электронного моделирования

Поскольку SPICE обычно решает нелинейные дифференциально-алгебраические уравнения, его можно применять для моделирования за пределами электрической области.

Наиболее заметными являются тепловые симуляции , поскольку тепловые системы могут быть описаны сосредоточенными элементами схемы, отображаемыми на электронные элементы SPICE (теплоемкость → емкость, теплопроводность/сопротивление → проводимость/сопротивление, температура → напряжение, тепловой поток или вырабатываемое тепло → ток [37] ). Поскольку тепловые и электронные системы тесно связаны системами рассеивания мощности и охлаждения, электротермическое моделирование сегодня поддерживается производителями полупроводниковых приборов, предлагающими модели (транзисторов) как с электрическими, так и с тепловыми узлами. [38] Таким образом, можно получить рассеивание электрической мощности, приводящее к самонагреву, вызывающему изменения параметров, и эффективность системы охлаждения за один прогон симуляции.

SPICE может очень хорошо моделировать электронную часть привода двигателя. Однако он будет так же хорошо описывать электромеханическую модель двигателя. Опять же, это достигается путем отображения механических элементов на электрические (крутящий момент → напряжение, угловая скорость → ток, коэффициент вязкого трения → сопротивление, момент инерции → индуктивность). [39] Таким образом, снова окончательная модель состоит только из совместимых со SPICE сосредоточенных элементов схемы, но в ходе моделирования получаются механические и электрические данные. [40]

Электромагнитное моделирование доступно для симулятора SPICE с помощью метода PEEC (частичная эквивалентная схема элемента). [41] Были отображены уравнения Максвелла, смоделированы RLC, скин-эффект, диэлектрические или магнитные материалы, а также падающие или излучаемые поля.

Однако по состоянию на 2019 год SPICE не может использоваться для «совместного моделирования фотоники и электроники в симуляторе фотонных схем » [42] , и поэтому он пока не рассматривается в качестве тестового симулятора для фотонных интегральных схем.

Микрогидродинамические контуры были смоделированы с помощью SPICE [43] путем создания пневматического полевого транзистора.

SPICE применялся для моделирования интерфейса между биологическими и электронными системами , например, в качестве инструмента проектирования для синтетической биологии и для виртуального прототипирования биосенсоров и лабораторий на чипе. [44]

SPICE применялся в исследовании операций для оценки нарушенных цепочек поставок . [45]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Nagel, Laurence W.; Pederson, D. O (апрель 1973 г.). SPICE (Программа моделирования с акцентом на интегральные схемы) (Технический отчет). Калифорнийский университет в Беркли. UCB/ERL M382.
  2. ^ ab Nagel, Laurence W. (май 1975 г.). SPICE2: Компьютерная программа для моделирования полупроводниковых схем (технический отчет). Калифорнийский университет в Беркли. UCB/ERL M520.
  3. ^ Симуляторы BTV SPICE. Получено 2 января 2023 г.
  4. ^ Уорик, Колин (май 2009 г.). «Все, что вы всегда хотели знать о SPICE* (*Но боялись спросить)» (PDF) . EMC Journal (82): 27–29.
  5. ^ Nagel, LW; Rohrer, RA (август 1971). «Компьютерный анализ нелинейных цепей, исключая излучение». IEEE Journal of Solid-State Circuits . 6 (4): 166–182. Bibcode : 1971IJSSC...6..166N. doi : 10.1109/JSSC.1971.1050166.
  6. ↑ Жизнь SPICE. Архивировано 4 февраля 2012 г. на Wayback Machine.
  7. ^ Перри, Т. (июнь 1998 г.). «Дональд О. Педерсон». IEEE Spectrum . 35 : 22–27. doi :10.1109/6.681968. S2CID  51633338.
  8. ^ Владимиреску, Андрей (1994). Книга SPICE . Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc.
  9. ^ Ruehli, A.; Brennan, P. (июнь 1975 г.). «Модифицированный узловой подход к сетевому анализу». IEEE Transactions on Circuits and Systems . 22 (6): 504–509. doi :10.1109/TCS.1975.1084079.
  10. ^ "Воспоминания "отца SPICE" Ларри Нагеля". ltwiki.org . Получено 21.02.2024 .
  11. ^ Нагель, Лоуренс В. «Истоки SPICE». omega-enterprises.net . Получено 21.02.2024 .
  12. ^ Педерсон, DO Январь 1984. «Исторический обзор моделирования цепей». Труды IEEE по схемам и системам, том, стр. 103–111.
  13. ^ Куорлз, Томас Л., Анализ проблем производительности и сходимости для моделирования схем , Меморандум № UCB/ERL M89/42, Калифорнийский университет, Беркли, апрель 1989 г.
  14. ^ history-of-spice Архивировано 9 октября 2016 г. в Wayback Machine на allaboutcircuits.com. "Происхождение SPICE восходит к другой программе моделирования цепей под названием CANCER. Разработанная профессором Рональдом Рорером из Калифорнийского университета в Беркли вместе с некоторыми из его студентов в конце 1960-х годов, CANCER продолжала совершенствоваться в начале 1970-х годов. Когда Рорер покинул Беркли, CANCER была переписана и переименована в SPICE, выпущена как версия 1 в общественное достояние в мае 1972 года. Версия 2 SPICE была выпущена в 1975 году (версия 2g6 — версия, используемая в этой книге — является незначительной переработкой этой версии 1975 года). Ключевую роль в решении о выпуске SPICE в качестве компьютерной программы в общественное достояние сыграл профессор Дональд Педерсон из Беркли, который считал, что весь значительный технический прогресс происходит, когда информация свободно распространяется. Я лично благодарю его за его видение".
  15. ^ Песковиц, Дэвид (2002-05-01). "1972: Выпуск SPICE, по-прежнему стандартного инструмента для проектирования интегральных схем". Лабораторные заметки: Исследования из Инженерного колледжа Беркли . Архивировано из оригинала 2015-07-09 . Получено 2007-03-10 .
  16. ^ "Список вех IEEE". IEEE Global History Network . IEEE . Получено 4 августа 2011 г.
  17. ^ Премия Дональда О. Педерсона за твердотельные схемы, Общество твердотельных схем IEEE , июнь 2018 г.
  18. ^ "The Spice Page". Калифорнийский университет в Беркли . Архивировано из оригинала 8 декабря 2023 г.
  19. ^ Cox, FL; Kuhn, WB; Murray, JP; Tynor, SD (1992). «Моделирование на уровне кода в XSPICE». [Труды] 1992 IEEE International Symposium on Circuits and Systems . Vol. 2. pp. 871–874. doi :10.1109/ISCAS.1992.230083. ISBN 0-7803-0593-0. S2CID  195705106.
  20. ^ CODECS: Симулятор схем и устройств смешанного уровня, К. Маярам, ​​Меморандум № UCB/ERL M88/71, Беркли, 1988, http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/1988/ERL-88-71.pdf
  21. ^ "ngspice, текущее состояние и будущее развитие", Х. Фогт, FOSDEM, Брюссель 2019
  22. ^ "ngspice - симулятор смешанных сигнальных цепей с открытым исходным кодом". Free Silicon Foundation (F-Si) . Получено 2019-07-08 .
  23. ^ "WRspice". Whiteley Research . Получено 2021-05-07 .
  24. ^ Программное обеспечение QUCS-S
  25. ^ Программное обеспечение Xyce, Sandia National Laboratories.
  26. ^ Владимиреску, А. (1990). «SPICE: Третье десятилетие». Труды конференции по биполярным схемам и технологиям . С. 96–101. doi :10.1109/BIPOL.1990.171136. S2CID  62622975.
  27. ^ KS Kundert, The Designer's Guide to SPICE and Spectre , Kluwer. Academic Publishers, Бостон, 1995
  28. ^ Программа аналогового моделирования на основе SPICE - TINA-TI - Папка программного обеспечения TI Архивировано 19 октября 2016 г. на Wayback Machine
  29. ^ Арт Кей (2012). Шум операционного усилителя: методы и советы по анализу и снижению шума. Elsevier. стр. 41. ISBN 978-0-08-094243-8.
  30. ^ Рон Манчини (2012). Операционные усилители для всех. Newnes. стр. 162. ISBN 978-0-12-394406-1.
  31. ^ Iannello, Chris (август 2012). Обзор моделирования цепей PSPICE: часть 1 (видео). Событие происходит в 2:39.
  32. ^ ab Nagel, L., Is it Time for SPICE4? Архивировано 26 сентября 2006 г., в Wayback Machine , 2004 Numerical Aspects of Device and Circuit Modeling Workshop, 23–25 июня 2004 г., Санта-Фе, Нью-Мексико. Получено 10 ноября 2007 г.
  33. ^ МакКалла и Говард (февраль 1971 г.). «BIAS-3: Программа для нелинейного анализа постоянного тока биполярных транзисторных цепей». Журнал IEEE Solid-State Circuits . 6 (1): 14–19. Bibcode : 1971IJSSC...6...14M. doi : 10.1109/JSSC.1971.1050153.
  34. ^ Idleman, TE; Jenkins, FS; McCalla, WJ; Pederson, DO (август 1971). "SLIC: Симулятор для линейных интегральных схем". IEEE Journal of Solid-State Circuits . 6 (4): 188–203. Bibcode : 1971IJSSC...6..188I. doi : 10.1109/JSSC.1971.1050168.
  35. ^ Бьянки, Джованни (2015). «Ограничения моделирования ФАПЧ: скрытые колебания в анализе SPICE». 2015 7-й Международный конгресс по ультрасовременным системам телекоммуникаций и управления и семинары (ICUMT) . стр. 79–84. arXiv : 1506.02484 . doi : 10.1109/ICUMT.2015.7382409. ISBN 978-1-4673-9283-9. S2CID  7140415.
  36. ^ "CMC - Compact Model Council". GEIA. Архивировано из оригинала 11 мая 2011 г.
  37. ^ "Учебник ngspice по электротермическому моделированию" . Получено 2022-05-06 .
  38. ^ М. Мэрц; Пол Нэнс. "Тепловое моделирование систем электропитания" (PDF) . Fraunhofer IISB . Получено 2022-05-06 .
  39. ^ "AB-025: Использование SPICE для моделирования двигателей постоянного тока". Precision Microdrives. 22 сентября 2021 г. Получено 06.05.2022 .
  40. ^ Фам и Натан (1998). «Моделирование схем и SPICE-симуляция микросистем со смешанными сигналами» (PDF) . Датчики и материалы . 10 (7): 435–460.
  41. ^ Альберт Э. Рюли; Джулио Антонини; Лицзюнь Цзян (2017). Электромагнитное моделирование с ориентацией на схемы с использованием методов PEEC. Wiley. ISBN 978-1-11-843664-6.
  42. ^ Bogaerts, Wim; Chrostowski, Lukas (апрель 2018 г.). «Проектирование кремниевой фотоники: методы, инструменты и проблемы». Laser & Photonics Reviews . 12 (4): 1700237. Bibcode : 2018LPRv...1200237B. doi : 10.1002/lpor.201700237 . hdl : 1854/LU-8578535 .
  43. ^ Takao, H.; Sugiura, M.; Ishida, M.; Terao, K.; Suzuki, T; Shimokawa, F; Oohira, F. (2011). «Проектирование микрофлюидных схем с». 2011 IEEE 24-я Международная конференция по микроэлектромеханическим системам . IEEE. стр. 1154–1157. doi :10.1109/MEMSYS.2011.5734635. ISBN 978-1-4244-9632-7. S2CID  24263237.
  44. ^ Morgan Madec ea (2017). "Моделирование и имитация биологических систем с использованием языка SPICE". PLOS ONE . 12 (8): e0182385. Bibcode : 2017PLoSO..1282385M. doi : 10.1371/journal.pone.0182385 . PMC 5546598. PMID  28787027 . 
  45. ^ Франсиско Кампузано-Боларин и др. (2021). «Метод сетевого моделирования для оценки возмущенных цепочек поставок на конечном горизонте». CEJOR, Cent. Eur. J. Oper. Res . 29 (3): 823–839. doi :10.1007/s10100-021-00748-3. S2CID  235523347.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме SPICE .

Истории, оригинальные статьи