研究生交作業(yè)：硅谷最早的集成電路模擬設(shè)計(jì)誕生記
今天我們來聊聊電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）行業(yè)中的幾個(gè)美國人。這幾個(gè)故事圍繞著EDA中最早的（CAD）模擬仿真軟件SPICE的歷史。
如今的芯片設(shè)計(jì)離不開EDA，而當(dāng)年的CAD軟件，也正是在集成電路發(fā)展的推動(dòng)下才能起步。這兩者相輔相成彼此促進(jìn)，其早期的歷史都和硅谷一個(gè)著名的半導(dǎo)體公司有關(guān)。
撰文 | 張?zhí)烊?/strong>
仙童半導(dǎo)體公司
故事發(fā)生于硅谷，首先便簡單聊聊硅谷。
說到硅谷，大多數(shù)人都聽過硅谷之父威廉·肖克利（William Shockley，1910－1989）的大名。然而，這位硅谷之父，并不是在美國西海岸成名的，而是在相距幾千公里之外的東海岸。
想當(dāng)年，二戰(zhàn)勝利之后，肖克利在新澤西的貝爾實(shí)驗(yàn)室里苦心研究晶體管多年，失敗和成功交織，汗水與喜淚同流。其中不乏坎坷起伏、精彩動(dòng)人的故事。盡管最后皆大歡喜，以勝利為結(jié)局：他和同事三人，共同獲得了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但由于肖克利的性格所致，三人并未繼續(xù)合作，各自分道揚(yáng)鑣。1955年，肖克利偶發(fā)奇想回到了他西海岸的老家（圣塔克拉拉），然后才有了后來一系列硅谷的故事。
如今回頭望歷史，硅谷之所以成為硅谷，有其必然性，也有其偶然性。例如，如果發(fā)明晶體管的三人沒有吵架，如果肖克利沒有回老家而是留在了東岸，如果……那么，今天的硅谷會(huì)在哪兒呢？
圖1：硅谷之父肖克利
肖克利及硅谷的故事說起來一籮筐，寫成書也是一大疊，只好就此打住，只說說與他緊密相關(guān)的“仙童公司”（Fairchild Semiconductor）（也有將其譯為“飛兆”，“快捷”的，筆者以為，仙童與Fairchild最符合）。
話說肖克利到了西海岸之后，憑著他的顯赫名聲和學(xué)術(shù)能力，找資金不難，跟隨的粉絲無數(shù)，因此，很快就建立了肖克萊實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，招攬到不少人才，很多都是30歲以下的青年才俊。來自于通用電氣、福特等大公司，以及加州理工、劍橋、斯坦福等名校。
但是由于某些原因，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作得并不理想。例如，肖克利是學(xué)術(shù)天才但管理能力低下，他性格有點(diǎn)古怪難以與人相處，特別是他反對(duì)研制集成電路，使得下屬精英們十分不滿，造成手下的“八大金剛”集體叛變。于1958年左右，八個(gè)人幾乎同時(shí)從肖克利實(shí)驗(yàn)室辭職，重新尋找資金另起爐灶，成立了一個(gè)“仙童半導(dǎo)體公司”。
集成電路的誕生
在八個(gè)“仙童”的努力下，“仙童半導(dǎo)體”一度成長為世界上最大的半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)。特別是八仙童之首諾伊斯，與德克薩斯儀器公司（TI）的工程師杰克·基爾比（J.kilby），在1958年同時(shí)研發(fā)成功集成電路。因此，諾伊斯和基爾比共同被譽(yù)為集成電路的發(fā)明人。最后，仙童公司率先提出了商業(yè)化生產(chǎn)集成電路的方法，開發(fā)了第一個(gè)商用集成電路，這為硅谷的成長，有不可磨滅的功勞。
圖2：仙童公司及八大叛逆中的兩位
不過，輝煌了10年之后，八大金剛幾個(gè)靈魂人物相繼離開仙童，出去開辟新天地去了，正如喬布斯所說，仙童半導(dǎo)體公司就像一株成熟了的蒲公英，風(fēng)一吹，創(chuàng)業(yè)精神的種子就飛揚(yáng)到各處。人才飛走了，曾經(jīng)使得仙童公司一度陷于低谷。
比如諾伊斯，與另一個(gè)仙童摩爾（摩爾定律的發(fā)現(xiàn)者），于1968年合作創(chuàng)建了著名的英特爾，此是后話不表。
EDA工具必不可少
閑話少說，言歸正傳。當(dāng)年八大金剛在仙童做的集成電路開發(fā)，是硬件。當(dāng)集成電路已開啟電子工業(yè)快速發(fā)展大門之時(shí)，軟件專家們卻因?yàn)椤坝⑿蹠簾o用武之地”而臥藏隆中默默無聞。
不過，科學(xué)技術(shù)中總有一些眼光遠(yuǎn)大的先行者，能夠透過迷霧看到契機(jī)。我們此篇故事的幾位主角便屬于此類精英。
集成電路的發(fā)明促成了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)的誕生。在那之前，設(shè)計(jì)電子線路是用手工計(jì)算的。隨著線路的復(fù)雜化，自然有了由計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)的需求，手工計(jì)算也越來越不可能進(jìn)行。到了現(xiàn)在集成度驚人的，設(shè)計(jì)工作復(fù)雜得難以想象，唯有依賴計(jì)算機(jī)的輔助，其它方法都望塵莫及。
例如，IBM最新推出的2納米芯片，在150平方毫米（指甲大?。?/span>的面積內(nèi)，有500億顆晶體管。對(duì)如此巨大集成度的線路，沒有軟件工具怎么去設(shè)計(jì)？因此，EDA對(duì)芯片行業(yè)的重要性毋庸置疑。
總的來說，電路分為數(shù)字電路和模擬電路，數(shù)字電路處理數(shù)字信號(hào)，模擬電路處理模擬信號(hào)，前者數(shù)量巨大，后者功能復(fù)雜，兩類信號(hào)的EDA分析方法有其完全不同的難度，本文只涉及模擬電路EDA，更具體地說，是EDA模擬最早的前身SPICE仿真器。
模擬及數(shù)字，兩種信號(hào)之差別如下圖所示。模擬信號(hào)在信號(hào)大小和時(shí)間上都是連續(xù)變化的，數(shù)值信號(hào)的信號(hào)值只能取某幾個(gè)數(shù)值，時(shí)間上也可能不連續(xù)。
圖3：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)
SPICE的先驅(qū)們
羅納德·羅勒（Ronald Rohrer）是加州大學(xué)伯克利分校的一名教授，計(jì)算機(jī)專家。他在畢業(yè)于MIT之后，又獲得了伯克利的博士。硅谷的大學(xué)與工業(yè)界聯(lián)系極為密切，這是幾十年的傳統(tǒng)和風(fēng)格。因此，羅勒充分利用這個(gè)機(jī)會(huì)，往返于伯克利大學(xué)和仙童半導(dǎo)體公司之間。
仙童公司有了集成電路之后，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越精細(xì)，線路越來越復(fù)雜，自然而然地產(chǎn)生了用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的需求。羅勒看到了這一點(diǎn)，于是便利用在仙童工作的機(jī)會(huì)，幫助他們模擬一些早期的集成電路，開發(fā)了電路分析軟件：FairCirc（跟隨“仙童”之意，可翻譯為“仙路”）。
然而，羅勒仍然同時(shí)在UCB教一門關(guān)于《電路分析》的研究生課程。兩件事情湊在一塊兒，讓羅勒忙得不可開交。最后，他想了一個(gè)好辦法，反正都是分析電路，也許這正是一個(gè)讓學(xué)生參與工業(yè)界活動(dòng)的好機(jī)會(huì)！
于是，他告訴全班（七位）同學(xué)“你們這門課的任務(wù)是編寫一個(gè)電路模擬程序。如果你們共同創(chuàng)造了世界上最好的電路模擬器，我會(huì)給你們所有同學(xué)‘A’，否則……”羅勒用一句玩笑語結(jié)束了這堂課。羅勒當(dāng)時(shí)還有些工業(yè)界的事務(wù)需要處理，所以他委托電機(jī)工程系的Don Peterson教授代為審核該課程的最后報(bào)告。
所以，SPICE的誕生主要與伯克利電機(jī)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的三個(gè)人物有關(guān)：Ron Rohrer教授、Don Peterson教授、還有一位當(dāng)時(shí)還是學(xué)生的、被七位同學(xué)推舉出來整理課堂報(bào)告的Larry Nagel。
圖4：SPICE的先驅(qū)者
后來的結(jié)果證明，幾位學(xué)生為完成這門課程而開發(fā)的仿真程序有不少優(yōu)越之處，其中最突出的是解稀疏（sparse）矩陣的模塊。它使得電路計(jì)算的復(fù)雜度大大降低，電路分析程序才得以在當(dāng)時(shí)的計(jì)算速度下成功地運(yùn)行！此外，還有在程序里加入了自帶半導(dǎo)體器件模型等優(yōu)點(diǎn)。
在最初開發(fā)SPICE時(shí)，UCB的學(xué)生只能有限地使用當(dāng)時(shí)世界上功能第二強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。這是一臺(tái)價(jià)值600萬美元的機(jī)器，以10MHz的速度運(yùn)行，內(nèi)存也很少，因而，稀疏矩陣方法是成功計(jì)算的關(guān)鍵。
電路分析的理論并不復(fù)雜，不過是求解由電壓和電流所遵循的基爾霍夫定律導(dǎo)出的矩陣方程，求解過程中最花時(shí)間的運(yùn)算是矩陣求逆。一般而言，這個(gè)過程的復(fù)雜度是O(n3)，也就是說，與電路中節(jié)點(diǎn)數(shù)n的立方成正比。
因此，當(dāng)電路中節(jié)點(diǎn)數(shù)n增加到原來的2倍時(shí)，計(jì)算時(shí)間會(huì)增加到原來的8倍。當(dāng)電路復(fù)雜節(jié)點(diǎn)數(shù)很大時(shí)，花費(fèi)的時(shí)間便很可觀。
矩陣求逆中包括的計(jì)算主要是矩陣元之間的乘法運(yùn)算。然而，當(dāng)我們仔細(xì)研究實(shí)際電路所對(duì)應(yīng)的矩陣，發(fā)現(xiàn)其中的大多數(shù)矩陣元都是0，即所謂的稀疏矩陣。誰都知道，0乘以任何數(shù)的結(jié)果都是0！讓計(jì)算機(jī)做這種0*0=0的乘法，不是沒事兒找事嗎？顯然是在浪費(fèi)機(jī)器的時(shí)間，因此，利用某種算法來刪去這類乘法，便能大大地節(jié)約計(jì)算時(shí)間。并且，既然是0，也沒有必要存儲(chǔ)它們，也就節(jié)約了存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)的時(shí)間。
電路對(duì)應(yīng)的矩陣為稀疏的本質(zhì)原因，是因?yàn)樵趯?shí)際電路中，每個(gè)元件只與少數(shù)幾個(gè)元件相接，大多數(shù)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間并沒有直接的連接關(guān)系。
最后，這門《電路分析》課程勝利結(jié)束，同學(xué)們都通過了，皆大歡喜！因?yàn)楫?dāng)Larry Nagel為代表，負(fù)責(zé)將結(jié)果匯報(bào)給Peterson教授時(shí)，得到了教授的認(rèn)可和好評(píng)。
但可笑的是，這個(gè)仿真器當(dāng)時(shí)有一個(gè)令人避之不及的討厭名字：CANCER。是一個(gè)長長名字的縮寫：ComputerAnalysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation。無論如何，幾位研究生中貢獻(xiàn)最大，也最有收獲的是Nagel，因?yàn)镃ANCER成了他的碩士論文課題。
后來，三人中的Rohrer教授離開了伯克利到工業(yè)界去發(fā)展。Nagel則成為了Peterson教授的博士生，兩人繼續(xù)改進(jìn)這個(gè)模擬仿真器，并且給它取了一個(gè)朗朗上口的好聽名字SPICE（SimulationProgram with Integrated Circuit Emphasis），人們便將SPICE的生日定在了1971年。
半個(gè)世紀(jì)過去了，作為最早的EDA仿真器，它的各種版本，一直沿用至今，今天仍然是最重要的軟件之一?？梢哉f，沒有當(dāng)年的SPICE，就沒有電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化這個(gè)產(chǎn)業(yè)，也就沒有今天的半導(dǎo)體工業(yè)。即使現(xiàn)在，SPICE還一直在繼續(xù)發(fā)展，至少在兩個(gè)方向上：一個(gè)是越來越多的器件模型（二極管、晶體管、MOSFET等），另一個(gè)是SPICE的商業(yè)化程序。
商業(yè)化
SPICE是免費(fèi)開源代碼的先驅(qū)，這對(duì)它的成功非常關(guān)鍵。當(dāng)年的SPICE成為UCB（伯克利）所有EE學(xué)生的學(xué)習(xí)工具，因此當(dāng)他們?nèi)スI(yè)界工作，或者去其它學(xué)校參加研討會(huì)時(shí)，他們隨身攜帶SPICE。
那時(shí)候，學(xué)生變成了老師，在其他地方教人使用SPICE，使得其用戶呈指數(shù)增長。同時(shí)也建立了一群了解熟悉SPICE程序的人，得到不少學(xué)生的免費(fèi)勞動(dòng)力，為繼續(xù)發(fā)展和改進(jìn)SPICE發(fā)揮了重要作用。
雖然是免費(fèi)開源，但伯克利大學(xué)在經(jīng)濟(jì)上也沒吃虧。它用SPICE幫助數(shù)字設(shè)備公司（DEC）賣出了1000多臺(tái)VAX機(jī)器，因此電子系得到該公司1800萬美元的捐贈(zèng)款，這在當(dāng)時(shí)不是個(gè)小數(shù)目。
免費(fèi)開源到一定的程度，就總會(huì)有人將其商業(yè)化，EDA行業(yè)就是在這種此起彼伏自由競爭的環(huán)境中壯大成長起來，當(dāng)然，最大最根本的推動(dòng)力還是芯片事業(yè)的崛起而帶來的各種設(shè)計(jì)工具的需求。
將SPICE商業(yè)化的成功例子有好幾個(gè)。例如來自 Meta-Software的HSPICE、來自Cadence的Spectre和來自Mentor Graphics的Eldo。Meta-Software后來被Avant! 收購，就是我們?cè)诖饲啊罢檻?zhàn)”文章中所介紹的華人徐建國所在的阿凡提。
這個(gè)公司（Avant!）收購Meta-Software后，又為HSPICE之事卷入與另一個(gè)公司的官司。大概那時(shí)正在與Cadence打官司的過程中，阿凡提公司顧大不顧小，竟然因沒人出庭而賠了對(duì)方2000萬！不管怎么樣，阿凡提后來被Synopsys收購，所以，HSPICE現(xiàn)在是Synopsys的產(chǎn)品。
Cadence的Spectre命運(yùn)如何呢？且聽下回分解。
注：本文首發(fā)于公眾號(hào)天舸，賽先生經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載。
制版編輯 | Morgan
