設(shè)計(jì)軟件是怎樣改變世界的

剛開(kāi)始的時(shí)候（大約在二戰(zhàn)時(shí)），微波電路又大又重，由大量的中空金屬管道組成，也就是所謂的波導(dǎo)管。微波工程師在波導(dǎo)管中工作，看起來(lái)也像是管子工，他們的工具也包括銼刀、圓頭錘子、環(huán)氧樹(shù)脂和油漆。在20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了基于二維層狀結(jié)構(gòu)的平面?zhèn)鬏斁�(xiàn)電路。這種電路相對(duì)更便宜、重量更輕，還提供了進(jìn)一步微型化的潛力，這樣就很快地引發(fā)了微波集成電路（MIC）概念的出現(xiàn)。

MIC也被稱(chēng)為混合電路，這是因?yàn)樗�同時(shí)包含有主動(dòng)和被動(dòng)器件（某些元件是在基底材料上印刷出來(lái)的，比如薄膜電容或是螺旋電感，其他元件則是芯片的形式，典型的主動(dòng)器件如二極管以及離散的晶體管）。有了MIC，整個(gè)電路就能放置到一塊基底上，器件之間互相連接，并可以連續(xù)地進(jìn)行集成，從而可以取代由波導(dǎo)或共軸電纜連接起來(lái)的獨(dú)立的微波器件。MIC可以支持大批量的生產(chǎn)并從而可以消減成本。然而，電路設(shè)計(jì)卻仍舊由手工完成，使用書(shū)本上的公式和鉛筆、Smith表、電路板、銅帶、剃刀刀片、焊接鉻鐵還有測(cè)試設(shè)備。每項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)（MIC或波導(dǎo)）都需要對(duì)電路行為有充分的了解，對(duì)試湊法的實(shí)驗(yàn)有精密的觀察，同時(shí)還需要有大量的時(shí)間。

 Wright Pat和德州儀器

1964年，美國(guó)空軍的Wright Paterson航空實(shí)驗(yàn)室要求德州儀器（TI）提出一個(gè)航空前視雷達(dá)系統(tǒng)的提案，要求能盡可能多地使用半導(dǎo)體。其目標(biāo)是為了驗(yàn)證T/R模塊不但可以生產(chǎn)出來(lái)，而且其價(jià)格同未來(lái)更大的主動(dòng)合成孔徑相控陣?yán)走_(dá)及ECM系統(tǒng)相當(dāng)。結(jié)果就是啟動(dòng)了名為微波電子雷達(dá)應(yīng)用（MERA）的項(xiàng)目，DARPA也提供了資助，這一項(xiàng)目極大地推動(dòng)了微波技術(shù)的進(jìn)步，并直接推動(dòng)了1965年半絕緣硅和砷化鎵基底上微條帶傳輸及第一塊硅MMIC的出現(xiàn)，還有1966年的X波段T/R開(kāi)關(guān)、1966年的500MHz調(diào)諧放大器、第一款砷化鎵MMIC、以及1967年的94GHz本地振蕩器和平衡混合器。由于MERA項(xiàng)目的技術(shù)成功，它較終在1970年推出了一部完全可工作的雷達(dá)系統(tǒng)，而同時(shí)其他項(xiàng)目也在大多數(shù)美國(guó)及其境外的軍方雷達(dá)研究機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了。微波電路設(shè)計(jì)必須快速跟上。

TI的工程師們?yōu)楹文苋绱丝焖俚赝七M(jìn)微波電路設(shè)計(jì)呢？從1971年11月提交的一份美國(guó)專(zhuān)利中可以窺得一些線(xiàn)索，這份專(zhuān)利由TI的L.W. Dyer, T.W. Houston 和 G.J. Policky提交：“通過(guò)利用電路結(jié)構(gòu)和所有元器件的初始值，可以通過(guò)一個(gè)自動(dòng)數(shù)據(jù)處理機(jī)對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，并通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)變量使至少一個(gè)性能特性得到提升。需要選擇一個(gè)期望的電路結(jié)構(gòu)，所有電路元器件的初始值則被編碼并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理器中。另外，期望的性能特性也被選出并進(jìn)行編碼。利用編碼后的輸入信息，數(shù)據(jù)處理器可以生成并存儲(chǔ)一個(gè)持續(xù)分析目標(biāo)功能的表示。在數(shù)據(jù)處理器的運(yùn)作中，會(huì)生成并存儲(chǔ)目標(biāo)功能的值。”

這一專(zhuān)利摘要涉及由TI開(kāi)發(fā)的電路模擬和優(yōu)化程序，它專(zhuān)門(mén)用于支持MERA項(xiàng)目的微波電路設(shè)計(jì)。這個(gè)程序就是CAIN（計(jì)算機(jī)輔助集成網(wǎng)絡(luò)），它使用打孔卡片在IBM 360計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這是專(zhuān)利提交者們?cè)?969年IEEE-Wescon技術(shù)論文中提到的，“計(jì)算機(jī)輔助的微波集成電路設(shè)計(jì)。”3雖然TI的工程師們長(zhǎng)年使用這一程序，但它卻從未被公司進(jìn)行商業(yè)化。

 第一款商業(yè)高頻電路模擬器

使用微波帶及帶狀線(xiàn)傳輸線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)有小型化和更容易生產(chǎn)，但它的代價(jià)是設(shè)計(jì)上的不確定性。在這些問(wèn)題中，微波條帶的不均勻性會(huì)引起有效的介電常數(shù)，它隨頻率而增加，并因此會(huì)引起相位速度下降，特征阻抗變化及不連續(xù)，比如彎曲、T型（線(xiàn)交叉）及線(xiàn)寬變化，這些都需要合理地進(jìn)行模型化，以便解決寄生效應(yīng)并精確地表示它們的高頻行為。在使用軟件之前，微波工程師們都要依賴(lài)書(shū)本和手工計(jì)算來(lái)大致地估算電路行為，這個(gè)過(guò)程又慢又繁瑣。

當(dāng)時(shí)有一些公司在內(nèi)部的大型主機(jī)上開(kāi)發(fā)軟件，但大多數(shù)微波工程師都沒(méi)有計(jì)算機(jī)可用，更沒(méi)有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。他們中間就有一位Les Besser，他從1966年起在惠普（HP）微波部門(mén)工作，開(kāi)發(fā)寬波段微波器件。也就是在惠普，Besser開(kāi)始研究模擬器和阻抗匹配程序，但那個(gè)時(shí)候他的經(jīng)理并沒(méi)有批準(zhǔn)他的這個(gè)輔助項(xiàng)目。

1969年秋天，加州大學(xué)伯克利分校的Ron Rohrer教授從仙童公司回到學(xué)校，開(kāi)始講授一門(mén)電路設(shè)計(jì)和分析課程。該課程計(jì)劃是要發(fā)展一個(gè)綜合和優(yōu)化的電路模擬器的部件。其結(jié)果就是一個(gè)程序，稱(chēng)為“不包括輻射的非線(xiàn)性電路的計(jì)算機(jī)分析（CANCER）”。選用這個(gè)不常用的名字是了說(shuō)明這個(gè)項(xiàng)目沒(méi)有受到國(guó)防工業(yè)的資助，那時(shí)大多數(shù)電路模擬項(xiàng)目都會(huì)受到此類(lèi)資助，但同時(shí)也會(huì)要求它們都要能夠?qū)﹄娐返目馆椛淠芰�進(jìn)行測(cè)試。主要開(kāi)發(fā)者中的一位是研究生Laurence Nagel。在他的新導(dǎo)師，Donald Pederson教授（代替了Rohrer）的指導(dǎo)下，Nagel把這個(gè)程序推進(jìn)到公共領(lǐng)域的通常目的的電路模擬上。結(jié)果就出現(xiàn)了SPICE（強(qiáng)調(diào)集成電路的模擬程序），1972年它作為開(kāi)放源代碼的程序向公眾發(fā)布了。

但是，SPICE不能處理分布的傳輸線(xiàn)，同時(shí)對(duì)于高頻模擬也慢得不可接受。由于沒(méi)有商業(yè)軟件可用，許多公司（包括Besser的前雇主惠普）都開(kāi)發(fā)了自己的內(nèi)部軟件。1970年，Besser離開(kāi)加入了仙童公司的微波部門(mén)，在那里他集中研發(fā)MIC、砷化鎵FET放大器以及CATV系統(tǒng)。在仙童公司，Besser寫(xiě)出了SPEEDY，這是一款兩端口的分析工具，它還帶有一個(gè)晶體管數(shù)據(jù)庫(kù)，為仙童公司的晶體管配有高頻設(shè)備S參數(shù)。

這個(gè)程序起這個(gè)名字，主要是為了宣傳它的速度，與現(xiàn)有的時(shí)域模擬器相比要快得多，但它并不特別適合微波頻率分析。那時(shí)候計(jì)算機(jī)（大型主機(jī)）非常稀有，并且超級(jí)昂貴，用戶(hù)要想用這種程序，就得使用終端（也就是teletype）調(diào)制解調(diào)器通過(guò)本地電話(huà)線(xiàn)來(lái)分時(shí)共享，其速度低至只有110波特（比特每秒）。但即使這么慢，設(shè)計(jì)工具還是比原型化要快一點(diǎn)。在集成電路的情況下，SPICE已經(jīng)證明了它們還是非常基本的。

Farinon Electric公司雇用了Besser來(lái)指導(dǎo)它們的微電路設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作。那時(shí)他設(shè)計(jì)了一個(gè)程序，稱(chēng)之為COMPACT（微波主動(dòng)和被動(dòng)電路計(jì)算機(jī)優(yōu)化）。1973年，也就是SPICE 第一次在會(huì)議上亮相的那一年，Besser對(duì)他的程序進(jìn)行了商業(yè)化，成立了Compact軟件公司。這就是第一款微波CAD公司和第一款成功商業(yè)化的微波電路優(yōu)化規(guī)程。

盡管在功能上還很有限，它還是給未來(lái)的高頻設(shè)計(jì)工具指明了方向。該軟件的第一版只能應(yīng)對(duì)理想的傳輸線(xiàn)和兩端口的元件，它們可以是級(jí)聯(lián)的也可以是并列連接的。然后，微波條帶元件以及非連續(xù)連接也加入了。更新的版本還可以進(jìn)行粗略的匹配網(wǎng)絡(luò)綜合并使用字母和數(shù)字來(lái)設(shè)計(jì)Smith圖表。

在亞特蘭大召開(kāi)的IMS 2008上面，Besser做了關(guān)于MIC/MMIC發(fā)明歷史的演講，他說(shuō)“真正的閉合形式分析解決方案即使對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的微波電路，比如單階反饋放大器，也是不可行的，考慮到這一點(diǎn)，第一版的COMPACT包括了對(duì)電路元件的優(yōu)化。盡管較初它只能做雙端口類(lèi)型的互連，但后續(xù)版本就加入了通用化的節(jié)點(diǎn)連接以及噪聲優(yōu)化。電路庫(kù)還包含了大范圍的元件，測(cè)量S參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)也是一樣。”

可以對(duì)復(fù)雜的微波電路進(jìn)行優(yōu)化的能力較終說(shuō)服了一度猶豫的工程師，他們開(kāi)始接受把CAD作為一個(gè)可行的設(shè)計(jì)工具，結(jié)果就引發(fā)了一場(chǎng)電路設(shè)計(jì)的革命。經(jīng)常情況下，一款軟件產(chǎn)品的成功還是要依賴(lài)于它提升工程生產(chǎn)率的能力以及節(jié)省成本的能力。帶有優(yōu)化功能的軟件可以把項(xiàng)目時(shí)間從數(shù)月砍到數(shù)天，并且為每個(gè)項(xiàng)目節(jié)省多達(dá)24000美元的經(jīng)費(fèi)，這是當(dāng)時(shí)的廣告所宣傳的.

較初，COMPACT只能在大型主機(jī)或商業(yè)化的分時(shí)共享小型機(jī)上運(yùn)行，工程部門(mén)要為每個(gè)CPU小時(shí)支付3000～5000美元（那時(shí)個(gè)人電腦還不存在）。用戶(hù)界面比圖形編輯器要早多了，因此，電路只能用連線(xiàn)單編輯器來(lái)定義。遠(yuǎn)程終端只能通過(guò)300波特的音頻調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行連接。

 1980年，Compact軟件公司被Comsat公司收購(gòu)，Besser在接下來(lái)的3年時(shí)間里保持著同這家公司的聯(lián)系，然后他離開(kāi)創(chuàng)辦了一家職業(yè)培訓(xùn)組織，稱(chēng)為Besser協(xié)會(huì)。在這段時(shí)間里，第3代程序SuperCompact™開(kāi)發(fā)出來(lái)，運(yùn)行在微型計(jì)算機(jī)上，諸如DEC的VAX設(shè)計(jì)工作站，它售價(jià)約為25萬(wàn)美元。隨著微處理器和PC在1980年代全面革新了電子設(shè)計(jì)，軟件與操作平臺(tái)之間的聯(lián)系在設(shè)計(jì)軟件的商業(yè)前景中起到了關(guān)鍵的作用。

 更可用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)

企業(yè)家charles J. （“Chuck”）Abronson是Amplica Inc.的共同創(chuàng)始人（1972），并擔(dān)任了該公司的CEO；他成功地推動(dòng)了這家公司在1981年IPO上市，并隨之在1982年同Comsat合并。Amplica曾經(jīng)使用一款稱(chēng)為Magic的設(shè)計(jì)程序來(lái)開(kāi)發(fā)它的頂級(jí)低噪聲放大器，并在商業(yè)上獲得了成功。

較終，Abronson成為了真正信任設(shè)計(jì)軟件威力的人。在商討將Amplica出售給Comsat的事務(wù)時(shí)，他遇到了Bill Childs，他是Compact下屬公司的一名雇員。他們?cè)?983年共同成立了EEsof公司。

EEsof的注意力集中在為迅速成長(zhǎng)的并不太貴的個(gè)人電腦業(yè)務(wù)提供設(shè)計(jì)軟件上，1984年，他們推出了他們的第一款產(chǎn)品，Touchstone® 線(xiàn)性電路模擬器。 他們較初的基于連線(xiàn)單的文本接口同SuperCompact的格式很相似，但向PC轉(zhuǎn)移給Touchstone了一個(gè)改變游戲規(guī)則的優(yōu)勢(shì)地位，而這家公司也很快地侵蝕了Compact的市場(chǎng)份額。

EEsof還通過(guò)增加從軟件到HP8510網(wǎng)絡(luò)分析儀的鏈接增強(qiáng)了產(chǎn)品的功能。這樣可以讓測(cè)量的數(shù)據(jù)直接捕獲進(jìn)入分析儀軟件。更重要的是，這項(xiàng)功能還能吸引那些工程師努力把“建造和測(cè)試”的設(shè)計(jì)方法引入使用中的軟件中去。稱(chēng)為“Touchstone文檔”（同時(shí)也因?yàn)樗�的文件后綴而被稱(chēng)為SnP文檔）的文件較初是線(xiàn)性電路模擬器的專(zhuān)用格式。這個(gè)文件格式較終成為S參數(shù)（同樣還有Y和Z參數(shù)）的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，被電路模擬器和測(cè)試設(shè)備（V

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