Schaltungssimulation Vom Antikriegs-Protest zum Elektronikstandard: Die Geschichte von SPICE

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SPICE machte die Simulation integrierter Schaltungen einer breiten Masse zugänglich. Seine Wurzeln reichen in das politisch aufgeladene Berkeley der späten 1960er-Jahre zurück: Aus einem studentischen Projekt, das sich bewusst von militärischer Forschung abgrenzte, entstand ein unverzichtbares Werkzeug für die moderne Schaltungssimulation.

Wer heute eine Schaltung mit SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) simuliert, denkt wahrscheinlich an Transienten, Arbeitspunkte und Konvergenzprobleme. Dass hinter einem der wichtigsten Werkzeuge der Elektronikentwicklung auch eine politische Geschichte steckt, dürfte weniger bekannt sein.

Das Simulationsprogramm aus der Antikriegsbewegung

Die Geschichte beginnt in den 1960er-Jahren an der University of California in Berkeley / USA. Professor Ronald A. Rohrer unterrichtete dort Schaltungssimulation und ließ seine Studenten selbst ein Simulationsprogramm entwickeln. Lernen durch Praxis statt Vorlesung. Die Spielregel war allerdings streng: Erst wenn Professor Don Pederson das Programm absegnete, war der Kurs bestanden.

Zu Rohrers Studenten gehörte Laurence W. Nagel, später als Larry Nagel bekannt. Gemeinsam mit Bob Berry, Shi-Ping Fan, Frank Jenkins, Jesse Pipkin, Steve Ratner und Lynn Weber entwickelte er den Vorläufer von SPICE: CANCER (Computer Analysis of Nonlinear Circuits Excluding Radiation).

Der Name war bewusst gewählt. Damals wurden die meisten Simulationsprogramme von Unternehmen im Auftrag des Militärs für militärische Anwendungen entwickelt. Zum Auftragsumfang gehörte auch die Analyse, wie robust elektronische Schaltungen gegenüber Strahlung waren.

Die Studenten hinter CANCER wollten einen Gegenpol setzen: Das Programm sollte nicht von der Rüstungsindustrie finanziert werden und daher auch keine Strahlungsfestigkeit simulieren. Denn die Universität Berkeley war in den 1960er-Jahren eine Hochburg der studentischen Proteste und der amerikanischen Antikriegsbewegung.

Im Trend der Zeit: Aus CANCER wird das fröhliche SPICE

Als Professor Rohrer Berkeley verließ, wurde die Software von dem Doktoranden Laurence (Larry) Nagel und Professor Pederson grundlegend überarbeitet. Aus CANCER wurde SPICE. Denn der Name war nicht mehr zeitgemäß, weil er medizinisch (Krebs) negativ besetzt wer. (Im Jahr 1971 rief US-Präsident Richard Nixon den offiziellen „Krieg gegen den Krebs“ aus.) Das Akronym Spice vermittelte im Gegensatz dazu eine rundum positive, lebendige Stimmung mit dem Gewissen Etwas.

Die erste Version von SPICE ging bereits 1971 an ausgewählte Anwender. Weltweit bekannt wurde sie, als Don Pederson die Arbeit am 12. April 1973 auf dem 16. Midwest Symposium on Circuit Theory vorstellte.

Niemand ahnte damals, welche Verbreitung das Programm erfahren würde. Nagel beschrieb die Erwartungen rückblickend als bescheiden. Innerhalb weniger Jahre verbreitete sich SPICE an Hochschulen und in der Industrie; kommerzielle Anbieter bauten darauf auf und entwickelten zahlreiche eigene Varianten. Auch Analogspezialisten wie Texas Instruments brachten später mit PSpice eigene Varianten auf den Markt.

Ein Großrechner, 256 KByte und große Wirkung

Die technischen Voraussetzungen waren allerdings alles andere als komfortabel. Nagel erinnert sich an den Großrechner CDC 6400 in Berkeley. Tagsüber standen seinen Programmen lediglich rund 256 KByte Speicher zur Verfügung, nachts immerhin 384 KByte. Damit ließen sich Schaltungen mit ungefähr 50 Knoten und 25 Bipolartransistoren simulieren.

SPICE war der damaligen Konkurrenz wie den Programmen von IBM oder Motorola technisch weit voraus. Es löste mathematische Probleme, an denen andere Simulatoren scheiterten. Sparse-Matrix-Verfahren reduzierten den Rechenaufwand, numerische Integrationsverfahren ermöglichten robustere Transientenanalysen und inte­grierte Halbleitermodelle machten es einfacher, reale Bauelemente abzubilden.

Der Erfolg hatte allerdings nicht nur technische Gründe. SPICE wurde „Public Domain“ verbreitet, der Quellcode lag offen. Studierende konnten damit lernen, Absolventen nahmen das Werkzeug mit in die Unternehmen und Entwickler konnten den Quellcode anpassen. 1975 folgte SPICE 2, später entwickelte Thomas Quarles SPICE 3 in C. Aus einem Klassenprojekt war längst eine Plattform geworden.

Mike Engelhardt und LT: Mehr Tempo für SPICE

Einer der Entwickler, die diese Geschichte fortschrieben, ist Mike Engelhardt, der bei Linear Technology LTSpice entwickelte. Der Simulator nutzte SPICE als Grundlage, setzte aber eigene Schwerpunkte bei Geschwindigkeit, numerischen Verfahren und Robustheit. Besonders wichtig wurde er für die Entwicklung analoger Schaltungen und von Schaltnetzteilen.

Auch LTSpice war kostenfrei verfügbar. Damit konnten auch Entwickler außerhalb großer Unternehmen Schaltungen simulieren, Bauteilparameter variieren und das Verhalten einer Stromversorgung untersuchen, bevor sie Hardware aufbauten. Simulation wurde so vom Spezialwerkzeug zum selbstverständlichen Bestandteil des Entwicklungsprozesses.

Engelhardt optimierte dabei nicht nur einzelne Rechenverfahren. Er arbeitete auch daran, den Rechenaufwand für die jeweilige Schaltung zu reduzieren. Seit 2008 kann LTSpice schaltungsspezifischen Assembler-Code erzeugen, assemblieren und linken. Damit vermied er unnötigen Programmieraufwand während der Berechnung.

QSPICE: Die Geschichte ist noch nicht zu Ende

Nach seiner Zeit bei Linear Technology, das 2017 von Analog Devices übernommen wurde, entwickelte Engelhardt einen neuen Simulator: QSPICE. Das Programm wurde 2023 öffentlich vorgestellt. Es verbindet die Schaltungssimulation mit Möglichkeiten, digitale Funktionen und eigenen Code einzubinden. Das ist besonders interessant bei Mixed-Signal-Schaltungen oder bei Stromversorgungen mit schnellen GaN- oder SiC-Schaltern.

Aus dem studentischen Projekt CANCER wurde eine ganze Familie von Simulationswerkzeugen. Manchmal beginnt eine Technikgeschichte nicht mit einem Businessplan, sondern mit einem studentischen Projekt, einem ungewöhnlichen Namen und einer klaren Haltung. (kr)

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