酒，
凡人喝是要醉的。
仙人喝是會造世的。
李白一斗詩百篇，長安市上酒家眠。張旭三杯草聖傳，揮毫落紙如雲煙。最早的集成電路設計師也是一個酒鬼，一個愛豎中指的酒鬼，一個不給酒喝就不作報告的酒鬼——Robert Widlar。
1963年，在集成電路“被”發明5年後，喝的醉醺醺的Widlar跑到一家硅谷公司，然後指著人家的鼻子說你們的電路設計都他X的是Bullshit。這種行為可以稱為太歲頭上動土，因為這家公司的老闆之一發明瞭正真意義的集成電路，他名字叫Bob Noyce。只可惜Noyce活得沒有Jack Kilby久，沒等到諾貝爾獎砸下來的那一天。自然，那公司就是Noyce等八位叛出師門——晶體管發明者Shockley後的創立的Fairchild仙童半導體，史稱Traitorous Eight（仙童八叛徒）。
仙童八“叛徒”（Traitorous Eight），背叛Shockley創立仙童半導體
然後，仙童僱了Widlar幫他們設計模擬電路。（聽上去像受虐狂？）
接下來，Widlar說：
要有運算放大器，於是有了μA702,
要有帶隙基準，於是有了LM113,
要有功率放大輸出，於是有了μA709,
要有線性穩壓器（LDO），於是有了LM100。
（那些μA是不是很眼熟，對，就是模擬電路學基礎裡面裡μA741的祖宗。μA系列的運放統治了人類集成電路模擬芯片20年。）
硅谷的半導體人都很討厭這個自以為是的酒鬼，但是又不得不佩服那個天才。佩服到國家半導體（National Semiconductor, Wildar後面幾年的僱主，幾年前被TI收購）的廣告用的是Widlar的標誌性的中指來蔑視對手。
（本圖片會令某些讀者感到不適）
然後，Widlar說，我要退休了，在33歲的時候。坊間有短文寫了模擬電路的九重境界，境界最高的是住在太平洋的小島上釣魚，然後偶爾瞥一眼人間的芸芸電路，這就是Widlar退休後的生活。當然，他還是偶爾會入世一下，比如在1981年的時候，一不小心創立了Linear Technology（凌特，前兩年被ADI收購了）。
1991年Widlar死於因長期酗酒引發的心臟病，55歲，酒鬼的命。
二
Widlar波西米亞式的美式英雄主義擁有很多迷弟。1969年，一個剛從Arizona畢業的小Ph.D抱著對Widlar的無限憧憬，加入仙童半導體。
只可惜那時候，Widlar已經離開了仙童，走的時候還不忘指著公司大VP Gordon Moore（對，就是摩爾定律的那個摩爾）鼻子說：傻X都是會做數字電路（原話：Every idiot can count from zero to one）。因為Moore認為仙童應該把戰略著重於數字電路發展。很快，Noyce和Moore也離開了仙童，去開創他們的大英帝國（intel），這自然是後話。
1971年， 沒有了主心骨的仙童已經風雨飄搖，遭遇大蕭條。這一年，那個迷弟遇見了附近一個學校的一位教授，那位教授說他們缺一位教電路的老師教電路基礎理論，其實是他自己不想上了就找了個接盤俠上。恰好那個迷弟剛有了兒子，不如歸去地換一份安穩的差事。
那間學校叫做加州大學伯克利分校（UC Berkeley），那位教授叫Donald Pederson。IEEE固態電路協會（就是ISSCC/JSSC的那個Solid State Circuit的固態電路）的最高榮譽稱為為IEEE Donald Pederson獎，每年在ISSCC上由IEEE主席授予，用於紀念芯片設計的開山鼻祖——Donald Pederson。
先提一下迷弟，他最終繼承了Widlar的衣缽，開創了模擬電路的黃金時代。他和他學生們發明了這個世界上的已有的大部分模擬電路/數模混合集成電路，包括行雲流水的放大器、開關電容濾波器、採樣電路、和逐次比較型/流水線型/Delta-Sgima型/Time-interleaved型的ADC。更重要的，他寫了模擬電路設計領域的當之無愧的”聖經“——Analysis and Design Analog Integrated Circuits ，已經出了五版。（雖然他的學生輩有一位寫了一本類似”聖經故事“的教科書，好像流傳更廣，因為更容易懂，但聖經地位不容挑戰）。
他是Paul Gray，曾任UC Berkeley的副校長，美國的兩院院士。
三
回到Pederson，整個固態電路願奉他為開山一哥，並不在於他的電路設計能力，而源於他願意給一門從來沒有開過的課打分。
1969年，在仙童混的並不怎麼開心的Ron Rohrer打算去UC Berkeley上上課，做個副業散散心。原來上這課的老師去當系主任了，就隨他便愛咋上咋上。在這門課上，他佈置了一個史無前例的作業，寫一個電路模擬器，支持直流/交流/時序分析，支持各種半導體器件，然後邀請Don Pederson做評委，決定給誰A。Pederson最滿意的學生叫做Larry Nagel，他把他的課程設計起名為Circuit Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation，簡寫為CANCER。常說，起名字的藝術是缺啥補啥，所以這幫書呆子要補cancer麼？（cancer中文翻譯為癌症。）
爾後，Pederson收了這個學生做博士，進一步優化CANCER。當然，優化的第一步就是起一個好聽的名字，CANCER很快被改名為Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，簡寫為SPICE。SPICE作為一篇論文，當時也沒啥很好歸宿，只在1973年中了一篇Midwest Circuits Theory的會議論文（現在這會叫做MWSCAS，也是小編學術灌水的起點，現在看來突然爆有成就感。）
然而，學術圈的”了了“並沒有阻礙SPICE的光芒萬丈。直到今天，SPICE仍然在影響著每一片芯片。所有的EDA廠商都提供基於SPICE的仿真器，Cadence有PSPICE和Spectre，Synopsys有HSPICE，國產華大九天有ALPS（Accurate Large-capacity Parallel Spice，市面上唯一支持GPU並行的集成電路仿真器），還有上文提到的凌特仍然在提供免費版的LTSPICE供電路愛好者使用。
**不能算廣告** 我國EDA廠商華大九天於2018年發佈的ALPS-GT仿真器
成為了第一個跑在GPU上的SPICE，性能超越了HSPICE和Spectre
SPICE是整個晶體管級設計的中流砥柱，也是集成電路的EDA學科的奠基石。如今的電路設計師們對SPICE的依賴，已經讓我們無法想象，在沒有SPICE的歲月裡，Widlar們是靠怎樣的智慧在一片Wafer硅片上搞出一個完整的運算放大器的了。
為什麼SPICE會成功？我覺得有兩個答案：
1）開源、開源、開源。（重要的事情說三遍）
2）作為一個仿真器，SPICE令電路設計“平民”化了。在SPICE之前，只有Widlar這樣的天才才能設計優美的電路；但有了SPICE之後，庸才的可以通過一種新生的動物——SPICE Monkey（泛指那些搞不懂電路原理但是仍能通過仿真瞎撞出電路的解）來設計高性能的電路。
順便提一句，那些模擬電路大佬不要再歧視SPICE Monkey們了，如今風聲水起的人工智能強化學習/AlphaZero用的就是這潑猴，SPICE又能跑GPU了，分分鐘能搶你們的飯碗。
四
1971年11月15日，離開仙童兩年後的Noyce和Moore搞了一個大新聞——Intel發佈了人類第一顆微處理器芯片，代號4004，因為它是一顆4位的處理器芯片。不到一年，Intel又發佈了8008，第一顆8位處理器。這兩顆芯片另一個劃時代的意義在於使用MOS管做的，4004/8008的成功也宣告了基於雙極型晶體管的TTL邏輯門在大規模集成電路中下課了！
intel 8008的芯片版圖與封裝
當年，Intel更成功的戰場是存儲器芯片，特別是DRAM。因此8008採用的寄存器部分的電路（包括各類Register和PC-就是instruction register）都採用了自家的DRAM設計。這些東西也是從版圖照片（上圖右上部分）上看上去唯一接近現代超大規模集成電路（Very Large Scale Integrated Circuits）的部分。
也是從這時起，整個硅谷才意識到Intel的老闆6年前的的一篇灌水文《Cramming more components onto integrated circuits》開始有點那麼回事兒。
加州理工學院的Carver Mead教授就第一個站出來，舉薦把上面那篇水文的結論命名為“Moore‘s Law”，就是現在每個芯片人耳熟能詳的摩爾定律。然後，intel就請他當了好久好久的consultant。聽上去像不像那種武俠小說裡推 (gui) 派 (tian) 武林盟主的場面？
4004和8008雖然具有里程碑式意義，但是缺點也是明顯的——他們都是人徒手畫出了的。他們使用的晶體管數量都只在兩三千個左右，人力終是有限。那麼，問題來了——按照摩爾定律，芯片設計怎樣向兩三萬、二三十萬，兩三百萬、兩三億…個晶體管邁進？
五
解決這個問題的人，在70年代初本來是打算離開硬件這個坑，去當碼農的。
不是因為她平庸，而是太卓越。27歲的時候，她就公認是計算機體系結構的天才，發明了最最基礎的CPU提速方法——亂序動態調度（Out-of-order Dynamic Scheduling）架構，在集成電路微處理器芯片還沒出現前，大家還沒搞清楚啥是馮諾依曼架構的時候，就在IBM就造出了人類第一臺超標量（Superscalar）計算機。
有個小錯誤，年少成名的時候，她應該是他。後來，他變性為了她。
因為變性手術，IBM開除了這位女裝大佬，就像英國人無法忍受圖靈是個同性戀一樣，不管你貢獻再優秀。受此打擊，變性後的她打算隱姓埋名，相忘於江湖。在一本自己愛看的小說裡找了自己喜歡的女主的名字按在自己頭上，這樣一個嶄新的Lynn Conway誕生了，至於本名現在已經被滅跡得差不多了，不可考了。
風韻猶存的Lynn Conway，攝於2000年
長江後浪推前浪，Conway突然發現4004誕生後，TTL的時代一去不復返，她一個不懂的MOSFET的體系結構工程師恐怕是要下崗了。於是她放棄仙童體系架構師的優缺，去了施樂（Xerox，就是那個打印機公司）寫軟件，簡直就是歸隱藏經閣的掃地僧。
巧的是，那個定下Moore定律盛名的Mead教授找上了施樂，要寫一個軟件來完成多器件環境下的佈線。
暌違數年後，Conway在1978年完成他人生的第二個大成就——提出了全新的數字電路/超大規模集成電路設計方法，可以簡單描述為兩個層面：
（1）佈局採用長得一樣高的數字標準單元庫，用棒圖（stick diagram）符號化，然後抽象出門級模型
（2）走線基於特徵尺寸lamda的佈線網格（grid），算法簡潔且能跟隨摩爾定律縮減
上述兩條被認為是超大規模集成電路方法學的起點。原來是一坨漿糊的數字電路設計流程，被很快地分割成抽象層的邏輯表達，和物理層的版圖實現，即我們所常用的RTL前端和版圖後端。今天，數字電路仍然遵循了這樣的分工模式。
這看上去的一小步，卻是芯片史上最大的一步！
有了方法學，才逐步形成了綜合/自動佈局佈線等EDA工具鏈；
有了方法學，電路設計和工藝製造的接口才完全明確，促生了一種全新的流片模式——MPW，不同的設計/同一種工藝的小批量打樣（DARPA基於該成果打造了MOSIS，專注於MPW設計流程）；
有了方法學，和MPW，才有現在的Fabless IC Design House+Foundry的主流芯片模式。
大繁至簡，或許可以歸納Lynn Conway的方法學。
後記
其實1963-1978還發生了很多事，比如一顆DRAM，無源濾波器，ISSCC的第一次召開等等……畢竟那是一個開宗立派的年代，但是我還是最喜歡這個五個故事，代表了芯片設計中模擬/數字/數模混合/EDA的起源。在這特殊的年節，華騰祝大家節日愉快。如果有可能，可以慢慢思考那些故事給你科研的啟發。
閱讀更多 華騰HUATENG 的文章
