从电路到光电仿真

前言

光电联合仿真技术的历史演进（从 1960s → 2020s）

SPICE → Spectre → Verilog（HDL） → Verilog-A → Verilog-AMS
这条路线就是从“电路模拟”走向“光电混合联合仿真”的历史脉络。

年代	技术阶段	对应关键词	关键意义
1970s	电路仿真起源	SPICE	模拟求解器的祖先
1980s	数字电路描述	Verilog（HDL）	数字 IC/FPGA 标准语言
1990s	模拟仿真增强	Spectre	高级 SPICE，工业标准
1990s	模拟行为建模	Verilog-A	高层次模拟行为模型
2000s	混合信号统一	Verilog-AMS	数模统一仿真语言
2010s–2020s	光电联合仿真	ADS + VPI + MATLAB	电子 + 光 + DSP 全链路仿真

1970s：SPICE — 一切模拟电路仿真的起点

1973：SPICE1（伯克利）

电路仿真的“祖先级”工具
基于 KCL/KVL、电路方程求解
面向模拟电路（Analog）

为什么重要？

SPICE 创造了：

电路网表（netlist）语言
器件模型（MOS/BJT）
瞬态/AC/DC 仿真流程

所有后来的模拟求解器（Spectre、ADS、HSPICE）本质都是 SPICE 的后代。

1990s：Spectre — SPICE 的工业级增强版

1993：Cadence 推出 Spectre

它做了三件大事：

增强 SPICE 求解器（更快、更稳定）
支持行为建模语言（Verilog-A）
能够仿真真实 IC 级别的模拟电路

Spectre = 高级 SPICE

更快
更稳定
支持 BSIM3/4、FinFET 等先进模型
后来又加入 SpectreRF（HB 分析）

逻辑演进：

SPICE 是基础 → Spectre 把 SPICE 变成工业标准。

1980s–1990s：Verilog / HDL — 数字电路时代到来

1984：Verilog 诞生（Gateway Design）

用于数字电路结构、逻辑行为描述
后被 IEEE 标准化（IEEE 1364）

HDL（Hardware Description Language）是类别：

Verilog = HDL 的成员
VHDL = 另一成员

特点：

离散事件驱动（event-driven）
能综合（synthesis）成硬件
主要用于数字 IC / FPGA

逻辑演进：

SPICE / Spectre = 模拟世界
Verilog / HDL = 数字世界

1990s：Verilog-A — 模拟行为建模出现

1996：Verilog-A 发布（由 Analog 技术委员会制定）

它解决了一个大问题：

SPICE 的方程式太难写 → 模拟器件需要更高层语言。

Verilog-A 的特点：

连续时间
写等效电路模型
写激光器、MZM、TIA 等行为模型
被 Spectre / ADS / HSPICE 支持

逻辑演进：

Verilog → 描述数字电路
Verilog-A → 描述模拟电路

两兄弟语言终于开始靠近。

2000s：Verilog-AMS — 模拟 + 数字的统一语言

2002：Verilog-AMS（Analog + Mixed-Signal）

它把 Verilog（数字）和 Verilog-A（模拟）合并成统一语言：

数字事件驱动 + 模拟连续时间
可以描述 A/D、D/A
可以做 CDR / FFE / DFE 联合模拟
可以做光电器件 + 数字 DSP 联合仿真（ADS、Cadence AMS Designer）

这一步非常关键：

Verilog-AMS = 数字 + 模拟 → 混合信号（Mixed-Signal）
联合仿真的基础语言标准就此诞生。

2010s–2020s：光电联合仿真（E-O Co-Simulation）时代

随着 CPO、硅光、400G/800G/1.6T 光模块发展，纯电路或纯光学仿真都不足：

必须将 光链路 + 模拟电路 + 数字 DSP + EM 封装 综合。

于是出现：

ADS + Verilog-A（模拟）
VPI + 光器件（光域）
Verilog-AMS + IBIS-AMI（数字 DSP 行为）
MATLAB DSP → E/O/E 综合仿真

并且逐步形成：

SPICE → Spectre → Verilog-A → Verilog-AMS → 光电联合仿真（ADS + VPI + DSP）

这是今天光互连、CPO、硅光链路仿真的标准流程。

Verilog-AMS 和 Verilog A 的区别

特性	Verilog-A	Verilog-AMS
仿真域	仅模拟 Analog	模拟 + 数字 Mixed-Signal
仿真方式	连续时间微分方程	连续 + 事件驱动（同时存在）
能否写数字逻辑	❌ 不行	✔ 可以写和 Verilog 一样的 digital logic
模型对象	模拟器件、行为模型、光器件	ADC、DAC、CDR、PLL、SerDes、混合信号链路
支持的端口类型	electrical、optical（扩展）	electrical、digital、logic、wreal 等
使用场景	MZM、PD、TIA、激光器、滤波器模型	ADC/DAC、CDR、FFE/DFE、PHY、SerDes
仿真器支持	Spectre、ADS、HSPICE	AMS Designer、ADS AMS、Spectre AMS