news 2026/1/27 10:09:33

从零实现:构建基于在线电路仿真的虚拟实验室

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张小明

前端开发工程师

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从零实现:构建基于在线电路仿真的虚拟实验室

以下是对您提供的技术博文进行深度润色与工程化重构后的版本。我以一位深耕嵌入式仿真、Web前端架构与教育科技交叉领域的工程师身份,用更自然、更具实操温度的语言重写全文——去除AI腔调、强化一线开发视角、突出真实踩坑经验与设计权衡逻辑,同时严格遵循您提出的全部格式与风格要求(无模块化标题、无总结段、无缝融合知识点、结尾顺势收束):


在浏览器里跑SPICE?我们是怎么把电路仿真塞进Chrome的

去年冬天,我在某高校做教学系统升级调研时,亲眼看到一个尴尬场景:
三位学生围着一台老旧的模拟电路实验箱,轮流调试共射放大器——一人调电阻,一人看示波器,第三人举着手机录屏,只为把“那个瞬间的波形”传给没抢到设备的同学。而隔壁教室,老师正用平板拖动一个虚拟电容,全班学生的屏幕同步跳出了新的Bode图。

那一刻我意识到:硬件实验台不是不够用,而是它的物理形态,已经成了思维流动的障碍。
不是学生不想多试几次参数,是换一个电阻要起身、拧螺丝、等示波器稳定;不是老师不想实时点评,是没法在30个示波器屏幕上同时画出同一根参考线。

于是我们决定干一件“看似不务正业”的事:在纯浏览器环境里,复现一个能真·算电路的SPICE引擎。不靠插件、不装软件、不连服务器算力——就靠用户手边那台笔记本,把牛顿-拉夫逊迭代、稀疏矩阵LU分解、AC扫频复数求解,全压进<script>标签里跑起来。

听起来像玩笑?但当你看到下面这段代码真正在Chrome里每秒执行1200次瞬态分析时,玩笑就变成了工程日志。


为什么非得用WebAssembly?因为JavaScript真的算不动MNA矩阵

先说个血泪教训:最早我们用纯TypeScript写了一个简化版MNA求解器。10节点RC网络,单步计算耗时平均42ms——这意味着哪怕只做1kHz方波激励,仿真都追不上真实时间,更别说交互调节了。

问题不在算法,而在JS的浮点运算模型。它没有SIMD指令集支持,每次加减乘除都要走完整的IEEE 754封装/解包流程;更重要的是,JS引擎对密集数值数组的内存访问模式极不友好:Float64Array[i]背后是一次完整的边界检查+类型转换+GC跟踪开销。

转机出现在把C++版MNA核心用Emscripten编译成Wasm后。不是“快一点”,是量级跃迁:同样10节点网表,单步耗时从42ms压到0.68ms,提速62倍。关键不是峰值性能,而是稳定性——Wasm线性内存让每一次node_voltages[i]访问都变成一条原生lo

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