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EDA技术的特点与发展趋势

EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写。下面是我整理的关于EDA技术的特点与发展趋势，欢迎大家参考!

通过介绍EDA技术特点、发展过程，以及EDA技术作为开发手段，以可编程器件为核心大大简化了设计任务并阐述了EDA在当今电子技术领域的所起到的作用，比较了EDA技术与传统电子设计方法的差晃总结出EDA技术的优势与发展趋势。

1 前言

EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写。它是一门正在高速发展的新技术，是以大规模可编程逻辑器件为设计载体以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。

2 EDA技术的概念和基本特点

EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的至今已有30多年的历程，大致可以分为三个发展阶段，20世纪70年代的CAD(计算机辅助设计)阶段：这一阶段的主要特征是利用计算机辅助进行电路原理图编辑、PCB布线，使得设计师从传统高度重复繁杂的绘图劳动中解脱出来。20世纪80年代的CAED(计算机辅助工程设计)阶段：这一阶段的主要特征是以逻辑摸拟、定时分析、故障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等问题，使设计能在产品制作之前预知产品的功能与性能。20世纪90年代是EDA(电子设计自动化)阶段：这一阶段的主要特征是以高级描述语言、系统仿真和综合技术为特点，采尉‘自顶向下”的设计理念，将设计前期的许多高层次设计由EDA工具来完成。EDA是电子技术设计自动化也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复杂的.电路和系统成为可能。在原理图设计阶段，可以使用EDA中的仿真工具论证设计的正确性。在芯片设计阶段.可以使用EDA中的芯片设计工具设计制作芯片的版图。在电路板设计阶段，可以使用EDA中电路板设计工具设计多层电路板。特别是支持硬件描述语言的EDA工具的出现使复杂数字系统设计自动化成为可能只要用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计与制造。

EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，利用EDA工具电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。设计者采用的设计方法是一种高层次的“自顶向下”的全新设计方法，这种设计方法首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错.并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行驶证;然后用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。随着设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率。随着现代电子产品的复杂度和集成度的日益提高，一般的中小规模集成电路组合己不能满足要求电路设计逐步地从中小规模芯片转为大规模、超大规模芯片，具有高速度、高集成度、低功耗的可编程器件己蓬勃发展起来。

硬件描述语言(HDL)是一种用于进行电子系统硬件设计的计算机高级语言，它采用软件的设计方法来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式。硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分，是EDA设计开发中很重要的软件工具。VHDL即超高速集成电路硬件描述语言是作为电子设计主流硬件的描述语言。它具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计可靠性，用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现而不需要对不影响功能与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。硬件描述语言可以在三个层次上进行电路描述，其层次由高到低，分为行为级、几级和门电路级。应用VHDL进行电子系统设计有以下优点：(1)VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试只需花较少的精力用于物理实现。(2)VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。(3)VHDL的设计不依赖于特定的器件，方便了工艺的转换。(4)VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，因此移植性好。

将EDA技术与传统电子设计方法进行比较可以看出，传统的数字系统设计只能在电路板上进行设计是一种搭积木式的方式，使复杂电路的设计、调试十分困难;如果某一过程存在错误，查找和修改十分不便;对于集成电路设计而言设计实现过程与具体生产工艺直接相关因此可移植性差;只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实现，因而开发产品的周期长。而EDA技术则有很大不同，采用可编程器件，通过设计芯片来实现系统功能。采用硬件描述语言作为设计输入和库的引入，设计者定义器件的内部逻辑和管脚，将原来由电路板设计完成的大部分工作改在芯片的设计中进行。由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度，有效增强了设计的灵活性，提高了工作效率。并且可减少芯片的数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高了系统的性能和可靠性。能全方位地利用计算机自动设计、仿真和调试。

3 EDA技术的应用和发展趋势

EDA技术发展迅猛逐渐在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。

在教学方面：几乎所有理工科(特别是电子信息)类的高校都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本原理和基本概念、掌握用VHDL描述系统逻辑的方法、使用EDA工具进行电子电路课程的模拟仿真实验。如实验教学、课程设计、毕业设计、设计竞赛等均可借助CPLD/FPGA器件，使实验设备或设计出的电子系统具有高可靠性，又经济、快速、容易实现、修改便利，同时可大大提高学生的实践动手能力、创新能力和计算机应用能力。

在科研方面：主要利用电路仿真工具进行电路设计与仿真;利用虚拟仪器进行产品调试;将CPLD/FPGA器件的开发应用到仪器设备中，CPLD/FPGA可直接应用于小批量产品的芯片或作为大批量产品的芯片前期开发。传统机电产品的升级换代和技术改造，CPLD/FPGA的应用可提高传统产品的性能缩小体积，提高技术含量和产品的附加值。作为高等院校有关专业的学生和广大的电子工程师了解和掌握这一先进技术是势在必行，这不仅是提高设计效率的需要.更是时代发展的需求，只有掌握了EDA技术才有能力参与世界电子工业市场的竞争争能生存与发展。随着科技的进步，电子产品的更新日新月异，EDA技术作为电子产品开发研制的源动力，己成为现代电子设计的核心。所以发展EDA技术将是电子设计领域和电子产业界的一场重大的技术革命，同时也对电类课程的教学和科研提出了更深更高的要求。

在产品设计与制造方面：从高性能的微处理器、数字信号处理器一直到彩电、音响和电子玩具电路等，EDA技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真、产品调试，而且也在PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、制作过程等有重要作用。可以说EDA技术已经成为电子工业领域不可缺少的技术支持。

进入21世纪后，电子技术全方位纳入EDA领域，EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容，突出表现在以下几个方面：使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能;基于EDA工具的ASIC设计标准单元己涵盖大规模电子系统及IP核模块;软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认;soC(System-on-Chip)高效低成本设计技术的成熟。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的迅猛发展，电子系统的设计方法和设计手段都发生了很大的变化。传统的‘固定功能集成块十连线”的设计方法正逐步地退出历史舞台而基于芯片的设计方法正成为现代电子系统设计的主流。

4 结束语

EDA技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每年都有新的EDA工具问世，我国EDA技术的应用水平长期落后于发达国家，因此作为一名电子硬件工程师、大专院校电子类专业的在校学生或者电子爱好者，必须掌握EDA技术用于CPLD/FPGA的开发，只有这样才能跟上现代科技的快车去适应激烈竞争的环境。

北大本科生，刚刚凭借在芯片领域的贡献，斩获国际计算机学会（ACM）年度学生科研竞赛总决赛 第一名 （本科生组）！

还收获了来自《人民日报》的点赞。

这位少年名叫 郭资政 ，是北京大学图灵班大四学生，目前已直博本校集成电路学院。

而此次比赛的获奖，在他的科研/竞赛履历中并不是第一次。

此前，他已经作为北京大学超算队的一员，收获世界大学生超级计算竞赛ASC一等奖。

还在DAC、ICCAD、DATE等芯片设计自动化（EDA）领域国际顶会上发表了 8篇 一作论文。

△图源：北京大学

在官微底下，不少网友纷纷为其点赞祝贺。

一作身份发表8篇顶会论文

北大 图灵班 ，是北京大学专为培养计算机科学领域拔尖人才成立的班级，每届学生均是从几千名大一新生中优中选优。

作为图灵班的一员，郭资政在大二时便有机会进入各个课题组体验科研生活。

据北大官微报道，他与EDA之间的缘分就始于前沿计算中心举办的科研轮转活动。

当时大二的他，第一个即选择了集成电路学院林亦波研究员的课题组。刚好林亦波的研究方向是EDA以及EDA算法的GPU/FPGA加速。

EDA的重要性无需赘述，它也叫做芯片设计自动化，是我国“卡脖子”关键技术之一。

不少媒体评价，“谁掌握了EDA，谁就有了芯片领域的主导权。”

而郭资政的主要研究方向，是 EDA中的静态时序分析领域 。作为芯片设计的重要步骤，它是对数字电路的时序进行计算、预计的工作流程，流程中不需要进行仿真。

据他本人主页显示，本科2020年至2022年期间共发表了11论文，其中以一作身份发表8篇，均被EDA领域的国际顶级学术会议和期刊DAC、ICCAD、TCAD等接收。

这当中包括提出的使用GPU加速静态时序分析的算法，首次实现线性时空复杂度、效率提升一百倍的路径分析算法。

此番获奖的论文，叫做Heterogeneous Timing Estimation, Optimization, and Verification for VLSI Circuit Design Automation（用于VLSI电路设计自动化的异质定时估计、优化和验证），被收录于ICCAD 2021。

除此之外，他还将人工智能融入了进来。

比如，将 图神经网络和时序分析引擎 相结合，提出跨越芯片设计流程多个环节的建模技术。

还有像受深度神经网络启发提出了基于可微时序引擎的布局优化算法，据称还是学界首次。

经过优化的布局框架可以在 WNS 和TNS上分别实现最多32.7%和59.1%的改进，并且在 GPU 上运行时都实现了1.80倍的加速。

基于这样的学术表现，他获得了北大最高荣誉 第十三届学生五四奖章 。

毕业之后，他将继续留在本校，在集成电路学院攻读博士学位。

谈及EDA方向的选择，郭资政表示，一方面是国之所需。响应国家的号召，解决国家发展需求的技术难题。

另一方面也是兴趣驱动，跟此前的竞赛经历不无关系。

事实上，在中学时代，郭资政就已经参与到信息学竞赛当中，也凭此获得北大降分录取资格。

而他当年的bzoj提交记录，是这样式儿的。

进入北大之后，他还和队友一起获得过2019年国际大学生程序设计竞赛ICPC区域赛冠军、世界大学生超算竞赛ASC一等奖、ACM SRC@ICCAD学生科研竞赛本科生组第一名，多次获得ICPC/CCPC大学生程序设计竞赛金奖等荣誉。

6位获奖者中5位为华人

值得一提的是，除郭资政以外，在今年SRC全球决赛的6人获奖名单中，还有4人亦为华人面孔。

包括：

另外，在郭资政去年拿到第一名（1st place）的SRC@ICCAD学生研究竞赛中，中国大学亦收获颇丰。

比如浙江大学的本科生Yu Qian，就凭借在内容寻址存储器方面的研究，拿到本科生组第三名。

而研究生组的第一名XiaoFan Zhang，本硕毕业于电子科技大学，目前在伊利诺伊大学香槟分校攻读博士。

研究生组的第三名Qi Sun，则来自香港中文大学，他本科毕业于西安电子科技大学。

可以说，这也是近年来中国大学、华人学生们在世界EDA竞赛中频频崭露头角的缩影。

去年，同样是在EDA领域国际顶会ICCAD的竞赛当中，华中科技大学一举夺魁，以#中国团队拿下EDA全球冠军#的话题冲上热搜，引发不少讨论。

而在2017-2019年期间，福州大学在该项赛事中实现 三连冠 。

ICCAD CAD算法竞赛举办以来产生的30个冠军中，则有 11个 花落香港中文大学。

需要承认的是，在EDA领域，中国仍然面临着“卡脖子”的困境。

但在学术练兵场上，后备力量的光芒亦正在愈发闪亮。

你觉得呢？

参考链接： [1] [2] [3] [4]

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