計算機輔助設計學科的建設與發展

　　編者按：劉明業教授是北京理工大學計算機輔助設計學科的創始人，也是最早參與我國計算機輔助設計人才培養和科研工作的重要人物之一。為了讓更多人了解劉明業教授在該領域的經歷，慈林林、王志英兩位教授特別撰文，并沿著學科發展的脈絡，為我們講述劉明業教授在計算機輔助設計方面所作出的貢獻。
　　
　　鑒于我國集成電路90%依賴進口的狀況，2006年，國務院發布《國家中長期科學與技術發展規劃綱要(2006-2020年)》，將核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品(簡稱“核高基”)確定為國家科技重大專項。其指導戰略是在上述領域掌握核心技術、實現自主可控并實現產業化。然而，在實施這一戰略任務時，舉國上下面臨的最突出問題就是缺乏人才，尤其是計算機/集成電路設計方面的人才。但與此同時，人們又驚喜地發現該領域第一線很多“干將”都是由北京理工大學計算機學科劉明業老師團隊培養出來的人。他們在“中國芯”集成電路設計、在國家“863”重大科研攻關中都發揮著重要作用。
　　“十年樹木，百年樹人”。追根溯源，我們可以看到，在改革開放后，劉明業老師慧眼識途，極其敏銳地抓住機遇、抓住方向，在十分困難的情況下，從零開始，帶領團隊一步步艱苦創業，一步步成長壯大，從教材編寫到科研立項，從人才培養到實驗室建設，從碩士點到博士點，30多年的辛勞最終凝聚成累累碩果。
　　劉明業的童年常常伴著牛背上的睡夢，然而，解放戰爭的隆隆炮聲把他從睡夢中驚醒，一個窮山溝的孩子就是在這種環境中成長起來。
　　1959年，劉明業從哈爾濱工業大學計算機專業畢業后留校任教。1962年，調入北京工業學院(后改名北京理工大學)。1985年破格晉升教授。1990年被國務院學位委員會評審為計算機應用學科博導。1998年受聘為學校計算機學科首席教授并成為本學科帶頭人。
　　劉明業教授長期致力于發展我國計算機/集成電路設計自動化事業，潛心學校計算機學科的建設和EDA實驗室建設，同時，他培養出北京理工大學計算機學科第一位碩士、第一位博士及第一位博士后，在改革開放30年間，劉明業教授培養博士近50名、碩士50多名，現在他們大多已成為國內外知名大企業、科研院所的骨干和名牌大學教師。
　　劉明業教授長期從事計算機輔助設計和EDA方面的科研工作，有11項成果獲得國家和部委的獎勵，發表論文百余篇，1992年起享受政府特殊津貼。劉明業教授主持撰寫的專著、譯著和全國統編/規劃教材及國家技術標準十多部，這些著述對國內EDA的研發及人才培養起到重要作用。
　　
　　※ 山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村
　　
　　“十年動亂”期間，科研工作舉步維艱，但劉明業老師從沒有停止科研工作。1973年，他成為我國最早的數字地炮指揮儀開發項目技術負責人。當時，從邏輯設計到印刷電路板繪制工作全部靠手工完成，研制周期長且難免出現錯誤。當時，我們與國外完全隔離，在CAD領域基本處于空白狀況。改革開放后，國外先進技術大量涌入，但我們仍靠手工作坊方式研發計算機，遠遠落后于西方。這時的劉明業老師還在“五七”干校鍛煉，但他已敏銳地意識到我國必須盡快在這一鄰域開展研究，培養出人才并迎頭趕上。此時，劉明業老師白天到田里勞動，晚上便挑燈看資料，并利用節假日跑圖書館、搞研究。
　　1978年10月，全國首屆數字系統計算機輔助設計學術交流會在桂林舉行。140多位與會專家、學者來自全國67個科研院所、高等學校及相關單位。劉明業把一份向全國科技大會獻禮的書稿呈現給大家，這份書稿倍受國內同行的關注，會議主持者，電子部15所胡祖宣總工程師當場邀請劉明業到他們研究所的FELIX C-512機上做工程化實現工作，這使劉明業團隊的工作向前邁進了一大步。科學出版社編輯也在會場約劉明業撰寫《計算機輔助邏輯設計理論》一書(1985年出版，1995年再版)。在此之后，劉明業參與創辦了《計算機輔助設計與圖形學學報》并出任副主編，創刊號的第一篇文章就是郭書明、劉明業撰寫的“從行為描述到結構描述的自動綜合”。此外，劉明業還參與創建了中國計算機學會“邏輯設計自動化專業學組”，它掛靠在北京理工大學ASIC研究所，由劉明業任組長。劉明業和研究所的同事在15所C-512機上工作了近5年，該單位還協助劉明業團隊鑒定一項成果——“計算機輔助邏輯設計程序LOGSYN83”，該成果獲1986年兵器部科技進步一等獎。
　　隨著各方面工作逐一展開，科研工作呈現出 “柳暗花明又一村”的欣欣向榮局面。
　　
　　※ 助教勇敢沖上前，前輩鼎力來相助
　　
　　文革后的1978年，我國高校恢復招收研究生，當時，還是助教的劉明業率先招進了第一名碩士研究生，學校第一次招生的“計算機原理”考題就是出于劉明業之手。為此，劉明業經過仔細琢磨并確定了幾條原則：考卷題目要基本覆蓋本課程的全部內容；題目難度要適當，不宜太深也不能太易。該門課考試結束后，考生普遍認為題目出得很好，全部答出來不容易，也不會得零分，能考出學生的水平。研究生入學后，劉明業為他們精心安排選題方向、上機實踐及培養計劃。即使面對一名學生，劉明業仍潛心研究，為其開出“計算機輔助邏輯設計理論”課。
　　劉明業工作、學習十分勤奮，他曾在防震棚里刻苦鉆研、備課；他手中時常拿著規規正正的講稿，和學生坐在教室的一角，邊閱讀邊討論；在15所FELIX C-512機器上做研究工作(這在當時是國內最先進的中型計算機)時，他通過幾年努力，完成了碩士生研究，探討研究生開課的方法并建立碩士研究生相關的系列課程并全程指導研究生論文研究。這些工作為日后爭取計算機應用碩士授權點，乃至申報博士點積累了經驗，增添了實力。
　　20世紀80年代，國家學位制頒布后，國務院學位辦主持的學位評審工作十分嚴謹，有些單位連續幾次申報都未通過，北理工碩士點通過較晚，博士點的申報就更難。
　　在1990年第四批博士點申報中，北京理工大學計算機應用博士點在通訊評議中落選，而指導教師劉明業則處于少一票的臨界狀態，兄弟院校的老師從學科建設和專業設置考慮，認為這很可惜。為了學科發展，這些老師建議劉明業向我國計算機老前輩、國防科技大學計算機系慈云桂教授請教。況且，劉明業從哈工大當助教起至今的幾十年間一直得到慈老指教。一天，劉明業趕往慈云桂院士家中匯報，本已出門準備上班的慈老見劉明業一早趕來且面帶難色，馬上回到客廳，聽取劉明業的匯報。他認真翻閱劉明業提交的材料，并詳細詢問劉明業有關學科建設的全面情況。他沉思片刻后說：“國家需要大力發展CAD這一學科方向，急需人才。你們在十分困難情況下開展研究工作我早已了解。”同時，慈老表示愿意為劉明業博士導師問題給國務院學位辦寫一封推薦信。慈老提出，文化大革命耽誤了我們十年，危害很深。目前的國情是一個單位在這方面強一些，而另一個單位在別的方面強一些，我們可以發揚社會主義大協作精神，合力來辦一些事，這是我們的好傳統，同時，慈老建議找一個已有計算機應用博士授權點的單位聘請劉明業為兼職教授。在慈老的推薦下，劉明業隨后赴西北工業大學，西北工業大學給劉明業發了聘書，還請其帶回西北工業大學研究生院致國務院學位辦的函件，同意他掛靠在該校計算機應用博士點并兼職博士生導師。
　　1990年，西北工業大學將計算機學科僅有的一個增補博導名額給了北理工劉明業老師。劉明業成為博導體現了西北工業大學對北理工的友好情誼和社會主義大協作精神。一件小事不僅促進了兩校的合作，也促進了國家學科建設的發展。有了這些基礎，北京理工大學計算機博士點在1993年順利通過第五批博士點評審。
　　
　　
　　※ 個人貸款買機器，節余還貸講奉獻
　　
　　學科建設實驗室至關重要，而在實驗室建設中，先進的軟硬件設備又是關鍵。要建立一流的實驗室必須引進一流的設備，劉明業老師在購置設備中同樣遇到了許多困難。當時，科研合同大都在年初簽訂，而撥款要到下半年，甚至年末，并且實行分批撥款。因此，想用科研經費買件大設備難度很大。由于劉明業急于開展工作，特向學校貸款建立電子設計自動化(EDA)實驗室，在學校各級領導的關懷下，他曾三次以個人名義，冒著很大風險向學校科研處和器材處貸款，共72萬元。
　　當時，北理工馬志清副校長善意提醒劉明業說：“你向學校借款是要你自己負責還款的呀！”然而，對劉明業來說，“一言既出，駟馬難追”，事實上，劉明業在后來也越發感到這個包袱的沉重，因為這些貸款相當于他幾百年的工資(當時他的工資每月100多元)。面對壓力和巨額貸款，劉明業等一班人并沒有迷失方向，他們不但堅持工作、還取得了成果，為了盡快還清貸款，他們的項目經費節余全部用于償還因購買設備向學校的貸款，1988年末，劉明業終于提前還清了所有設備貸款。
　　劉明業為建立先進的研究生研究環境、為爭取更多的國家科研項目付出了艱苦努力。他們將在15所C-512機上做的成果移植到Apollo 550工作站上，使工作立刻提高了一個層次：彩色圖形顯示、反應速度快、能處理的數據量增大。之后，他們努力攻關完成了該系統的漢化，在Apollo公司及其國內用戶中引起很大的震動。1989年，鑒定認為“這是國內在系統級漢化Apollo 32位工作站最為成功的一例，達到國內領先、國際同類產品的先進水平，1990年獲國家四部委軍轉民高技術、出口產品展覽會銀獎及1991年兵器部科技進步二等獎。在國內推廣出售到七機部等27家用戶，共40多臺(套)。
　　劉明業貸款買機器，改造EDA實驗室的環境和條件，深入開展科研工作，為創建博士點邁出了堅實的步伐，加快了人才培養質量，促進了科研成果，最終建立了博士生培養基地。
　　
　　※ 辛勤耕耘結碩果，培養碩博多英賢
　　
　　劉明業自1978年開始招收碩士生、1990年開始招收博士生。他創建的ASIC研究所中的人員逐年增多，目前，研究所已有40多人并增加了圖形工作站、大型繪圖機、數字化儀等先進的CAD設備。實驗室工作人員任務繁忙，并經常接待來訪、視察的國內外專家、學者和上級領導。
　　自從第一名博士生入學后不久，劉明業就開始考慮研究生培養的具體要求，提出“三篇一級學報文章”的博士研究生畢業學術論文目標。這是他根據自己所接觸的西工大、哈工大、北航、清華大學及中科院計算所、軟件所等單位的博士生論文評閱和答辯的情況，并結合本校情況，自己提出的高要求。
　　ASIC研究所的所有研究生論文選題都結合科研項目。指導教師將項目劃分成子課題，分配給同學們完成，項目執行注重上機實踐，強調成果的真實性和應用價值。每個子課題完成后必須經過嚴格測試，寫出詳細的測試報告及技術總結，項目投入應用后，才能考慮發表文章。
　　師生團結奮戰、齊心協力出成果是ASIC研究所多年來取得的一條成功經驗。多年來ASIC研究所對AHPL、DDL、VHDL及Verilog四種高層次硬件描述語言組織了許多研究生進行連續不懈攻關。《VHDL語言100例詳解》[1](清華大學出版社，1999年)和《專用集成電路行為功能級模擬技術》(中國鐵道出版社，1994)成為該領域當時最暢銷的書，清華大學出版社多次重印和再版。電子工業出版社計算機事業部專家認為它是VHDL語言在國內影響最深的一本書。《專用集成電路高級綜合理論》(北理工版，1998年)獲2001年首屆國防科技優秀圖書獎，后被北理工研究生院向教育部推薦為“研究生教材”。師生們長期以來在HDL方面做了很多工作，《Verilog國標》(標準版，2002年)和《VHDL高等教程》(清華大學出版社，2004年)兩本書是集成電路/計算機國際流行的兩個HDL(硬件描述語言)標準教材。上述各書均為劉明業主編。
　　劉明業經常強調，計算機設計自動化是一門高技術，從事這方面工作不但需要具備高水平的業務能力，還要有高水平的思想素質，為此，他們特別重視做好同學們的政治思想工作，以期達到教書育人的目的。他們重視正面的思想教育，對全體研究生提出“思想健康、心態積極和生活規律”三點要求。他們認為這些要求首先要讓同學接受，然后再引導他們正確對待改革開放中所出現的各種事物，身心健康地學習工作。劉明業明確要求研究生不要吸煙，ASIC研究所早在20世紀80年代已是無煙區。一位在海外學習奮斗十幾年的同志回國后，見到劉老師的第一句話就是“你教育我要孝順父母，祖國就是我們的母親”。
　　至今，ASIC研究所獲得11項國家級和部級科研成果獎，獲得博士學位的畢業生近50人，有十多人獲得本校優秀博士論文獎、校優秀論文特等獎，有16人獲本校優秀碩士論文獎。此外，還有多人獲計算機學會優秀論文獎、計算機學會專業會議的論文獎等。ASIC研究所師生共發表論文數百篇。這些論文大部分被SCI、EI或ISTP收錄，或在國內一級學報發表。
　　今天，這些博士、碩士生當中有的在中科院等國家級科研院所和國內重點大學工作，有的已成為中外大企業的重要骨干。很多人已晉升高工、副教授、教授及博導，有的已是國外名牌大學的教授，有的還擔任了系主任、院長職務。
　　
　　※ 科研攻關不畏難，艱苦創業志超前
　　
　　高水平的科研才能培養造就高水平的人才。劉明業長期以來始終把科研作為人才培養工作的重點。他幾十年如一日，一絲不茍、兢兢業業、勤勤懇懇地頑強拼搏在教學科研的第一線。
　　邏輯綜合與硬件描述是計算機輔助設計兩大難關，是研究EDA工具的重要基礎。自動邏輯綜合的研究內容包括數字電路組合邏輯、時序邏輯、自動綜合的理論和算法研究等。從1978年開始研究到1984年，成果“計算機輔助邏輯設計程序LOGSYN83”通過鑒定，被譽為“達到國內最先進水平，有些算法是國外文獻所未見到過的”，獲兵器部1986年度科技進步一等獎。反映理論成果的“自動邏輯綜合系統中的幾個覆蓋問題及其求解方法”刊于1981年《計算機學報》，建立的自動邏輯綜合系統，可以解決規模較大的覆蓋問題，具有實用價值，這個系統的設計及實現方法均屬于當時國內最先進水平。《計算機輔助邏輯設計理論》[2] (科學出版社)一書獲北京市1998年度科技進步三等獎。
　　劉明業在高級綜合理論、硬件描述語言、綜合優化理論與算法等方面積累了豐富的研究成果，在國家級的學術期刊上發表過大量論文。他主編的《專用集成電路高級綜合理論》[3]一書獲國防科工委“首屆國防科技工業優秀圖書獎”。科學院計算所林宗楷研ExaO9NiCVcwmGkYf2R5uLX1yx80PfzaqOtcjSyS6uc0=究員和清華大學薛宏熙教授及北京郵電大學沈樹雍教授都給予了很高的評價，他們認為“該書的內容反映了國內八五期間該領域研究中的重大突破，系統而科學地總結出一系列創造性工作，其特色是貫穿了高級綜合的各個方面(編譯，綜合，模擬驗證，工藝映射及邏輯圖自動生成)。近年來國內出版和國外進口的高級綜合專著還沒有那一本內容如此全面、系統、深入。因此，本書以其內容的系統性、完整性，理論性和高度實用性，科學地描述出EDA中高級綜合這一學科的全貌，不但在國內屬首創，在國外同類著作中也是不多見的”。
　　在硬件描述語言國標制定方面，劉明業老師等也做了大量開拓性工作，他主持起草或制定了國家標準《集成電路/計算機硬件描述語言Verilog》[4](GB/T 18349-2001)國家質量技術監督局2002年發布。主持撰寫了《電子CAD/EDA描述語言通用技術規范》。包含了VHDL最新標準的《集成電路/計算機硬件描述語言VHDL高等教程》[5]由清華大學出版社2002年出版。
　　工程實現既包括了科研攻關成果的綜合集成，同時還要解決諸多具體實現上的難題。在本世紀初，他帶領團隊解決了二維條形碼識讀器國產化中編碼、糾錯及譯碼的關鍵技術問題，為建立我國獨立的擁有自主知識產權的條形碼產業奠定了基礎。他還經過多年努力成功完成了一套完備的“數字系統高層次自動設計系統”EDA工具軟件。此系統基于硬件描述語言VHDL/Verilog及其編譯、模擬驗證、自動綜合，乃至工藝映射和邏輯圖自動生成等軟件的集成系統。
　　多年來，劉明業在教材編寫方面也作出了突出貢獻。《數字系統計算機輔助設計》(國防工業出版社，1980年出版)系文革后全國高校第一輪統編教材。《數字系統設計自動化》(電子工業出版社，1991年出版)系工科電子類七五規劃教材。《數字系統自動設計》(高等教育出版社，1996年出版)系國家教委首屆計算機科學教學指導委員會規劃教材。《數字系統自動設計實用教程》(高等教育出版社，2004年出版)系普通高等教育“十五”國家級規劃教材。
　　總之，劉明業教授為北京理工大學與我國計算機輔助設計人才培養和學科建設發展付出了大量的艱苦努力，歷史將銘記著他的貢獻。
　　
　　參考文獻：
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