CAD-Design-Automation: Autorouting oder nicht?

Willkommen in der Welt der Elektronik. Wir schreiben das Jahr 2020 und wir erleben mehr technologische  Komplexität als in irgendeiner anderen Phase der Menschheitsgeschichte. Genau in diesem Jahr wurden autonom fahrende Autos das erste Mal in den öffentlichen Verkehr eingeführt. Raketen kehren mit höchster Präzision aus dem All zurück und können wiederverwendet werden, und das endlose Wachstum gemäß Moore’s Law geht weiter. Bei all diesen technologischen Fortschritten wird eines jedoch immer noch schmerzlich vermisst: Ein vernünftiger Autorouter.

Das eigentliche  Problem mit der CAD-Design-Automation und Autoroutern

Autorouter für Leiterplatten gibt es schon so lange, wie Ingenieure  wissen, wofür das Kürzel CAD steht. Dennoch haben Designer, die komplexe Leiterplatten-Layouts zu entwerfen hatten, diese Automatisierungstechnik fast vollständig links liegen lassen – und das nicht ohne Grund. Die Algorithmen haben sich nämlich seit ihrer ursprünglichen Einführung kaum verändert.

Veraltete Technik und EDA-Anbieter, die CAD-Design-Automation mit unterschiedlichen Performance-Stufen und Konfigurationen anbieten – wen wundert es da, dass Autorouter sich nicht wirklich durchgesetzt haben? Dieser Technologie, die eigentlich dafür gedacht war, Entwicklungszeit einzusparen und die Arbeitsabläufe zu verbessern, gelang es einfach nicht, es bei der Entflechtung mit der Expertise und Effizienz eines erfahrenen Leiterplattenentwicklers aufzunehmen. Aber ist das wirklich alles, was Autorouter zu bieten haben?

Die Anfänge der Autorouting-Technologie

Die ersten von EDA-Anbietern angebotenen Autorouter waren in der Qualität ihrer Ergebnisse und in ihrer Performance sehr bescheiden. Sie boten im Wesentlichen keine Richtlinien oder Konfigurationen zur Wahrung der Signalintegrität und erzeugten häufig übermäßig viele Durchkontaktierungen. Verschärft wurden die Probleme dieser frühen Technik dadurch, dass Autorouter auf ein striktes X/Y-Raster ausgerichtet waren und bestimmte Lagen bevorzugten.

Das Resultat dieser Einschränkungen war, dass routinemäßig Platz auf den Leiterplatten vergeudet wurde und dann die Layouter gefordert waren, das Ergebins aufzuräumen und das unausgewogene Leiterplatten-Layout zu bereinigen. Häufig benötigte ein Layouter zum Korrigieren des von einem Autorouter erzeugten, unzureichend optimierten Layouts mehr Zeit, als wenn er die Entflechtung von vornherein manuell vorgenommen hätte. Insgesamt legte der Einsatz von Autoroutern einen eher mäßigen Start hin.

Fortschritte bei der CAD-Design-Automation in den Achtzigern

Im Laufe der Jahre wurde die Technologie der CAD-Design-Automation nur marginal verbessert und die Qualität blieb dabei hinter den Erwartungen der Leiterplatten-Designer zurück. Nach wie vor gab es das Problem der schlechten Flächennutzung, der Bevorzugung bestimmter Lagen und der übermäßig hohen Anzahl an Durchkontaktierungen. Um die Weiterentwicklung dieser kränkelnden Technologie voranzubringen, begannen die EDA-Anbieter neue Komponenten und Leiterplatten-Technologien aufzugreifen, damit sich die Signalintegritäts-Vorgaben leichter einhalten ließen.

Wenn etwas gibt, mit dem sich dieses Zeitalter in der Entwicklung von Autoroutern charakterisieren lässt, dann sind es die Einschränkungen durch Limitationen der Hardware. Autorouter-Algorithmen konnten nicht zur Steigerung der Routing-Qualität die Rasterabstände reduzieren, ohne auf spezielle CPUs und zusätzlichen Speicher zurückzugreifen. Da keine hardwarebasierte Lösung zur Verfügung stand, begannen die EDA-Anbieter andere Lösungswege auszuloten, wie etwa das shape-based Autorouting.

Diesen neuen Shape-Based-Autoroutern gelang es tatsächlich, die Leiterplattenfertigungs- und Signalintegritäts-Vorgaben zu erfüllen, indem sie:

• Effiziente Verbindungen zwischen den Komponenten erzeugten.
• Die PCB-Kosten senkten, weil im CAD-Design-Automation Prozess weniger Durchkontaktierungen hinzugefügt wurden.
• Größere Abstände vorsahen und weniger Lagen auf der Leiterplatte verwendeten.

Ungeachtet dieser Fortschritte blieb die Technologie bestenfalls auf einem mittelmäßigen Niveau hängen. Auch als die EDA-Anbieter auf schnellere Hardware setzen konnten, hielt sich bei den Leiterplatten-Designern die Skepsis, ob sie CAD-Design-Automation  überhaupt nutzen sollten.

Glanzlose Fortschritte in den Neunzigern

Vor der Jahrtausendwende wurden Autorouter mit neuen Funktionen aufgewertet. Dazu gehörten optimierte Winkel, das Push-and-Shove-Autorouting, geringere Anzahl von Durchkontaktierungen und sogar das Glossing zur Entfernung überflüssiger Leiterbahnsegmente. Es wurden sogar Vorstöße zur Entwicklung von Autorouting-Technologien gemacht, die ganz ohne Lagenausrichtung auskam.

Obwohl all diese Fortschritte durchaus vielversprechend klangen, stießen sie bei den Leiterplatten-Designern nicht auf große Gegenliebe. Je mehr die EDA-Anbieter bestrebt waren, den unwilligen PCB-Designern ihre Autorouting-Technologien aufzuzwingen, umso mehr Nebenwirkungen waren festzustellen. Zum Beispiel:

• Vermehrte Produktion von Leiterplatten mit unvollständiger oder unzureichend optimierter Leiterbahnführung.

• Gesteigerte Komplexität beim Aufsetzen des Autorouters benötigte Expertenwissen.

• Erhöhter Zeitaufwand für die PCB-Designer für das Ändern unzureichender Autorouting-Ergebnisse.

So wurde in den Neunzigern ein steter Trend deutlich: Wenn es um die Entflechtung von Layouts ging, war das manuelle Routing einfach unschlagbar.

Neue Hoffnung in den 2000ern?

Das neue Jahrtausend kam, und mit ihm eine Unmenge neuer Arten von Komponenten und Leiterplatten-Technologien. Dies hatte zur Folge, dass sich die Art und Weise, wie PCBs manuell geroutet wurden, veränderte. In den meisten Designs musste die Zahl der Durchkontaktierungen aus Gründen der Signalintegrität reduziert werden, bei Signalen wurde ein Laufzeitmanagement erforderlich, in High-Speed-Anwendungen wurden differenzielle Leiterpaare die Regel, und bei vielen Bauelementen mit einer sehr hohen Anzahl an Pins bevorzugte man BGA-Gehäuse. Mit diesem Wandel im Bewusstsein begann das Zeitalter des River-Routings.

Die River-Routing-Methode erwies sich als überraschend effektiv. Sie reduzierte die Zahl der Durchkontaktierungen auf einer Leiterplatte entscheidend, nutzte die Lagen gleichmäßig und gab beim Routing keiner Lage den Vorzug. Weshalb aber war die Verbreitung des Autoroutings trotz all dieser Verbesserungen so gering wie nie. Dieses Mal lag es nicht an der Technologie, sondern an der Einstellung der PCB-Designer. Wenn ein Layouter seine Bauelemente auf der Leiterplatte platziert, routet er dabei im Kopf gleich mit. Dies wirkt sich damit direkt darauf aus, wo und wie Bauelemente platziert werden. Diesen Ablauf durch eine River-Routing-Methodik zu unterbrechen, kam für viele Layouter einfach nicht in Frage.

Als Alternative zum River-Routing kam ein neuer Routing-Trend auf. Diese Methode gab den Designern einen vollständigen Werkzeugsatz zum Konfigurieren der Einstellungen in die Hand – von der Lagenaufbau-Definition bis zu den Designregeln, der Signalabschirmung usw. Alle diese Einstellungen waren für die Nutzung eines Autorouters durch einen Leiterplatten-Designer zwar unbedingt notwendig, , doch zum Konfigurieren all dieser Attribute war mehr Zeit erforderlich, als für ein manuelles Routing.

Verschiedene Methoden der CAD-Design-Automation – gleiche Zielsetzung

Ungeachtet all der Fortschritte, die es in den vergangenen drei Jahrzehnten in der Technologie gab, machen die meisten Layouter nur zögernd von dieser Gebrauch. Ist wirklich die Technologie selbst das Problem oder sind die Erwartungen der PCB-Designer einfach zu weit von den Fähigkeiten der Autorouter entfernt?

Bei PCB-Designern gehen das Platzieren der Bauelemente und das Routing meist Hand in Hand, wobei die Leiterplatten-Layouts häufig wie aus großer Höhe visualisiert werden, um die logisch richtige Platzierung und die korrekten Verbindungspunkte zu identifizieren. Autorouter dagegen gehen dieselbe Aufgabe von unten nach oben an und nehmen sich eine Verbindung nach der anderen vor.

Bei komplexeren Leiterplatten-Layouts zeichnen Entwickler das Bussystem und die Subsysteme meist auf ein Blatt Papier und nutzen diese Skizze anschließend als Anleitung für ihren manuellen Routing-Prozess. Wenn ein Layouter Bauelemente platziert, berücksichtigt er dabei auch gleich mehrere andere Variablen wie beispielsweise die Designkomplexität, Produktkosten, Abgabetermine usw.

Dann gibt es natürlich noch die gefürchteten ECOs (Engineering Change Orders), die eine alptraumhafte Kettenreaktion auslösen können – speziell wenn ein komplexer Designbereich wie etwa ein BGA betroffen ist. Geht es um Aufgaben dieser Art, kann ein Autorouter nur dann ein effektives Werkzeug sein, wenn er Escape-Routing oder Fanouts optimieren kann, ohne zusätzliche Durchkontaktierungen zu erzeugen. Und obwohl ein guter Designer die Schwierigkeiten dieses Vorgangs durch optimierte Pin-Zuweisung abmildern kann, bleibt die Herausforderung bestehen, ganz gleich, ob ein Autorouter eingesetzt wird oder nicht.

Was braucht die EDA-Industrie wirklich?

Nachdem also drei Jahrzehnte verstrichen sind, warten wir immer noch auf einen interaktiven Ein-Klick-Router, der eine angestrebte Routing-Topologie im Handumdrehen in die Realität umsetzt. Was muss also die CAD-Design-Automation der Zukunft bieten, um ernst genommen zu werden?

• Agilität. Die Technologie muss so flexibel sein, dass die PCB-Designer unabhängig von der Designkomplexität die vollständige Kontrolle über Richtung, Ort und Auswahl des Routings haben.
• Effizienz. Die Technologie muss beim Entflechten einer Leiterplatte deutlich effizienter sein als manuelles Routing, um den Zeitaufwand für ihre Verwendung zu rechtfertigen.
• Einfachheit. Die Technologie muss einfach zu konfigurieren sein, damit die PCB-Designer die Leiterbahnführungen nach Bedarf editieren können.
• Qualität. Die Technologie muss die Qualität der Signalintegrität wahren und gleichzeitig das Routing auf mehrere Lagen verteilen, ohne bestimmte Lagen zu bevorzugen.
• Verlässlichkeit: Diese Technologie muss stets zuverlässige Ergebnisse liefern, die dann gleich beim ersten Mal hergestellt werden können.
• Integration. Die Technologie muss in unsere bestehenden Design-Lösungen integriert und mit unseren Design-Restriktionen verknüpft sein.
• Bezahlbarkeit. Die Technologie muss erschwinglich und für jeden PCB-Designer zugänglich sein, wenn sie eine allgemeine Verbreitung finden soll.

PCB-Designer auf der ganzen Welt warten auf eine ernst zu nehmende CAD-Design-Automation und Autorouting-Lösung, doch die vergangenen drei Jahrzehnte haben in uns kein besonderes Vertrauen in diese Technik aufkommen lassen. Wird die Zukunft die gleichen Ergebnisse bringen? Dazu würden wir Ihnen gern etwas zeigen! Sehen Sie selbst, was Altium Designer 20 bringt. Außerdem steht Ihnen mit der Kombination von Altium 365 zudem eine PCB-Cloud-Plattform für eine noch bessere Zusammenarbeit zur Verfügung.