Autorouting oder kein Autorouting? Eine Geschichte gescheiterter Designautomatisierung

Willkommen in der Welt der Elektronik. Wir schreiben das Jahr 2016, und die technologische Raffinesse ist größer als in jeder anderen Epoche der Menschheitsgeschichte. Allein in diesem Jahr haben autonome Fahrzeuge begonnen, ihren Weg in die Öffentlichkeit zu finden, Raketen werden aus dem Weltraum zur Wiederverwendung mit fein abgestimmter Präzision gelandet, und Moores Gesetz setzt seine endlose Wachstumskurve fort. Doch bei all diesem technologischen Fortschritt fehlt eine Sache: ein anständiger Vergleich von PCB-Autoroutern.

Das eigentliche Problem mit Autoroutern

Obwohl PCB-Autorouter so lange existieren, wie Ingenieure wissen, was CAD bedeutet, haben Designer, die an der Erstellung eines dichten PCB-Layouts beteiligt sind, die Implementierung dieser Automatisierungstechnologie fast vollständig ignoriert, und das zu Recht. Die Algorithmen der Autorouter haben sich seit ihrer Einführung kaum verändert.

Wenn man stagnierende Technologie mit EDA-Anbietern kombiniert, die Autorouting-Technologie mit unterschiedlichen Leistungsgraden und Konfigurationseinstellungen bereitstellen, ist es kein Wunder, dass sich Autorouter nicht durchgesetzt haben. Diese Technologie, die dazu gedacht war, Ingenieurszeit zu sparen und Arbeitsabläufe zu verbessern, hat es einfach nicht geschafft, ihr Spiel so zu verbessern, dass sie mit der Expertise und Effizienz eines erfahrenen Leiterplattendesigners mithalten kann. Ist das wirklich alles, was Autorouter zu bieten haben?

Die frühen Anfänge der Autorouting-Technologie

Die ersten von EDA-Anbietern produzierten Autorouter waren durch schlechte Ergebnisse und Leistung gekennzeichnet. Sie boten größtenteils keine Richtlinien oder Konfigurationen zur Wahrung der Signalintegrität und fügten oft eine übermäßige Anzahl von Vias im Prozess hinzu. Um die Probleme dieser frühen Technologie noch zu verschärfen, waren Autorouter auch auf ein striktes X/Y-Raster beschränkt und dabei schichtvoreingenommen.

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Als Ergebnis dieser Einschränkungen wurde häufig Platz auf der Platine verschwendet, und Ingenieure mussten das Durcheinander eines unausgeglichenen PCB-Layouts aufräumen. Die Zeitinvestition für einen Ingenieur, um ein schlecht optimiertes PCB-Layout von einem Autorouter zu korrigieren, dauerte oft länger, als es gebraucht hätte, eine Platine manuell zu verdrahten. Autorouting hatte keinen guten Start.

Beispiel für rasterloses Autorouting^[1]  

Entwicklungen im Autorouting der 80er Jahre

Im Laufe der Jahre verbesserte sich die Autorouting-Technologie nur marginal, wobei die Qualität nicht mit den Erwartungen eines Leiterplattendesigners Schritt hielt. Es gab immer noch das Problem des schlecht verwalteten Layoutplatzes auf der Platine, der Schichtenvoreingenommenheit und der übermäßigen Verwendung von Vias. Um die Weiterentwicklung dieser angeschlagenen Technologie zu unterstützen, begannen EDA-Anbieter, neue Grundplattenkomponenten und Platinentechnologien zu adoptieren, um die Erfüllung der Anforderungen an die Signalintegrität zu erleichtern.

Wenn man diese Ära der Entwicklung des Autoroutings charakterisieren wollte, wäre es die Behinderung durch Hardware-Beschränkungen. Autorouter-Algorithmen konnten einfach die Gittergrößen nicht für eine bessere Routingqualität reduzieren, ohne auf dedizierte CPUs und zusätzlichen Speicher zurückgreifen zu müssen, um alle erforderlichen Daten zu unterstützen. Ohne eine hardwarebasierte Lösung begannen EDA-Anbieter, andere Wege zu erkunden, einschließlich des shape-basierten Autoroutings für schematische Erfassungen.

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Diese neuen shape-basierten Autorouter halfen dabei, die Anforderungen an die Platinenfertigung und die Signalintegrität zu erfüllen, indem sie:

• Effiziente Verbindungen zwischen Komponenten herstellten

• Die Kosten für PCBs senkten, indem sie während des Autorouting-Prozesses weniger Vias hinzufügten

• Den Abstand erhöhten, während sie weniger Schichten auf einer PCB verwendeten

Trotz dieser Fortschritte blieb die Autorouting-Technologie objektiv gesehen bestenfalls mittelmäßig. Trotz der Überwindung von Hardware-Beschränkungen blieben PCB-Designer skeptisch gegenüber der Annahme der Autorouting-Designtechnologie.

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Beispiel für Maze Autorouting^[2]    

Die schleppende Entwicklung der 90er Jahre

Bevor das neue Jahrtausend erreicht wurde, hatten sich die Autorouter weiterentwickelt und neue Fähigkeiten erlangt, einschließlich optimierter Winkel, Push-and-Shove-Routingmodi, geringerer Verwendung von Vias und sogar Glättung, um überschüssige Drahtsegmente zu entfernen. Es gab sogar einige Bemühungen, eine Autorouting-Technologie zu entwickeln, die keine Schichtenvoreingenommenheit aufwies.

Obwohl all diese neuen Fortschritte vielversprechend klangen, hatten sie den benötigten Einfluss auf die PCB-Designgemeinschaft? Leider nicht. Je mehr die EDA-Anbieter versuchten, die Autorouting-Technologien den widerwilligen PCB-Designern aufzuzwingen, desto mehr Nebenwirkungen produzierte es, einschließlich:

• Erhöhte Produktion von Platinen mit unvollständigen und schlecht optimierten Routen.

• Erhöhte Komplexität der Autorouting-Einrichtung, die Expertenkonfigurationen erforderte.

• Erhöhte Zeit, die PCB-Designer aufwenden mussten, um schlechte Autorouting-Pfade zu korrigieren.

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Die 90er Jahre offenbarten einen anhaltenden Trend - wenn es um die Fertigstellung realer Designs ging, blieb das manuelle Routing weiterhin König.

Formbasiertes Autorouting  

Wird das neue Jahrtausend eine neue Hoffnung bringen?

Das neue Jahrtausend bricht an und bringt eine Fülle neuer Komponenten und Leiterplattentechnologien mit sich, die eine Veränderung in der manuellen Verlegung von PCBs bewirken. In den meisten Entwürfen mussten Vias nun reduziert werden, um die Signalintegrität zu bewahren, Signale benötigten zunehmend eine Verzögerungs-/Zeitverwaltung, Differentialpaare wurden zur Norm für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, und das BGA wurde für viele zur bevorzugten Wahl bei Paketen mit hoher Pinanzahl. Diese Verschiebung im Designbewusstsein läutete das Zeitalter des River-Routings ein.

Die River-Routing-Methode war überraschend effektiv und reduzierte die Anzahl der Vias auf einer Leiterplatte erheblich, nutzte die Schichten gleichmäßig und hatte keine Voreingenommenheit bezüglich der Routing-Schicht. Trotz dieser Fortschritte war die Akzeptanz auf einem historischen Tiefpunkt, aber warum? Dieses Mal war es nicht die Technologie, es war die Denkweise des PCB-Designers. Da PCB-Designer ständig die Platine im Kopf verlegen, während sie Komponenten platzieren, hat dies einen direkten Einfluss darauf, wie/wo platziert wird, was dann die Implementierung des Routings beeinflusst. Den Versuch, diesen Arbeitsablauf mitten im Strom mit einer River-Routing-Methodik zu unterbrechen, lehnten viele Ingenieure ab.

Als Alternative zum River-Routing entstand ein neuer Trend in der Routenplanung. Diese Methode bot Designern ein komplettes Werkzeugset zur Konfiguration von Autorouting-Einstellungen, einschließlich Definitionen von Lagenstapeln, Entwurfsregelbeschränkungen, Signalschirmung und mehr. Und obwohl all diese Einstellungen dringend benötigt wurden, um die Verwendung von Autorouting durch einen PCB-Designer zu rechtfertigen, nahm die Zeit für die Konfiguration der Attribute immer noch mehr Zeit in Anspruch als ein manueller Routingprozess.

Unterschiedliche Methodologien für dieselben Ziele

Trotz aller Fortschritte in der Autorouting-Technologie im Laufe der letzten drei Jahrzehnte wird diese Technologie immer noch von den meisten Ingenieuren schlecht genutzt. Kann es wirklich die Technologie selbst sein, die das Problem darstellt, oder vielleicht ist es ein Problem mit kollidierenden Erwartungen zwischen PCB-Designern und Autoroutern?

Typischerweise betrachten PCB-Ingenieure die Platzierung von Komponenten und das Routing Hand in Hand, oft visualisieren sie Board-Layouts aus 10.000 Fuß Höhe, um logische Komponentenplatzierungen und Verbindungspunkte zu identifizieren. Andererseits gehen Autorouter diese gleiche Routing-Herausforderung von unten nach oben an, eine Verbindung nach der anderen.

Für dichtere Leiterplattenlayouts skizzieren Ingenieure üblicherweise das Bussystem und Subsystem auf Papier, das sie dann als Leitfaden für ihren manuellen Verdrahtungsprozess verwenden. Während ein Ingenieur Komponenten platziert, berücksichtigt er oft gleichzeitig mehrere andere Variablen, einschließlich Liefertermine, Designkomplexität, Produktkosten und mehr.

Es gibt natürlich den gefürchteten Änderungsauftrag (Engineering Change Order, ECO), der eine albtraumartige Kettenreaktion auslösen kann, besonders wenn er einen komplexen Designbereich wie ein BGA betrifft. Bei solchen Aufgaben können Autorouter ein effektives Werkzeug sein, aber nur, wenn sie die Trace-Escape oder Fanouts optimieren können, ohne zusätzliche Vias hinzuzufügen. Und obwohl ein guter Designer den Schmerz dieses Prozesses mit optimierten Pin-Zuweisungen lindern kann, bleibt die Herausforderung dieselbe, mit oder ohne Autorouter.

Was die EDA-Industrie wirklich braucht

Hier sind wir, drei Jahrzehnte später, und warten immer noch auf einen interaktiven Ein-Klick-Router, der eine gewünschte Routing-Topologie sofort in die Realität umsetzt. Was muss die Autorouting-Technologie der Zukunft beinhalten, um ernst genommen zu werden?

• Agilität. Diese Technologie muss flexibel genug sein, um PCB-Designern vollständige Kontrolle über die Routing-Richtung, den Standort und die Auswahl zu geben, unabhängig von der Designkomplexität.

• Effizienz. Diese Technologie muss deutlich effizienter sein als das manuelle Verlegen einer Platine, um den Zeitaufwand dafür jemals rechtfertigen zu können.

• Einfachheit. Diese Technologie muss einfach zu konfigurieren sein und es PCB-Designern ermöglichen, Pfade bei Bedarf zu bearbeiten.

• Qualität. Diese Technologie muss die Qualität der Signalintegrität bewahren, während sie auch auf mehreren Ebenen ohne Schichtenvoreingenommenheit verlegt und verteilt wird.

• Zuverlässigkeit. Diese Technologie muss konstant zuverlässige Ergebnisse liefern, die dann gleich beim ersten Mal hergestellt werden können.

• Integriert. Diese Technologie muss mit unseren bestehenden Designlösungen integriert sein und mit unseren Designvorgaben verbunden werden.

• Bezahlbar. Diese Technologie muss erschwinglich und für jeden PCB-Designer zugänglich sein, wenn sie jemals eine weit verbreitete Nutzung finden soll.

Vorher

Nachher (Aktiv Schnell)    

Leiterplattendesigner auf der ganzen Welt warten darauf, das Autorouting ernst zu nehmen, aber die letzten drei Jahrzehnte haben uns nicht viel Vertrauen in diese Technologie gelassen. Hält die Zukunft dieselben Ergebnisse bereit? Wir haben etwas zu zeigen...schauen Sie, was in Altium Designer^® auf Sie zukommt.

Referenzen: