Enrutar o No Enrutar - Una Historia de Automatización de Diseño Fallida

Conoce la historia completa de la automatización del diseño EDA y la evolución de la tecnología de enrutamiento automático de PCB desde la década de 1980 hasta hoy.

Bienvenido al mundo de la electrónica. Estamos en el año 2016, y estamos viendo más sofisticación tecnológica que en cualquier otro período de la historia humana. Solo este año, los coches autónomos comenzaron a introducirse en la esfera pública, los cohetes están volviendo a aterrizar desde el espacio para su reutilización con precisión finamente ajustada, y la ley de Moore continúa prevaleciendo en su trayectoria de crecimiento sin fin. Pero solo falta una cosa en todo este avance tecnológico, una comparación decente de enrutamiento automático de PCB.

El Verdadero Problema con los Enrutadores Automáticos

Aunque los enrutadores de PCB han existido siempre, desde que los ingenieros supieran lo que significaba CAD, los diseñadores involucrados en la creación de diseños de placas densos han ignorado casi por completo la implementación de esta tecnología de automatización, y con razón. Los algoritmos de enrutamiento automático no han cambiado mucho desde que se introdujeron por primera vez.

Cuando combinas la tecnología de estancamiento con proveedores de EDA que proporcionan tecnología de enrutamiento automático con diversos grados de rendimiento y ajustes de configuración, no es de extrañar que los enrutadores automáticos no se hayan entendido. Esta tecnología que estaba destinada a ahorrar tiempo de ingeniería y mejorar los flujos de trabajo simplemente no ha intensificado su juego para igualar la experiencia y la eficiencia de una Placa Impresa veterana. ¿Es esto realmente todo lo que las rutas automáticas tienen que ofrecer?

Los Comienzos Tempranos de la Tecnología de Enrutamiento Automático

Los primeros enrutadores automáticos producidos por proveedores de EDA se caracterizaron por resultados y rendimiento deficientes. En gran medida no ofrecieron pautas o configuraciones para preservar la integridad de la señal, a menudo agregando una cantidad excesiva de vías en el proceso. Para agregar más problemas de esta tecnología temprana, los enrutadores automáticos también se limitaron a un estricto requisito de cuadrícula X/Y al estar sesgados por capas.

Como resultado de estas limitaciones, el espacio de la placa se desperdiciaba comúnmente, y se dejaba que los ingenieros limpiaran el desorden de un diseño de placa desequilibrado. La inversión de tiempo para que un ingeniero arregle un diseño mal optimizado de una ruta automática a menudo tomó más tiempo del que tendría que enrutar una placa manualmente. Desde el principio, el enrutamiento automático no tuvo un buen comienzo.

^{Ejemplo de enrutamiento automático sin cuadrícula [1]}

Avances de enrutamiento automático de los años 80

A medida que pasaron los años, la tecnología de enrutamiento automático mejoró solo marginalmente, con una calidad que no mantuvo el ritmo de las expectativas de una placa impresa. Todavía existía el problema del espacio de diseño de placa mal administrada, el sesgo de capa y el sesgo excesivo. Para ayudar a avanzar en el avance de esta tecnología enferma, los proveedores de EDA comenzaron a adoptar nuevos componentes de plano de tierra y tecnologías de placa para ayudar a facilitar el cumplimiento de los requisitos de integridad de la señal.

Si hay una manera de caracterizar esta era de desarrollo de enrutamiento automático, sería un obstáculo debido a limitaciones de hardware. Los algoritmos de enrutamiento automático simplemente no podrían reducir los tamaños de cuadrícula para una mejor calidad de enrutamiento sin tener que recurrir a CPU dedicadas y memoria adicional para admitir todos los datos requeridos. Sin una solución basada en hardware, los proveedores de EDA comenzaron a explorar otras vías, incluyendo captura de esquemas de enrutamiento automático basado en formas.

Estos nuevos enrutadores automáticos basados en formas ayudaron a cumplir con los requisitos de fabricación de placa e integridad de señal al:

• Crear interconexiones eficientes entre componentes

• Reducir los costes de PCB con menos vías agregadas durante el proceso de enrutamiento automático

• Aumento del espacio mientras se usan menos capas en una PCB

A pesar de estos avances, la tecnología de enrutamiento automático siguió siendo objetivamente mediocre en el mejor de los casos. A pesar de que los vendedores de EDA superaron las limitaciones de hardware, los diseñadores de PCB aún se mostraron escépticos sobre la adopción de la tecnología de diseño de enrutamiento automático.

^{Ejemplo de Laberinto de Enrutamiento Automático [2]}

La Mediocre Progresión de los Años 90

Antes de llegar al nuevo milenio, los enrutadores automáticos continuaron mejorando con nuevas capacidades que incluyen ángulos optimizados, modos de enrutamiento push and shove, menos uso de vías e incluso glosado para eliminar segmentos de cable adicionales. Incluso se hicieron algunos esfuerzos para crear tecnología de enrutamiento automático que no tuviera sesgos de capa.

Si bien todos estos nuevos avances parecían prometedores, ¿tuvieron el impacto necesario en la comunidad de diseño de PCB? Lamentablemente no. Cuanto más intentaban los proveedores de EDA forzar las tecnologías de enrutamiento automático a los diseñadores de PCB no dispuestos, más efectos secundarios producía, incluyendo:

• Mayor producción de placas con rutas incompletas y poco optimizadas.

• Aumento de las complejidades de configuración del enrutamiento automático que requieren configuraciones expertas.

• Mayor tiempo dedicado por los diseñadores de PCB para arreglar rutas de enrutamiento automático deficientes.

Los años 90 revelaron una tendencia continua: cuando se trataba de completar diseños reales, el enrutamiento manual seguía siendo el rey.

^{Enrutamiento automático basado en forma}

¿La década de 2000 traerá nuevas esperanzas?

Llega el nuevo milenio y trae consigo una gran cantidad de nuevos componentes y tecnologías de placa que provocan un cambio en la forma en que los PCB se enrutan manualmente. En la mayoría de los diseños, las vías ahora tenían que reducirse para conservar la integridad de la señal, las señales comenzaron a necesitar administración de retardo/tiempo, los pares diferenciales comenzaron a convertirse en la norma para aplicaciones de alta velocidad, y el BGA se convirtió en la preferencia de muchos para paquetes de conteo de clavijas grandes. Este cambio en la conciencia del diseño dio origen a la era del River-Routing.

El método River-Routing fue sorprendentemente efectivo y redujo significativamente el número de vías en una placa, utilizó capas de manera uniforme y no tenía sesgo de capa de enrutamiento. A pesar de estos avances, la adopción estuvo en su punto más bajo, pero ¿por qué? Esta vez no fue la tecnología, fue la mentalidad del diseñador de PCB. Debido a que los diseñadores de PCB están constantemente enrutando la placa en su cabeza a medida que colocan componentes, esto tiene una influencia directa en cómo/dónde se colocan, lo que luego afecta la implementación del enrutamiento. Intentar interrumpir este flujo de trabajo a mitad de camino con una metodología River-Routing fue una opción imposible para muchos ingenieros.

Como alternativa al River-Routing, surgió una nueva tendencia de planificación de ruta. Este método proporcionó a los diseñadores un conjunto completo de herramientas para configurar los ajustes de enrutamiento automático, incluidas las definiciones de la pila de capas, las restricciones de las reglas de diseño, el blindaje de la señal y más. Y si bien todas estas configuraciones eran muy necesarias para justificar el uso del enrutamiento automático por parte de un diseñador de PCB, el tiempo dedicado a configurar los atributos todavía tomó más tiempo que un proceso de enrutamiento manual.

Diferentes Metodologías para los Mismos Objetivos

A pesar de todos los avances en la tecnología de enrutamiento automático a lo largo de las últimas tres décadas, esta tecnología sigue siendo poco utilizada por la mayoría de los ingenieros. ¿Realmente puede ser la tecnología en sí misma el problema, o tal vez es un problema con las expectativas contradictorias entre los diseñadores de PCB y los enrutadores automáticos?

Por lo general, los ingenieros de PCB toman la ubicación y el enrutamiento de los componentes de la mano, a menudo visualizan los diseños de la placa a 10,000 pies para identificar la ubicación lógica de los componentes y los puntos de interconexión. Por otro lado, los enrutadores automáticos abordan este mismo desafío de enrutamiento de abajo hacia arriba, una interconexión a la vez.

Para diseños de placa más densos, los ingenieros generalmente bosquejan el sistema de bus y el subsistema en papel, que luego usan como guía para su proceso de enrutamiento manual. Y mientras un ingeniero coloca componentes, a menudo se encuentran en el mismo considerando varias otras variables, incluidas las fechas de entrega, la complejidad del diseño, los costes del producto y más.

Por supuesto, existe la temida Orden de Cambio de Ingeniería (ECO), que puede desencadenar una reacción en cadena similar a una pesadilla, especialmente cuando afecta un área de diseño complejo, como un BGA. Cuando se trata de este tipo de tareas, los enrutadores automáticos pueden ser una herramienta efectiva solo si pueden optimizar el escape de rastreo o los abanicos sin agregar vías adicionales. Y aunque un buen diseñador puede aliviar el dolor de este proceso con asignaciones de pin optimizadas, el desafío sigue siendo el mismo, enrutador automático o no.

Lo que Realmente Necesita la Industria EDA

Aquí estamos, tres décadas después y todavía estamos esperando un enrutador interactivo de un solo clic que traduzca instantáneamente una topología de enrutamiento deseada a la realidad. ¿Qué debe incluir la tecnología de enrutamiento automático del futuro para que se tome en serio?

• Agilidad. Esta tecnología debe ser lo suficientemente flexible como para brindar a los diseñadores de PCB un control completo sobre la dirección, ubicación y selección del enrutamiento, independientemente de la complejidad del diseño.

• Eficiencia. Esta tecnología debe ser mucho más eficiente que enrutar manualmente una placa para justificar el tiempo que la usas.

• Facilitar. Esta tecnología debe ser fácil de configurar, lo que permite a los diseñadores de PCB editar rutas según sea necesario.

• Calidad. Esta tecnología necesita preservar la calidad de la integridad de la señal al tiempo que enruta y distribuye en múltiples capas sin sesgo de capa.

• Confiabilidad. Esta tecnología necesita producir resultados confiables consistentemente que luego puedan fabricarse correctamente la primera vez.

• Integrado. Esta tecnología debe integrarse con nuestras soluciones de diseño existentes y conectarse con nuestras limitaciones de diseño.

• Asequible. Esta tecnología debe ser asequible y accesible para todos los diseñadores de PCB si alguna vez llega a obtener un uso generalizado.

^Antes

^{Después (Activamente Rápido)}

Los diseñadores de PCB de todo el mundo esperan tomarse en serio el enrutamiento automático, pero las últimas tres décadas no nos han dado mucha confianza en esta tecnología. ¿El futuro tiene los mismos resultados? Tenemos algo que mostrarte... mira lo que viene en Altium Designer^®.

Referencias:

[1] Finch, A.c., K.j. Mackenzie, G.j. Balsdon y G. Symonds. "Un método para el enrutamiento sin cuadrícula de placas impresas". 22ª Conferencia de automatización de diseño ACM / IEEE (1985): n. pág. Web.

[2] Lee W. Ritchey, Speeding Edge, Copyright Speeding Edge, diciembre de 1999, y para su publicación en febrero, número de Pc Design Magazine. ENRUTADORES DE PCB Y MÉTODOS DE ENRUTAMIENTO (n.d.): n. pág. Web.

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