Autorouting, o no Autorouting? Una storia di fallimenti nell'automazione del design

Benvenuti nel mondo dell'elettronica. Siamo nel 2016 e stiamo assistendo a una sofisticazione tecnologica maggiore di qualsiasi altro periodo nella storia umana. Solo quest'anno i veicoli autonomi hanno iniziato la loro introduzione nella sfera pubblica, i razzi vengono riatterrati dallo spazio per essere riutilizzati con precisione finemente calibrata, e la legge di Moore continua a prevalere nella sua traiettoria di crescita infinita. Ma c'è solo una cosa che manca in tutto questo avanzamento tecnologico, un decente confronto tra autorouter per PCB.

Il vero problema con gli Autorouter

Sebbene gli autorouter per PCB esistano da quando gli ingegneri hanno capito cosa significasse CAD, i progettisti coinvolti nella creazione di un layout PCB denso hanno quasi completamente ignorato l'implementazione di questa tecnologia di automazione, e a ragione. Gli algoritmi di autorouting non sono cambiati molto da quando sono stati introdotti per la prima volta.

Quando si associa una tecnologia stagnante a fornitori di EDA che offrono tecnologia di autorouting con vari gradi di prestazione e configurazioni, non sorprende che gli autorouter non abbiano preso piede. Questa tecnologia, che doveva risparmiare tempo agli ingegneri e migliorare i flussi di lavoro, semplicemente non ha alzato il livello per eguagliare l'esperienza e l'efficienza di un progettista esperto di schede stampate. È davvero tutto ciò che gli autorouter hanno da offrire?

Le prime fasi della tecnologia di autorouting

I primi autorouter prodotti dai fornitori di EDA erano caratterizzati da scarsi risultati e prestazioni. Offrivano spesso nessuna linea guida o configurazione per preservare l'integrità del segnale, aggiungendo inoltre un numero eccessivo di vie nel processo. Per aggiungere problemi a questa tecnologia nascente, gli autorouter erano anche limitati a un rigido requisito di griglia X/Y mentre erano influenzati dal numero di strati.

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A causa di queste limitazioni, lo spazio sulla scheda era comunemente sprecato e gli ingegneri erano lasciati a pulire il disordine di un layout di PCB sbilanciato. L'investimento di tempo per un ingegnere per correggere un layout di PCB ottimizzato male da un autorouter spesso richiedeva più tempo di quanto ne avrebbe richiesto per tracciare manualmente una scheda. Fin dall'inizio, l'autorouting non ha avuto un buon inizio.

Esempio di autorouting senza griglia^[1]  

Avanzamenti dell'autorouting negli anni '80

Con il passare degli anni, la tecnologia di autorouting è migliorata solo marginalmente, con una qualità che non ha tenuto il passo con le aspettative dei progettisti di schede stampate. Persisteva ancora il problema di uno spazio per il layout della scheda mal gestito, di un bias nei layer e di un eccesso di vie. Per aiutare a promuovere l'avanzamento di questa tecnologia in difficoltà, i fornitori di EDA hanno iniziato ad adottare nuovi componenti per piani di massa e tecnologie per schede per facilitare il soddisfacimento dei requisiti di integrità del segnale.

Se c'è un modo per caratterizzare quest'era dello sviluppo dell'autorouting, sarebbe l'ostacolo rappresentato dalle limitazioni hardware. Gli algoritmi di autorouting semplicemente non potevano ridurre le dimensioni della griglia per migliorare la qualità del routing senza dover ricorrere a CPU dedicate e memoria aggiuntiva per supportare tutti i dati richiesti. Senza una soluzione basata sull'hardware, i fornitori di EDA hanno iniziato a esplorare altre vie, inclusa la cattura schematica dell'autorouting basata sulla forma.

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Questi nuovi autorouter basati sulla forma hanno aiutato a soddisfare i requisiti di fabbricazione delle schede e di integrità del segnale mediante:

• La creazione di interconnessioni efficienti tra i componenti

• La riduzione dei costi delle PCB con meno vie aggiunte durante il processo di autorouting

• L'aumento della distanza tra i componenti utilizzando meno strati su una PCB

Nonostante questi progressi, la tecnologia di autorouting è rimasta, al meglio, mediamente mediocre. Nonostante i fornitori di EDA abbiano superato le limitazioni hardware, i progettisti di PCB sono rimasti scettici sull'adozione della tecnologia di progettazione autorouting.

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Esempio di Autorouting a Labirinto^[2]  

Il Progresso Insoddisfacente degli Anni '90

Prima di raggiungere il nuovo millennio, gli autorouter avevano continuato a migliorare con nuove capacità, tra cui angoli ottimizzati, modalità di routing push and shove, minor uso di via e persino la lucidatura per rimuovere segmenti di filo extra. C'erano persino alcuni sforzi per creare tecnologie di autorouting che non avessero pregiudizi sui layer.

Sebbene tutti questi nuovi avanzamenti sembrassero promettenti, hanno avuto l'impatto necessario sulla comunità di progettazione PCB? Purtroppo no. Più i fornitori di EDA cercavano di imporre le tecnologie di autorouting a progettisti PCB riluttanti, più effetti collaterali producevano, inclusi:

• Aumento della produzione di schede con percorsi incompleti e scarsamente ottimizzati.

• Aumento delle complessità di configurazione dell'autorouting che richiedevano configurazioni esperte.

• Aumento del tempo speso dai progettisti PCB per correggere percorsi di autorouting scadenti.

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Gli anni '90 hanno rivelato una tendenza in corso - quando si trattava di completare progetti reali, il routing manuale rimaneva ancora il re.

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Il 2000 Porterà una Nuova Speranza?

Il nuovo millennio arriva e porta con sé una pletora di nuovi componenti e tecnologie per le schede elettroniche che causano un cambiamento nel modo in cui i PCB vengono cablati manualmente. Nella maggior parte dei progetti, ora era necessario ridurre i via per conservare l'integrità del segnale, i segnali iniziarono a richiedere una gestione del ritardo/tempo, le coppie differenziali iniziarono a diventare la norma per le applicazioni ad alta velocità, e il BGA divenne la preferenza di molti per i pacchetti con un elevato numero di pin. Questo cambiamento nella coscienza progettuale ha dato vita all'era del River-Routing.

Il metodo River-Routing si è rivelato sorprendentemente efficace, e ha ridotto significativamente il numero di via su una scheda elettronica, utilizzato in modo uniforme i layer e non aveva pregiudizi sul layer di routing. Nonostante questi progressi, l'adozione era ai minimi storici, ma perché? Questa volta non era la tecnologia, era la mentalità del progettista PCB. Poiché i progettisti PCB stanno costantemente cablando la scheda nella loro mente mentre posizionano i componenti, ciò ha un'influenza diretta su come/dove vengono posizionati i componenti che poi influisce sull'implementazione del routing. Cercare di interrompere questo flusso di lavoro a metà con una metodologia River-Routing è stato un no per molti ingegneri.

Come alternativa al River-Routing, è emersa una nuova tendenza nella pianificazione delle rotte. Questo metodo ha fornito ai progettisti un set completo di strumenti per configurare le impostazioni di autorouting, incluse le definizioni degli stack di layer, i vincoli delle regole di progettazione, la schermatura dei segnali e altro ancora. E mentre tutte queste impostazioni erano assolutamente necessarie per giustificare l'uso dell'autorouting da parte di un progettista di PCB, il tempo speso per configurare gli attributi richiedeva ancora più tempo rispetto a un processo di routing manuale.

Metodologie Diverse per gli Stessi Obiettivi

Nonostante tutti i progressi nella tecnologia di autorouting negli ultimi tre decenni, questa tecnologia rimane ancora poco utilizzata dalla maggior parte degli ingegneri. Può davvero essere la tecnologia stessa il problema, o forse è un problema di aspettative in conflitto tra i progettisti di PCB e gli autorouter?

Tipicamente, gli ingegneri dei PCB prendono in considerazione la collocazione dei componenti e il routing insieme, visualizzando spesso i layout delle schede da 10.000 piedi per identificare la collocazione logica dei componenti e i punti di interconnessione. D'altra parte, gli autorouter affrontano questa stessa sfida di routing dal basso verso l'alto, un'interconnessione alla volta.

Per layout di schede più densi, gli ingegneri di solito disegnano su carta il sistema di bus e i sottosistemi, che poi utilizzano come guida per il loro processo di routing manuale. E mentre un ingegnere sta posizionando i componenti, spesso sta contemporaneamente considerando diverse altre variabili, inclusi le date di consegna, la complessità del design, i costi del prodotto e altro ancora.

C'è ovviamente il temuto Ordine di Modifica Ingegneristica (ECO), che può innescare una reazione a catena da incubo, specialmente quando colpisce un'area di design complessa, come un BGA. Quando si tratta di questi tipi di compiti, gli autorouter possono essere uno strumento efficace solo se riescono a ottimizzare l'escape delle tracce o i fanout senza aggiungere via aggiuntive. E mentre un buon progettista può alleviare il dolore di questo processo con assegnazioni ottimizzate dei pin, la sfida rimane la stessa, con o senza autorouter.

Cosa Serve Veramente all'Industria EDA

Eccoci, tre decenni dopo e stiamo ancora aspettando un router interattivo con un solo clic che traduca istantaneamente una topologia di routing desiderata in realtà. Cosa deve includere la tecnologia di autorouting del futuro per essere presa sul serio?

• Agilità. Questa tecnologia deve essere abbastanza flessibile da dare ai progettisti di PCB il controllo completo sulla direzione, posizione e selezione del routing, indipendentemente dalla complessità del design.

• Efficienza. Questa tecnologia deve essere molto più efficiente del routing manuale di una scheda per giustificare il tempo impiegato nell'utilizzarla.

• Semplicità. Questa tecnologia deve essere facile da configurare, permettendo ai progettisti di PCB di modificare i percorsi secondo necessità.

• Qualità. Questa tecnologia deve preservare la qualità dell'integrità del segnale mentre effettua il routing e la distribuzione su più strati senza preferenze per alcuno strato.

• Affidabilità. Questa tecnologia deve produrre risultati affidabili in modo consistente, che possano poi essere prodotti correttamente al primo tentativo.

• Integrata. Questa tecnologia deve essere integrata con le nostre soluzioni di progettazione esistenti e connessa con i nostri vincoli di progettazione.

• Accessibile. Questa tecnologia deve essere accessibile ed economica per ogni progettista di PCB se vuole ottenere un uso diffuso.

Prima

Dopo (Attivamente Veloce)    

I progettisti di schede a circuito stampato di tutto il mondo sono in attesa di prendere sul serio l'autorouting, ma i passati tre decenni non ci hanno lasciato molta fiducia in questa tecnologia. Il futuro riserverà gli stessi risultati? Abbiamo qualcosa da mostrarti...scopri cosa sta arrivando in Altium Designer^®.

Riferimenti: