オートルーティングか、それともオートルーティングなしか？ 失敗した設計自動化の歴史

エレクトロニクスの世界へようこそ。2016年です、そして私たちは人類の歴史の中で他のどの時代よりも技術的な洗練を目の当たりにしています。ただ今年だけで、自動運転車が公共の領域に導入され始め、ロケットが再利用のために宇宙から精密に着陸され、ムーアの法則はその終わりなき成長軌道で続いています。しかし、このすべての技術進歩の中で欠けているものが一つあります、それはまともなPCBオートルーターの比較です。

オートルーターの本当の問題

エンジニアがCADの意味を知っている限り、PCBオートルーターは存在していましたが、密集したPCBレイアウトを作成することに関わる設計者は、この自動化技術の実装をほとんど完全に無視してきました、それも当然のことです。オートルーティングのアルゴリズムは、最初に導入されて以来、あまり変わっていません。

技術が停滞し、さまざまなパフォーマンスと設定構成を提供するEDAベンダーがオートルーティング技術を提供している状況では、オートルーターが普及しないのも不思議ではありません。エンジニアリング時間を節約し、ワークフローを向上させることを目的としていたこの技術は、熟練したプリントボードデザイナーの専門知識や効率に対抗するためのゲームを強化していません。これがオートルーターが提供するすべてなのでしょうか？

オートルーティング技術の初期

EDAベンダーによって生産された最初のオートルーターは、成果とパフォーマンスが悪いことで特徴づけられました。信号の整合性を保つためのガイドラインや設定をほとんど提供せず、プロセスで過剰な量のビアを追加することがよくありました。この初期技術の問題をさらに悪化させることに、オートルーターは厳格なX/Yグリッド要件に限定され、層に偏見がありました。

これらの制限の結果、ボードスペースが一般的に無駄にされ、エンジニアはバランスの取れていないPCBレイアウトの混乱を片付けることになりました。オートルーターから最適化されていないPCBレイアウトを修正するためにエンジニアが投資する時間は、手動でボードをルーティングするよりも多くの時間を要しました。最初から、オートルーティングは良いスタートを切っていませんでした。

グリッドレスオートルーティングの例^[1]  

80年代のオートルーティングの進歩

年が進むにつれて、オートルーティング技術はわずかに改善されただけで、品質はプリント基板設計者の期待に追いついていませんでした。依然として、誤ったボードレイアウトスペース、レイヤーの偏り、過剰なビアの問題が残っていました。この技術の進歩を助けるために、EDAベンダーは新しいグラウンドプレーンコンポーネントやボード技術を採用し始め、信号整合性要件の達成を容易にしました。

このオートルーティング開発の時代を一言で表すならば、ハードウェアの制限による障害でしょう。オートルーターのアルゴリズムは、専用のCPUや追加のメモリを使用せずにグリッドサイズを小さくしてルーティング品質を向上させることができませんでした。ハードウェアベースの解決策がない中で、EDAベンダーは形状ベースのオートルーティングの回路図キャプチャを含む他の方法を探り始めました。

これらの新しい形状ベースのオートルーターは、以下の方法で基板製造と信号整合性要件を満たすのに役立ちました：

• コンポーネント間の効率的な相互接続の作成

• オートルーティングプロセス中に追加されるビアの数を減らすことでPCBコストを削減

• PCB上のレイヤーを減らしながらスペーシングを増やす

これらの進歩にもかかわらず、オートルーティング技術は依然として最善とは言えない中途半端なものでした。EDAベンダーがハードウェアの制限を克服しても、PCB設計者はオートルーティング設計技術の採用について依然として懐疑的でした。

迷路オートルーティングの例^[2]  

90年代の停滞した進歩

新しい千年紀に到達する前に、オートルーターは最適化された角度、プッシュアンドショーブルーティングモード、ビアの使用減少、さらには余分なワイヤーセグメントを取り除くグロッシングなど、新しい機能を備えて改善し続けました。レイヤーバイアスがないオートルーティング技術を作成しようとする努力もいくつかありました。

これらの新しい進歩は有望に聞こえましたが、PCB設計コミュニティに必要な影響を与えましたか？残念ながらそうではありませんでした。EDAベンダーがオートルーティング技術を渋々受け入れるPCB設計者に押し付けようとするほど、次のような副作用が増えました：

• 不完全で最適化されていないルートを持つボードの生産増加。

• 専門的な設定を必要とするオートルーティング設定の複雑さの増加。

• PCB設計者が貧弱なオートルーティングパスを修正するのに費やす時間の増加。

90年代は継続する傾向を明らかにしました - 実際の設計を完成させるとき、手動ルーティングが依然として王様でした。

形状ベースのオートルーティング  

2000年代は新たな希望をもたらすでしょうか？

新しい千年紀が到来し、新しいコンポーネントや回路基板技術が数多く登場し、PCBの手動ルーティング方法に変化をもたらしました。ほとんどの設計では、信号の整合性を保つためにビアを減らす必要があり、信号には遅延/時間管理が必要になり、高速アプリケーションには差動ペアが標準となり、BGAは多くの大ピン数パッケージにとっての選択肢となりました。この設計意識の変化は、リバールーティングの時代の始まりを告げました。

リバールーティング方法は驚くほど効果的で、回路基板上のビアの数を大幅に減らし、層を均等に利用し、ルーティング層の偏りがありませんでした。これらの進歩にもかかわらず、採用率は過去最低でしたが、なぜでしょうか？この時、問題は技術ではなく、PCBデザイナーの考え方でした。PCBデザイナーは、コンポーネントを配置する際に常に頭の中で基板をルーティングしており、これがどのように/どこに配置されるかに直接影響を与え、それがルーティングの実装に影響を与えます。このワークフローをリバールーティングの方法論で中断しようとする試みは、多くのエンジニアにとって受け入れがたいものでした。

River-Routingの代替として、新しいルートプランニングのトレンドが登場しました。この方法は、レイヤースタックの定義、設計ルールの制約、信号シールドなど、オートルーティング設定を構成するための完全なツールセットをデザイナーに提供しました。そして、これらの設定はPCBデザイナーによるオートルーティングの使用を正当化するために非常に必要でしたが、属性を設定するために費やされた時間は、手動ルーティングプロセスよりも多くの時間を要しました。

同じ目標のための異なる方法論

過去三十年間にわたるオートルーティング技術の進歩にもかかわらず、この技術は依然としてほとんどのエンジニアによってあまり使用されていません。本当に技術自体が問題なのでしょうか、それともPCBデザイナーとオートルーター間の期待の衝突が問題なのでしょうか？

通常、PCBエンジニアはコンポーネントの配置とルーティングを手を取り合って行い、論理的なコンポーネントの配置と相互接続ポイントを特定するために、10,000フィートからボードレイアウトを視覚化することがよくあります。一方、オートルーターはこの同じルーティングの課題に対して、一度に一つの相互接続から下から上へと取り組みます。

密度の高いボードレイアウトの場合、エンジニアは通常、バスシステムとサブシステムを紙にスケッチし、それを手動ルーティングプロセスのガイドとして使用します。そして、エンジニアがコンポーネントを配置している間、彼らはしばしば配達日、設計の複雑さ、製品コストなど、いくつかの他の変数も同時に考慮しています。

もちろん、恐れられるエンジニアリング変更命令（ECO）があり、これは特にBGAのような複雑な設計領域に影響を与える場合、悪夢のような連鎖反応を引き起こす可能性があります。この種のタスクに関しては、追加のビアを加えることなくトレースのエスケープやファンアウトを最適化できる場合に限り、オートルーターは有効なツールになり得ます。そして、優れたデザイナーが最適化されたピン割り当てでこのプロセスの痛みを和らげることができる一方で、課題は依然として同じままです、オートルーターがあってもなくても。

EDA業界が本当に必要としているもの

ここに来て、3十年後、私たちはまだインタラクティブなワンクリックルーターを待っています。これは、望ましいルーティングトポロジーを即座に現実に変換します。将来のオートルーティング技術には、真剣に受け止められるために何が含まれる必要がありますか？

• アジリティ。この技術は、設計の複雑さに関係なく、PCBデザイナーがルーティングの方向、位置、選択を完全に制御できるほど柔軟である必要があります。

• 効率。この技術は、手動でボードをルーティングするよりもはるかに効率的でなければ、それを使用する時間を正当化することは決してありません。

• 使いやすさ。この技術は簡単に設定でき、PCBデザイナーが必要に応じてパスを編集できるようにする必要があります。

• 品質。この技術は、信号の整合性の品質を保ちながら、複数の層にわたってルーティングおよび分配し、層のバイアスがない状態を維持する必要があります。

• 信頼性。この技術は、一度に正しく製造できる信頼性の高い結果を一貫して生み出す必要があります。

• 統合。この技術は、既存の設計ソリューションと統合され、設計制約と接続される必要があります。

• 手頃な価格。この技術は、広く普及するためには、すべてのPCBデザイナーに手頃な価格でアクセス可能である必要があります。

以前

後（積極的に速い）    

世界中のプリント基板デザイナーは、オートルーティングを真剣に受け止める準備ができていますが、過去三十年間はこの技術に多くの自信を持っていませんでした。未来は同じ結果をもたらすのでしょうか？私たちはあなたに見せたいものがあります...Altium Designer^®で今後の展開をチェックしてください。

参照：