Autorouting, 아니면 Autorouting 없이? 실패한 설계 자동화의 역사

전자의 세계에 오신 것을 환영합니다. 2016년입니다. 우리는 인류 역사상 다른 어느 시기보다도 더 많은 기술적 정교함을 목격하고 있습니다. 단지 올해에만 자율 주행 차량이 대중 영역에 도입되기 시작했고, 로켓이 우주에서 재착륙하여 미세 조정된 정밀도로 재사용되고 있으며, 무어의 법칙은 끝없는 성장 궤적에서 계속해서 유지되고 있습니다. 하지만 이 모든 기술 발전 속에서 단 하나 빠진 것이 있습니다, 제대로 된 PCB 자동 라우터 비교입니다.

자동 라우터의 진짜 문제점

엔지니어들이 CAD가 무엇을 의미하는지 알게 된 이래로 PCB 자동 라우터는 오랫동안 존재해 왔지만, 밀집된 PCB 레이아웃을 만드는 데 관여하는 디자이너들은 거의 이 자동화 기술의 구현을 완전히 무시해 왔으며, 그럴만한 충분한 이유가 있습니다. 자동 라우팅 알고리즘은 처음 소개된 이후로 크게 변하지 않았습니다.

기술이 정체되고 성능과 구성 설정의 정도가 다양한 EDA 벤더들이 자동 라우팅 기술을 제공할 때, 자동 라우터가 인기를 얻지 못한 것은 놀라운 일이 아닙니다. 엔지니어링 시간을 절약하고 워크플로우를 향상시키기 위해 고안된 이 기술은 숙련된 인쇄 회로 기판 디자이너의 전문성과 효율성에 맞춰 게임을 향상시키지 못했습니다. 이것이 정말 자동 라우터가 제공할 수 있는 전부일까요?

자동 라우팅 기술의 초기 시작

EDA 벤더들이 생산한 최초의 자동 라우터는 결과와 성능이 좋지 않았습니다. 대부분 신호 무결성을 유지하기 위한 지침이나 구성을 제공하지 않았으며, 과정에서 과도한 양의 비아를 추가하는 경우가 많았습니다. 이 초기 기술의 문제를 더욱 가중시킨 것은 자동 라우터가 엄격한 X/Y 그리드 요구 사항에만 제한되었고, 레이어에 편향되어 있었다는 점입니다.

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이러한 제한으로 인해 보드 공간이 흔히 낭비되었고, 엔지니어들은 균형 잡히지 않은 PCB 레이아웃의 혼란을 정리해야 했습니다. 자동 라우터로부터 최적화되지 않은 PCB 레이아웃을 수정하는 데 엔지니어가 투자해야 하는 시간은 수동으로 보드를 라우팅하는 데 필요한 시간보다 종종 더 많았습니다. 처음부터 자동 라우팅은 좋은 출발을 하지 못했습니다.

그리드 없는 자동 라우팅 예시^[1]  

80년대의 자동 라우팅 발전

년이 지남에 따라, 자동 배선 기술은 약간 개선되었지만, 품질은 인쇄 회로 기판 디자이너의 기대를 따라잡지 못했습니다. 여전히 잘못 관리된 보드 레이아웃 공간, 레이어 편향, 그리고 과도한 비아의 문제가 있었습니다. 이러한 고질적인 기술의 발전을 돕기 위해, EDA 벤더들은 신호 무결성 요구 사항을 충족시키는 데 도움이 되는 새로운 접지 평면 구성 요소와 보드 기술을 채택하기 시작했습니다.

이 시대의 자동 배선 개발을 특징짓는 한 가지 방법이 있다면, 하드웨어 제한에 의한 방해일 것입니다. 자동 배선 알고리즘은 더 나은 라우팅 품질을 위해 그리드 크기를 줄일 수 없었고, 모든 필요한 데이터를 지원하기 위해 전용 CPU와 추가 메모리에 의존해야만 했습니다. 하드웨어 기반 솔루션이 없는 상태에서, EDA 벤더들은 모양 기반 자동 배선 스키마틱 캡처를 포함한 다른 방법을 탐색하기 시작했습니다.

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이 새로운 모양 기반 자동 배선기는 다음과 같은 방법으로 보드 제작 및 신호 무결성 요구 사항을 충족시키는 데 도움이 되었습니다:

• 구성 요소 간의 효율적인 연결 생성

• 자동 배선 과정에서 추가되는 비아를 줄여 PCB 비용 절감

• 더 적은 레이어를 사용하면서 간격 증가

이러한 진전에도 불구하고, 자동 배선 기술은 여전히 최선이라기보다는 객관적으로 보통 수준에 머물렀습니다. EDA 벤더들이 하드웨어 제한을 극복했음에도 불구하고, PCB 디자이너들은 여전히 자동 배선 디자인 기술을 채택하는 데에 대해 회의적이었습니다.

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미로 자동 배선 예시^[2]  

90년대의 미진한 발전

새 천년을 맞이하기 전에, autorouters는 최적화된 각도, 푸시 및 셔브 라우팅 모드, 비아 사용 감소, 심지어 추가 와이어 세그먼트를 제거하는 광택 처리를 포함한 새로운 기능으로 계속 개선되었습니다. 심지어 어떤 레이어 편향도 없는 autorouting 기술을 만들기 위한 노력도 있었습니다.

이러한 새로운 발전이 약속처럼 들렸지만, PCB 설계 커뮤니티에 필요한 영향을 미쳤을까요? 안타깝게도 그렇지 않았습니다. EDA 벤더들이 원하지 않는 PCB 설계자들에게 autorouting 기술을 강요할수록, 더 많은 부작용이 발생했는데, 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 완성되지 않고 최적화되지 않은 라우트를 가진 보드의 생산 증가.

• 전문가 구성이 필요한 autorouting 설정 복잡성 증가.

• PCB 설계자가 부실한 autorouting 경로를 수정하는 데 소요되는 시간 증가.

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90년대는 한 가지 추세를 드러냈습니다 - 실제 디자인을 완성하는 것과 관련하여, 수동 라우팅이 여전히 왕이었습니다.

형상 기반 Autorouting  

2000년대가 새로운 희망을 가져올까요?

새 천년이 도래하면서 새로운 부품과 회로 기판 기술이 대거 등장하여 PCB를 수동으로 라우팅하는 방식에 변화를 가져왔습니다. 대부분의 설계에서는 신호 무결성을 유지하기 위해 비아(vias)의 수를 줄여야 했고, 신호에는 지연/시간 관리가 필요해졌으며, 고속 애플리케이션에는 차동 쌍이 표준이 되기 시작했고, BGA는 많은 핀 수 패키지에 대한 선호도가 높아졌습니다. 이러한 설계 의식의 변화는 River-Routing 시대의 탄생을 알렸습니다.

River-Routing 방법은 놀랍도록 효과적이었으며, 회로 기판의 비아 수를 크게 줄이고, 레이어를 고르게 활용했으며, 라우팅 레이어 편향이 없었습니다. 이러한 진보에도 불구하고, 도입률은 사상 최저였는데, 왜일까요? 이번에는 기술이 아니라 PCB 설계자의 마인드셋이 문제였습니다. PCB 설계자들은 부품을 배치하면서 끊임없이 마음속으로 보드를 라우팅하기 때문에, 이것이 부품의 배치 방식에 직접적인 영향을 미치고, 그 결과 라우팅 구현에 영향을 미칩니다. 이러한 작업 흐름을 River-Routing 방법론으로 중간에 방해받는 것은 많은 엔지니어들에게 받아들여지지 않았습니다.

River-Routing에 대한 대안으로 새로운 루트 계획 트렌드가 등장했습니다. 이 방법은 디자이너들에게 레이어 스택 정의, 설계 규칙 제약 조건, 신호 차폐 등을 포함한 autorouting 설정을 구성할 수 있는 완전한 도구 세트를 제공했습니다. 그리고 이 모든 설정은 PCB 디자이너가 autorouting 사용을 정당화하기 위해 절실히 필요했지만, 속성을 구성하는 데 걸린 시간은 여전히 수동 라우팅 프로세스보다 더 많은 시간을 소요했습니다.

동일한 목표를 위한 다른 방법론

지난 30년 동안 autorouting 기술이 크게 발전했음에도 불구하고, 이 기술은 여전히 대부분의 엔지니어들에 의해 잘 사용되지 않고 있습니다. 정말로 문제가 기술 자체에 있는 것일까요, 아니면 PCB 디자이너들과 autorouters 간의 기대치가 충돌하는 문제일까요?

일반적으로 PCB 엔지니어들은 구성 요소 배치와 라우팅을 함께 고려하며, 종종 10,000피트 상공에서 보드 레이아웃을 시각화하여 논리적인 구성 요소 배치와 연결 지점을 식별합니다. 반면에, autorouters는 이와 동일한 라우팅 도전을 바닥부터 시작하여 한 번에 하나의 연결 지점을 다룹니다.

더 조밀한 보드 레이아웃의 경우, 엔지니어들은 보통 버스 시스템과 서브시스템을 종이에 스케치한 다음, 이를 수동 라우팅 과정의 가이드로 사용합니다. 그리고 엔지니어가 부품을 배치하는 동안, 배송 날짜, 설계 복잡성, 제품 비용 등 여러 가지 변수를 동시에 고려하는 경우가 많습니다.

물론, 공포의 엔지니어링 변경 주문(ECO)이 있으며, 특히 BGA와 같은 복잡한 설계 영역에 영향을 줄 때 악몽 같은 연쇄 반응을 일으킬 수 있습니다. 이러한 종류의 작업에 있어서, autorouters는 추가적인 비아를 추가하지 않고 트레이스 이스케이프나 팬아웃을 최적화할 수 있다면 효과적인 도구가 될 수 있습니다. 그리고 좋은 디자이너는 최적화된 핀 할당으로 이 과정의 고통을 완화할 수 있지만, autorouter가 있든 없든 도전은 여전히 같습니다.

EDA 산업이 정말로 필요로 하는 것

여기 우리는 있습니다, 세십 년이 지난 후에도 우리는 여전히 원하는 라우팅 토폴로지를 즉시 현실로 변환하는 상호작용적인 원클릭 라우터를 기다리고 있습니다. 미래의 autorouting 기술이 진지하게 받아들여지기 위해 포함해야 할 것은 무엇일까요?

• 민첩성. 이 기술은 설계 복잡성에 관계없이 PCB 디자이너가 라우팅 방향, 위치 및 선택을 완전히 제어할 수 있을 만큼 유연해야 합니다.

• 효율성. 이 기술은 수동으로 보드를 라우팅하는 것보다 훨씬 더 효율적이어야만 그 사용 시간을 정당화할 수 있습니다.

• 사용 용이성. 이 기술은 PCB 디자이너가 필요에 따라 경로를 편집할 수 있도록 쉽게 구성할 수 있어야 합니다.

• 품질. 이 기술은 신호 무결성 품질을 유지하면서도 여러 레이어에 걸쳐 라우팅하고 분배할 수 있어야 하며, 레이어 편향이 없어야 합니다.

• 신뢰성. 이 기술은 일관되게 신뢰할 수 있는 결과를 생산해내어 처음부터 제대로 제조될 수 있어야 합니다.

• 통합. 이 기술은 기존의 디자인 솔루션과 통합되어야 하며, 우리의 디자인 제약 조건과 연결되어야 합니다.

• 저렴함. 이 기술은 널리 사용되기 위해서는 모든 PCB 디자이너가 접근할 수 있을 정도로 저렴하고 접근성이 좋아야 합니다.

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전 세계의 인쇄 회로 기판 디자이너들은 autorouting을 진지하게 받아들일 준비가 되어 있지만, 지난 30년간 우리에게 많은 신뢰를 주지 않았습니다. 미래는 같은 결과를 가져올까요? 우리는 여러분에게 보여줄 것이 있습니다...Altium Designer^®에서 곧 있을 것을 확인하세요.

참고 문헌: