Automatyczne trasowanie, czy brak automatycznego trasowania? Historia nieudanej automatyzacji projektowania

Witaj w świecie elektroniki. Jest rok 2016, a my obserwujemy większą sofistykcję technologiczną niż kiedykolwiek wcześniej w historii ludzkości. Tylko w tym roku pojazdy autonomiczne zaczęły być wprowadzane do sfery publicznej, rakiety są ponownie lądowane z kosmosu do ponownego użycia z precyzyjnie dostrojoną precyzją, a prawo Moore'a nadal panuje w swojej niekończącej się trajektorii wzrostu. Ale brakuje tylko jednej rzeczy we wszystkich tych postępach technologicznych, porządnego porównania autorouterów PCB.

Prawdziwy problem z autorouterami

Chociaż autoroutery PCB istnieją tak długo, jak inżynierowie wiedzą, co oznacza CAD, projektanci zaangażowani w tworzenie gęstego układu PCB prawie całkowicie ignorowali wdrażanie tej technologii automatyzacji, i słusznie. Algorytmy autoroutingu niewiele się zmieniły od czasu ich pierwszego wprowadzenia.

Gdy połączymy stagnującą technologię z dostawcami EDA, którzy oferują technologię autorutowania o różnym stopniu wydajności i konfiguracji, nic dziwnego, że autoroutery nie zyskały popularności. Ta technologia, która miała zaoszczędzić czas inżynierów i usprawnić przepływ pracy, po prostu nie podniosła swoich możliwości do poziomu wiedzy i efektywności doświadczonego projektanta płytek drukowanych. Czy to naprawdę wszystko, co autoroutery mają do zaoferowania?

Początki technologii autorutowania

Pierwsze autoroutery produkowane przez dostawców EDA charakteryzowały się słabymi wynikami i wydajnością. W dużej mierze nie oferowały żadnych wytycznych ani konfiguracji mających na celu zachowanie integralności sygnału, często dodając nadmierną ilość przelotek w procesie. Dodatkowo, wczesna technologia autorouterów była ograniczona do ścisłych wymagań siatki X/Y, będąc jednocześnie stronnicza wobec warstw.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

W wyniku tych ograniczeń, przestrzeń na płytce była często marnowana, a inżynierowie musieli poradzić sobie z bałaganem niezrównoważonego układu PCB. Inwestycja czasowa inżyniera na naprawę słabo zoptymalizowanego układu PCB z autoroutera często zajmowała więcej czasu, niż zajęłoby to ręczne trasowanie płytki. Autorutowanie nie miało dobrego startu.

Przykład autorutowania bezsiatkowego^[1]  

Postępy w autorutowaniu lat 80-tych

W miarę upływu lat, technologia autoroutingu poprawiała się tylko marginalnie, a jej jakość nie nadążała za oczekiwaniami projektantów płytek drukowanych. Nadal istniał problem źle zarządzanej przestrzeni układu płyty, stronniczości warstw i nadmiernej liczby przelotek. Aby pomóc w rozwoju tej chorującej technologii, dostawcy EDA zaczęli adoptować nowe komponenty płaszczyzn masy i technologie płyt, aby ułatwić spełnienie wymagań integralności sygnału.

Jeśli miałoby się scharakteryzować tę erę rozwoju autoroutingu, byłoby to utrudnienie przez ograniczenia sprzętowe. Algorytmy autoroutera po prostu nie mogły zmniejszyć rozmiarów siatki dla lepszej jakości trasowania bez konieczności uciekania się do dedykowanych CPU i dodatkowej pamięci, aby wspierać wszystkie wymagane dane. Bez rozwiązania opartego na sprzęcie, dostawcy EDA zaczęli badać inne ścieżki, w tym autorouting kształtowy w schematach.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges

Explore Solutions

Te nowe autoroutery kształtowe rzeczywiście pomogły spełnić wymagania dotyczące fabrykacji płyt i integralności sygnału przez:

• Tworzenie efektywnych połączeń między komponentami

• Zmniejszenie kosztów PCB dzięki mniejszej liczbie dodawanych przelotek w procesie autoroutingu

• Zwiększenie odstępów przy użyciu mniejszej liczby warstw na PCB

Mimo tych postępów, technologia autoroutingu nadal pozostawała obiektywnie co najwyżej średnia. Pomimo pokonania ograniczeń sprzętowych przez dostawców EDA, projektanci PCB nadal pozostawali sceptyczni wobec przyjmowania technologii projektowania autoroutingu.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Explore Solutions

Przykład autoroutingu labiryntowego^[2]  

Niezbyt imponujący postęp lat 90.

Przed nadejściem nowego tysiąclecia, autoroutery kontynuowały swoje udoskonalanie, wprowadzając nowe możliwości, w tym optymalizowane kąty, tryby trasowania push and shove, mniejsze wykorzystanie via oraz nawet polerowanie, aby usunąć nadmiarowe segmenty przewodów. Podejmowano nawet próby stworzenia technologii autoroutingu, która nie miała żadnych uprzedzeń co do warstw.

Czy wszystkie te nowe osiągnięcia miały pożądany wpływ na społeczność projektantów PCB? Niestety nie. Im bardziej dostawcy EDA próbowali narzucić technologie autoroutingu niechętnym projektantom PCB, tym więcej efektów ubocznych to generowało, w tym:

• Zwiększoną produkcję płyt z niekompletnymi i słabo zoptymalizowanymi trasami.

• Zwiększoną złożoność konfiguracji autoroutingu, wymagającą ekspertowych ustawień.

• Zwiększony czas spędzony przez projektantów PCB na naprawianiu słabych ścieżek autoroutingu.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Lata 90. ujawniły trwający trend - gdy chodziło o realizację rzeczywistych projektów, ręczne trasowanie nadal pozostawało niekwestionowanym królem.

Trasowanie oparte na kształtach  

Czy lata 2000 przyniosą nową nadzieję?

Nadejście nowego tysiąclecia przyniosło ze sobą mnóstwo nowych komponentów i technologii płyt drukowanych, co spowodowało zmianę w sposobie ręcznego trasowania PCB. W większości projektów konieczne stało się zmniejszenie liczby przelotek, aby zachować integralność sygnału, sygnały zaczęły wymagać zarządzania opóźnieniem/czasem, pary różnicowe stały się normą dla aplikacji wysokoprędkościowych, a BGA stało się preferowanym wyborem wielu osób dla pakietów o dużej liczbie pinów. Ta zmiana świadomości projektowej dała początek erze trasowania rzecznego (River-Routing).

Metoda River-Routing okazała się zaskakująco skuteczna, znacznie zmniejszyła liczbę przelotek na płycie drukowanej, równomiernie wykorzystywała warstwy i nie miała uprzedzeń co do warstwy trasowania. Pomimo tych postępów, adopcja była na najniższym poziomie wszech czasów, ale dlaczego? Tym razem nie chodziło o technologię, ale o sposób myślenia projektantów PCB. Ponieważ projektanci PCB ciągle trasują płytę w swoim umyśle podczas umieszczania komponentów, ma to bezpośredni wpływ na to, jak i gdzie są one umieszczane, co następnie wpływa na implementację trasowania. Próba przerwania tego przepływu pracy w połowie drogi metodologią River-Routing była nie do przyjęcia dla wielu inżynierów.

Jako alternatywa dla metody River-Routing, pojawił się nowy trend w planowaniu trasowania. Ta metoda dała projektantom kompletny zestaw narzędzi do konfiguracji ustawień autorutowania, w tym definicje stosu warstw, ograniczenia reguł projektowych, ekranowanie sygnałów i więcej. I chociaż wszystkie te ustawienia były gorąco potrzebne, aby uzasadnić użycie autorutowania przez projektanta PCB, czas spędzony na konfiguracji atrybutów nadal zajmował więcej czasu niż proces rutowania manualnego.

Różne Metodologie dla Tych Samych Celów

Pomimo wszystkich postępów w technologii autorutowania na przestrzeni ostatnich trzech dekad, ta technologia nadal jest słabo wykorzystywana przez większość inżynierów. Czy naprawdę problemem jest sama technologia, czy może to kwestia niezgodności oczekiwań między projektantami PCB a autorouterami?

Zazwyczaj inżynierowie PCB traktują rozmieszczanie komponentów i trasowanie jako nierozłączne elementy, często wizualizując układy płytek z wysokości 10 000 stóp, aby zidentyfikować logiczne miejsca rozmieszczenia komponentów i punkty połączeń. Z drugiej strony, autoroutery podchodzą do tego samego wyzwania trasowania od dołu do góry, po jednym połączeniu na raz.

Dla gęstszych układów płytek, inżynierowie zazwyczaj szkicują system magistrali i podsystemy na papierze, których następnie używają jako przewodnika do ręcznego trasowania. A podczas umieszczania komponentów, często jednocześnie biorą pod uwagę kilka innych zmiennych, w tym terminy dostaw, złożoność projektu, koszty produktu i więcej.

Oczywiście jest też obawiane Polecenie Zmiany Inżynieryjnej (ECO), które może wywołać koszmarną reakcję łańcuchową, szczególnie gdy dotyczy to skomplikowanego obszaru projektu, jak BGA. Kiedy mowa o tego rodzaju zadaniach, autoroutery mogą być skutecznym narzędziem tylko wtedy, gdy mogą optymalizować ucieczkę ścieżki lub rozwidlenia bez dodawania dodatkowych przelotek. I choć dobry projektant może złagodzić ból tego procesu dzięki optymalizacji przypisania pinów, wyzwanie pozostaje takie samo, niezależnie od autoroutera.

Czego naprawdę potrzebuje branża EDA

Oto jesteśmy, trzy dekady później, i wciąż czekamy na interaktywny router jednym kliknięciem, który natychmiast przekształca pożądaną topologię trasowania w rzeczywistość. Co musi zawierać technologia autoroutingu przyszłości, aby była traktowana poważnie?

• Zwinność. Ta technologia musi być na tyle elastyczna, aby dać projektantom PCB pełną kontrolę nad kierunkiem, lokalizacją i wyborem trasowania, niezależnie od złożoności projektu.

• Efektywność. Ta technologia musi być znacznie bardziej efektywna niż ręczne trasowanie płyty, aby kiedykolwiek uzasadnić czas jej używania.

• Łatwość. Ta technologia musi być łatwa w konfiguracji, pozwalając projektantom PCB na edycję ścieżek według potrzeb.

• Jakość. Ta technologia musi zachować jakość integralności sygnału, jednocześnie trasując i rozprowadzając na wielu warstwach bez uprzedzeń do żadnej warstwy.

• Niezbędność. Ta technologia musi konsekwentnie produkować niezawodne wyniki, które następnie mogą być wyprodukowane za pierwszym razem.

• Zintegrowana. Ta technologia musi być zintegrowana z naszymi istniejącymi rozwiązaniami projektowymi i połączona z naszymi ograniczeniami projektowymi.

• Przystępna cenowo. Ta technologia musi być przystępna cenowo i dostępna dla każdego projektanta PCB, jeśli ma kiedykolwiek zyskać szerokie zastosowanie.

Przed

Po (Aktywnie Szybko)    

Projektanci płytek drukowanych na całym świecie czekają, aby potraktować autorouting poważnie, ale ostatnie trzy dekady nie dały nam wiele zaufania do tej technologii. Czy przyszłość przyniesie te same wyniki? Mamy coś do pokazania...sprawdź, co nadchodzi w Altium Designer^®.

Referencje: