Autorroteamento ou Não Autorroteamento? Uma História de Automação de Design Falha

Bem-vindo ao mundo da eletrônica. Estamos em 2016, e estamos testemunhando uma sofisticação tecnológica maior do que em qualquer outro período da história humana. Só neste ano, veículos autônomos começaram a ser introduzidos no domínio público, foguetes estão sendo pousados de volta à Terra para reutilização com precisão finamente ajustada, e a lei de Moore continua a prevalecer em sua trajetória de crescimento sem fim. Mas há apenas uma coisa faltando em todo esse avanço tecnológico, uma comparação decente de autorroteadores de PCB.

O Real Problema com os Autorroteadores

Embora os autorroteadores de PCB existam desde que os engenheiros souberam o que CAD significava, os designers envolvidos na criação de um layout de PCB denso quase que inteiramente ignoraram a implementação dessa tecnologia de automação, e com razão. Os algoritmos de autorroteamento não mudaram muito desde que foram introduzidos pela primeira vez.

Quando você combina tecnologia estagnada com fornecedores de EDA que oferecem tecnologia de autorroteamento com graus variados de desempenho e configurações, não é de se admirar que os autorroteadores não tenham se popularizado. Essa tecnologia, que deveria economizar tempo de engenharia e aprimorar fluxos de trabalho, simplesmente não avançou o suficiente para igualar a expertise e eficiência de um designer veterano de Placas Impressas. Isso é realmente tudo o que os autorroteadores têm a oferecer?

Os Primeiros Passos da Tecnologia de Autorroteamento

Os primeiros autorroteadores produzidos pelos fornecedores de EDA eram caracterizados por resultados e desempenhos ruins. Eles geralmente não ofereciam diretrizes ou configurações para preservar a integridade do sinal, muitas vezes adicionando uma quantidade excessiva de vias no processo. Para aumentar os problemas dessa tecnologia inicial, os autorroteadores também eram limitados a uma exigência estrita de grade X/Y enquanto eram tendenciosos em relação às camadas.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Como resultado dessas limitações, o espaço da placa era comumente desperdiçado, e os engenheiros ficavam com a tarefa de limpar a bagunça de um layout de PCB desequilibrado. O investimento de tempo para um engenheiro corrigir um layout de PCB mal otimizado de um autorroteador muitas vezes levava mais tempo do que seria necessário para rotear uma placa manualmente. Logo de início, o autorroteamento não teve um bom começo.

Exemplo de Autorroteamento sem Grade^[1]  

Avanços do Autorroteamento nos Anos 80

À medida que os anos avançavam, a tecnologia de autorroteamento melhorava apenas marginalmente, com a qualidade não acompanhando as expectativas de um designer de Placas de Circuito Impresso. Ainda havia o problema de espaço de layout da placa mal gerenciado, viés de camada e vias excessivas. Para ajudar no avanço dessa tecnologia debilitada, fornecedores de EDA começaram a adotar novos componentes de plano de terra e tecnologias de placa para facilitar o cumprimento dos requisitos de integridade de sinal.

Se há uma maneira de caracterizar essa era do desenvolvimento de autorroteamento, seria a limitação por restrições de hardware. Os algoritmos de autorroteamento simplesmente não conseguiam reduzir os tamanhos de grade para melhorar a qualidade do roteamento sem ter que recorrer a CPUs dedicados e memória adicional para suportar todos os dados necessários. Sem uma solução baseada em hardware no lugar, fornecedores de EDA começaram a explorar outras vias, incluindo captura esquemática de autorroteamento baseada em forma.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges

Explore Solutions

Esses novos autorroteadores baseados em forma ajudaram a cumprir os requisitos de fabricação de placas e integridade de sinal por:

• Criar interconexões eficientes entre componentes

• Reduzir custos de PCB com menos vias adicionadas durante o processo de autorroteamento

• Aumentar o espaçamento enquanto usa menos camadas em um PCB

Apesar desses avanços, a tecnologia de autorroteamento ainda permanecia objetivamente medíocre na melhor das hipóteses. Apesar dos fornecedores de EDA superarem as limitações de hardware, os designers de PCB ainda permaneciam céticos sobre a adoção da tecnologia de design de autorroteamento.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Explore Solutions

Exemplo de Autorroteamento em Labirinto^[2]  

A Progressão Insatisfatória dos Anos 90

Antes de alcançar o novo milênio, os autorroteadores continuaram a melhorar com novas capacidades, incluindo ângulos otimizados, modos de roteamento push and shove, menor uso de vias e até polimento para remover segmentos de fio extras. Houve até alguns esforços para criar tecnologia de autorroteamento que não possuísse viés de camadas.

Embora todos esses novos avanços parecessem promissores, eles causaram o impacto necessário na comunidade de design de PCB? Infelizmente, não. Quanto mais os fornecedores de EDA tentavam forçar as tecnologias de autorroteamento em projetistas de PCB relutantes, mais efeitos colaterais eram produzidos, incluindo:

• Aumento na produção de placas com rotas incompletas e mal otimizadas.

• Aumento nas complexidades de configuração do autorroteamento que exigiam configurações de especialistas.

• Aumento no tempo gasto pelos projetistas de PCB para corrigir caminhos de autorroteamento ruins.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Os anos 90 revelaram uma tendência contínua - quando se tratava de completar designs reais, o roteamento manual ainda permanecia rei.

Roteamento Automático Baseado em Forma  

A Década de 2000 Trazerá uma Nova Esperança?

A chegada do novo milênio trouxe consigo uma infinidade de novos componentes e tecnologias de placas de circuito que provocaram uma mudança na forma como as PCBs são roteadas manualmente. Na maioria dos projetos, agora era necessário reduzir as vias para conservar a integridade do sinal, os sinais começaram a necessitar de gerenciamento de atraso/tempo, pares diferenciais passaram a ser a norma para aplicações de alta velocidade, e o BGA se tornou a preferência de muitos para pacotes com grande quantidade de pinos. Essa mudança na consciência de design deu origem à era do River-Routing.

O método River-Routing se mostrou surpreendentemente eficaz, e reduziu significativamente o número de vias em uma placa de circuito, utilizou as camadas de maneira uniforme, e não tinha viés em relação à camada de roteamento. Apesar desses avanços, a adoção estava em seu ponto mais baixo, mas por quê? Desta vez não era a tecnologia, era a mentalidade do projetista de PCB. Como os projetistas de PCB estão constantemente roteando a placa em sua mente à medida que colocam os componentes, isso tem uma influência direta em como/onde os componentes são colocados, o que então afeta a implementação do roteamento. Tentar interromper esse fluxo de trabalho no meio do caminho com uma metodologia River-Routing não era viável para muitos engenheiros.

Como alternativa ao River-Routing, surgiu uma nova tendência de Planejamento de Rotas. Este método ofereceu aos designers um conjunto completo de ferramentas para configurar as definições de autorroteamento, incluindo definições de pilha de camadas, restrições de regras de design, blindagem de sinal e mais. E enquanto todas essas configurações eram extremamente necessárias para justificar o uso do autorroteamento por um projetista de PCB, o tempo gasto configurando atributos ainda levava mais tempo do que um processo de roteamento manual.

Diferentes Metodologias para os Mesmos Objetivos

Apesar de todos os avanços na tecnologia de autorroteamento ao longo das últimas três décadas, essa tecnologia ainda é pouco utilizada pela maioria dos engenheiros. Será realmente a tecnologia em si o problema, ou talvez seja um problema de expectativas conflitantes entre os projetistas de PCB e os autorroteadores?

Tipicamente, os engenheiros de PCB tratam o posicionamento de componentes e o roteamento de forma conjunta, muitas vezes visualizando os layouts das placas a 10.000 pés para identificar o posicionamento lógico dos componentes e os pontos de interconexão. Por outro lado, os autorroteadores enfrentam esse mesmo desafio de roteamento de baixo para cima, uma interconexão de cada vez.

Para layouts de placas mais densos, os engenheiros geralmente esboçam o sistema de barramento e subsistema no papel, o qual depois usam como guia para o seu processo de roteamento manual. E enquanto um engenheiro está posicionando componentes, ele está frequentemente ao mesmo tempo considerando várias outras variáveis incluindo datas de entrega, complexidade do design, custos do produto, e mais.

Existe, claro, a temida Ordem de Mudança de Engenharia (ECO), que pode desencadear uma reação em cadeia parecida com um pesadelo, especialmente quando afeta uma área de design complexa, como um BGA. Quando se trata desses tipos de tarefas, autorroteadores podem ser uma ferramenta eficaz apenas se conseguirem otimizar a fuga de trilhas ou fanouts sem adicionar vias adicionais. E enquanto um bom designer pode aliviar a dor desse processo com atribuições de pinos otimizadas, o desafio permanece o mesmo, com autorroteador ou não.

O que a Indústria de EDA Realmente Precisa

Aqui estamos, três décadas depois e ainda estamos esperando por um roteador interativo de um clique que instantaneamente traduza uma topologia de roteamento desejada em realidade. O que a tecnologia de autorroteamento do futuro precisa incluir para ser levada a sério?

• Agilidade. Esta tecnologia precisa ser flexível o suficiente para dar aos designers de PCB controle completo sobre a direção, localização e seleção de roteamento, independentemente da complexidade do design.

• Eficiência. Esta tecnologia precisa ser muito mais eficiente do que o roteamento manual de uma placa para justificar o tempo de uso.

• Facilidade. Esta tecnologia precisa ser fácil de configurar, permitindo que os designers de PCB editem os caminhos conforme necessário.

• Qualidade. Esta tecnologia precisa preservar a qualidade da integridade do sinal enquanto também roteia e distribui em múltiplas camadas sem preferência por camada.

• Confiabilidade. Esta tecnologia precisa produzir resultados confiáveis consistentemente que possam ser fabricados corretamente na primeira tentativa.

• Integrada. Esta tecnologia precisa ser integrada com nossas soluções de design existentes e conectada com nossas restrições de design.

• Acessível. Esta tecnologia precisa ser acessível e ao alcance de todo designer de PCB se quiser ter um uso amplo.

Antes

Depois (Ativamente Rápido)    

Designers de placas de circuito impresso ao redor do mundo estão esperando para levar o autorroteamento a sério, mas as últimas três décadas não nos deixaram muita confiança nesta tecnologia. O futuro reserva os mesmos resultados? Temos algo para mostrar a você...confira o que está por vir no Altium Designer^®.

Referências: