Tự định tuyến hay không tự định tuyến? Lịch sử về việc tự động hóa thiết kế thất bại

Chào mừng bạn đến với thế giới của điện tử. Đã là năm 2016, và chúng ta đang chứng kiến sự tinh vi công nghệ nhiều hơn bất kỳ thời kỳ nào khác trong lịch sử loài người. Chỉ riêng trong năm nay, xe tự lái đã bắt đầu được giới thiệu vào không gian công cộng, tên lửa được hạ cánh trở lại từ không gian để tái sử dụng với độ chính xác tinh vi, và luật Moore tiếp tục thắng thế trong quỹ đạo tăng trưởng không ngừng của nó. Nhưng chỉ có một điều thiếu sót trong tất cả những tiến bộ công nghệ này, đó là một so sánh tự động định tuyến PCB đàng hoàng.

Vấn đề Thực sự với Các Bộ Định Tuyến Tự Động

Mặc dù các bộ định tuyến tự động PCB đã tồn tại từ lâu, ngay khi các kỹ sư biết CAD là gì, nhưng các nhà thiết kế tham gia vào việc tạo ra một bố cục PCB dày đặc gần như hoàn toàn bỏ qua việc triển khai công nghệ tự động hóa này, và đúng là như vậy. Các thuật toán tự động định tuyến không thay đổi nhiều kể từ khi chúng được giới thiệu lần đầu.

Khi kết hợp công nghệ đình trệ với các nhà cung cấp EDA cung cấp công nghệ tự động định tuyến với các mức độ hiệu suất và cấu hình khác nhau, không có gì ngạc nhiên khi công nghệ tự động định tuyến không được ưa chuộng. Công nghệ này được dự định để tiết kiệm thời gian kỹ thuật và cải thiện quy trình làm việc đơn giản không nâng cao trò chơi của mình để phù hợp với kinh nghiệm và hiệu quả của một nhà thiết kế Bảng In kỳ cựu. Đây có phải là tất cả những gì mà tự động định tuyến có thể cung cấp?

Những Bước Đầu của Công Nghệ Tự Động Định Tuyến

Những tự động định tuyến đầu tiên do các nhà cung cấp EDA sản xuất được đặc trưng bởi kết quả và hiệu suất kém. Chúng chủ yếu không cung cấp hướng dẫn hoặc cấu hình nào để bảo toàn tính toàn vẹn của tín hiệu, thường xuyên thêm một lượng lớn vias trong quá trình đó. Để thêm vào rắc rối của công nghệ sơ khai này, tự động định tuyến cũng bị giới hạn bởi yêu cầu lưới X/Y chặt chẽ trong khi có sự thiên vị về lớp.

Kết quả của những hạn chế này, không gian bảng thường bị lãng phí, và kỹ sư phải dọn dẹp hỗn loạn của một bố cục PCB không cân đối. Thời gian đầu tư cho một kỹ sư để sửa chữa một bố cục PCB được tối ưu hóa kém từ một tự động định tuyến thường mất nhiều thời gian hơn so với việc định tuyến một bảng theo cách thủ công. Ngay từ cửa, tự động định tuyến không có khởi đầu thuận lợi.

Ví dụ về Tự Động Định Tuyến Không Lưới^[1]  

Sự Tiến Bộ của Tự Động Định Tuyến trong những năm 80

Khi thời gian trôi qua, công nghệ tự động định tuyến chỉ cải thiện một cách khiêm tốn, chất lượng không theo kịp với kỳ vọng của nhà thiết kế Bảng Mạch In. Vẫn còn vấn đề về việc quản lý không gian bố trí bảng mạch không hiệu quả, thiên vị lớp và việc sử dụng quá nhiều via. Để giúp thúc đẩy sự tiến bộ của công nghệ này, các nhà cung cấp EDA bắt đầu áp dụng các thành phần mặt đất mới và công nghệ bảng mạch để giúp đơn giản hóa việc đáp ứng các yêu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu.

Nếu có một cách để mô tả giai đoạn phát triển tự động định tuyến này, đó sẽ là sự cản trở bởi giới hạn phần cứng. Các thuật toán tự động định tuyến đơn giản không thể giảm kích thước lưới để cải thiện chất lượng định tuyến mà không phải dựa vào CPU chuyên dụng và bộ nhớ phụ trợ để hỗ trợ tất cả dữ liệu cần thiết. Không có giải pháp dựa trên phần cứng, các nhà cung cấp EDA bắt đầu khám phá các phương thức khác bao gồm tự động định tuyến dựa trên hình dạng bắt chước sơ đồ.

Những tự động định tuyến dựa trên hình dạng mới này đã giúp đáp ứng yêu cầu về chế tạo bảng mạch và tính toàn vẹn tín hiệu bằng cách:

• Tạo ra các kết nối hiệu quả giữa các thành phần

• Giảm chi phí PCB với ít vias được thêm vào trong quá trình tự động định tuyến

• Tăng khoảng cách trong khi sử dụng ít lớp trên PCB

Mặc dù có những tiến bộ này, công nghệ tự động định tuyến vẫn còn là trung bình mức tốt nhất. Mặc dù các nhà cung cấp EDA đã vượt qua giới hạn phần cứng, các nhà thiết kế PCB vẫn còn hoài nghi về việc áp dụng công nghệ thiết kế tự động định tuyến.

Ví dụ về Tự động Định tuyến Maze^[2]    

Sự Tiến Triển Kém Ấn Tượng của Những Năm 90

Trước khi bước vào thiên niên kỷ mới, các công nghệ autorouter đã tiếp tục được cải thiện với những khả năng mới bao gồm góc tối ưu hóa, các chế độ định tuyến đẩy và kéo, giảm việc sử dụng vias, và thậm chí là làm mịn để loại bỏ các đoạn dây thừa. Thậm chí còn có một số nỗ lực nhằm tạo ra công nghệ autorouting không có sự thiên vị về lớp nào.

Trong khi tất cả những tiến bộ mới này nghe có vẻ hứa hẹn, liệu chúng có tạo ra ảnh hưởng cần thiết đối với cộng đồng thiết kế PCB hay không? Thật không may, không phải vậy. Càng nhiều nhà cung cấp EDA cố gắng ép buộc công nghệ autorouting vào những nhà thiết kế PCB không mong muốn, hậu quả càng nhiều, bao gồm:

• Tăng sản xuất các bảng mạch với các tuyến đường không hoàn chỉnh và tối ưu hóa kém.

• Tăng độ phức tạp của cài đặt autorouting yêu cầu cấu hình chuyên nghiệp.

• Tăng thời gian mà nhà thiết kế PCB phải dành để sửa chữa các con đường autorouting kém.

Những năm 90 đã tiết lộ một xu hướng tiếp diễn - khi nói đến việc hoàn thành các thiết kế thực tế, định tuyến thủ công vẫn là vua.

Định Tuyến Dựa Trên Hình Dạng  

Liệu Những Năm 2000 Sẽ Mang Lại Hy Vọng Mới?

Thế kỷ mới đến và mang theo một loạt các linh kiện mới và công nghệ mạch in, làm thay đổi cách đường mạch PCB được điều chỉnh thủ công. Trong hầu hết các thiết kế, việc giảm số lượng via trở nên cần thiết để bảo toàn tính toàn vẹn của tín hiệu, các tín hiệu bắt đầu cần quản lý độ trễ/thời gian, cặp tín hiệu vi sai bắt đầu trở thành chuẩn mực cho các ứng dụng tốc độ cao, và BGA trở thành sự lựa chọn ưa thích của nhiều người cho các gói có số chân lớn. Sự thay đổi trong nhận thức thiết kế này đã mở ra kỷ nguyên của River-Routing.

Phương pháp River-Routing một cách bất ngờ trở nên hiệu quả, và giảm đáng kể số lượng via trên một bảng mạch, sử dụng đều các lớp, và không có sự thiên vị nào về lớp định tuyến. Mặc dù có những tiến bộ này, việc áp dụng lại ở mức thấp nhất mọi thời đại, nhưng tại sao? Lần này không phải là công nghệ, mà là tư duy của nhà thiết kế PCB. Bởi vì các nhà thiết kế PCB liên tục định tuyến bảng mạch trong đầu họ khi họ đặt các linh kiện, điều này có ảnh hưởng trực tiếp đến cách/thời điểm đặt linh kiện, sau đó ảnh hưởng đến việc thực hiện định tuyến. Cố gắng gián đoạn quy trình làm việc này giữa chừng với phương pháp River-Routing là điều không thể đối với nhiều kỹ sư.

Là một phương pháp thay thế cho River-Routing, một xu hướng Lập kế hoạch Định tuyến mới đã xuất hiện. Phương pháp này cung cấp cho các nhà thiết kế một bộ công cụ đầy đủ để cấu hình các thiết lập định tuyến tự động, bao gồm định nghĩa xếp chồng lớp, ràng buộc quy tắc thiết kế, bảo vệ tín hiệu và hơn thế nữa. Và mặc dù tất cả các thiết lập này đều rất cần thiết để biện minh cho việc sử dụng định tuyến tự động bởi một nhà thiết kế PCB, thời gian dành cho việc cấu hình các thuộc tính vẫn mất nhiều thời gian hơn so với quá trình định tuyến thủ công.

Các Phương pháp Khác nhau cho Cùng Một Mục tiêu

Dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ định tuyến tự động trong ba thập kỷ qua, công nghệ này vẫn ít được sử dụng bởi hầu hết các kỹ sư. Liệu rằng vấn đề thực sự là công nghệ, hay có thể là một vấn đề về sự không tương thích giữa kỳ vọng của các nhà thiết kế PCB và máy định tuyến tự động?

Thông thường, các kỹ sư PCB thực hiện việc đặt linh kiện và định tuyến cùng một lúc, thường xuyên hình dung bố cục bảng mạch ở độ cao 10,000 feet để xác định vị trí đặt linh kiện và điểm kết nối hợp lý. Mặt khác, máy định tuyến tự động giải quyết thách thức định tuyến này từ dưới lên, một điểm kết nối mỗi lần.

Đối với các bố cục bảng mạch dày đặc, các kỹ sư thường vẽ sơ đồ hệ thống bus và hệ thống phụ trên giấy, sau đó họ sử dụng nó như một hướng dẫn cho quá trình định tuyến thủ công của mình. Và trong khi một kỹ sư đang đặt các linh kiện, họ thường cùng lúc xem xét nhiều biến số khác nhau bao gồm ngày giao hàng, độ phức tạp của thiết kế, chi phí sản phẩm, và nhiều hơn nữa.

Đương nhiên là có sự kinh hoàng của Lệnh Thay Đổi Kỹ Thuật (ECO), có thể kích hoạt một chuỗi phản ứng ác mộng, đặc biệt khi nó ảnh hưởng đến một khu vực thiết kế phức tạp, như một BGA. Khi đối mặt với những nhiệm vụ như vậy, autorouters có thể là một công cụ hiệu quả chỉ khi nó có thể tối ưu hóa việc thoát dấu vết hoặc fanouts mà không cần thêm vias. Và trong khi một nhà thiết kế giỏi có thể làm giảm bớt đau đớn của quá trình này với việc gán chân tối ưu, thách thức vẫn còn đó, có autorouter hay không.

Điều Ngành Công Nghiệp EDA Thực Sự Cần

Đây rồi, ba thập kỷ sau và chúng ta vẫn đang chờ đợi một router tương tác một cú nhấp chuột tức thì có thể chuyển đổi một topologi định tuyến mong muốn thành hiện thực. Công nghệ autorouting của tương lai cần bao gồm những gì để được coi trọng?

• Linh hoạt. Công nghệ này cần đủ linh hoạt để cho phép các nhà thiết kế PCB kiểm soát hoàn toàn hướng định tuyến, vị trí và lựa chọn, bất kể độ phức tạp của thiết kế.

• Hiệu quả. Công nghệ này cần phải hiệu quả hơn nhiều so với việc định tuyến bảng mạch một cách thủ công để có thể biện minh cho thời gian sử dụng nó.

• Dễ dàng. Công nghệ này cần phải dễ dàng cấu hình, cho phép các nhà thiết kế PCB chỉnh sửa đường dẫn khi cần thiết.

• Chất lượng. Công nghệ này cần phải bảo toàn chất lượng tính toán tín hiệu trong khi cũng định tuyến và phân phối trên nhiều lớp mà không thiên vị lớp nào.

• Đáng tin cậy. Công nghệ này cần phải liên tục sản xuất kết quả đáng tin cậy có thể được sản xuất đúng lần đầu tiên.

• Tích hợp. Công nghệ này cần phải được tích hợp với các giải pháp thiết kế hiện có của chúng tôi và kết nối với các ràng buộc thiết kế của chúng tôi.

• Phải chăng. Công nghệ này cần phải có giá cả phải chăng và dễ tiếp cận với mọi nhà thiết kế PCB nếu muốn được sử dụng rộng rãi.

Trước

Sau (Hoạt động Nhanh chóng)    

Các nhà thiết kế bảng mạch in trên toàn thế giới đang chờ đợi để coi trọng việc tự động định tuyến, nhưng ba thập kỷ qua không để lại nhiều niềm tin vào công nghệ này. Liệu tương lai có mang lại kết quả tương tự? Chúng tôi có điều gì đó để cho bạn xem...hãy xem những gì sắp xuất hiện trong Altium Designer^®.

Tham khảo: