自動布線或不自動布線—設(shè)計自動化失敗的歷史

了解 EDA 設(shè)計自動化的完整歷史以及 PCB 自動布線技術(shù)從 1980 年代至今的演變。

歡迎來到電子世界?，F(xiàn)在是 2016 年，我們現(xiàn)在看到的技術(shù)比人類歷史上任何其他時期都更加復(fù)雜。僅在今年，自動駕駛汽車才開始進入公共領(lǐng)域，火箭正從太空重新著陸以進行再利用，精確調(diào)整，摩爾定律繼續(xù)在其無盡的增長軌跡中占據(jù)主導(dǎo)地位。但是在所有這些技術(shù)進步中只缺少一件事，一個不錯的 PCB 自動布線器比較。

自動布線器的真正問題

盡管 PCB 自動布線器早在工程師知道 CAD 代表什么時就已經(jīng)存在，但參與創(chuàng)建密集 PCB 布局的設(shè)計人員幾乎完全忽略了這種自動化技術(shù)的實施，這是正確的。自首次引入以來，自動路由算法并沒有太大變化。

當(dāng)您將停滯不前的技術(shù)與提供具有不同性能和配置設(shè)置的自動布線技術(shù)的 EDA 供應(yīng)商結(jié)合使用時，難怪自動布線器沒有流行起來。這項旨在節(jié)省工程時間和增強工作流程的技術(shù)并沒有加強其游戲，以匹配經(jīng)驗豐富的印制板設(shè)計師的專業(yè)知識和效率。這真的是自動布線器必須提供的全部嗎？

自動布線技術(shù)的早期開端

EDA 供應(yīng)商生產(chǎn)的第一批自動布線器的特點是結(jié)果和性能不佳。他們在很大程度上沒有提供保持信號完整性的指南或配置，通常在過程中添加過多的過孔。為了增加這種早期技術(shù)的麻煩，自動布線器還受限于嚴(yán)格的 X/Y 網(wǎng)格要求，同時具有層偏置。

由于這些限制，電路板空間通常被浪費，工程師不得不清理不平衡 PCB 布局的混亂。工程師從自動布線器修復(fù)優(yōu)化不佳的 PCB 布局所花費的時間通常比手動布線板要花費更多的時間。走出大門，自動布線并不是一個好的開始。

無網(wǎng)格自動路由示例[1]

80 年代自動布線的進步

隨著歲月的流逝，自動布線技術(shù)僅略有改進，質(zhì)量跟不上印制板設(shè)計師的期望。仍然存在管理不善的電路板布局空間、層偏置和過多過孔的問題。為幫助推進這種衰落的技術(shù)，EDA 供應(yīng)商開始采用新的接地層組件和電路板技術(shù)，以幫助簡化信號完整性要求的實現(xiàn)。

如果有一種方法來描述這個自動路由開發(fā)時代的特征，那將是硬件限制的阻礙。Autorouter 算法根本無法減少網(wǎng)格大小以獲得更好的布線質(zhì)量，而不必求助于專用 CPU 和額外的內(nèi)存來支持所有所需的數(shù)據(jù)。由于沒有基于硬件的解決方案，EDA 供應(yīng)商開始探索其他途徑，包括基于形狀的自動布線原理圖捕獲。

這些新的基于形狀的自動布線器確實通過以下方式幫助滿足電路板制造和信號完整性要求：

在組件之間創(chuàng)建高效的互連

通過在自動布線過程中添加更少的過孔來降低 PCB 成本

在 PCB 上使用更少層數(shù)的同時增加間距

盡管取得了這些進步，自動布線技術(shù)在客觀上仍然充其量只是平庸。盡管 EDA 供應(yīng)商克服了硬件限制，PCB 設(shè)計人員仍然對采用自動布線設(shè)計技術(shù)持懷疑態(tài)度。

迷宮自動路由示例[2]

90 年代的乏味進步

在進入新千年之前，自動布線器不斷改進新功能，包括優(yōu)化角度、推擠布線模式、減少過孔的使用，甚至上光以去除多余的線段。甚至還做出了一些努力來創(chuàng)建沒有任何層偏差的自動布線技術(shù)。

雖然所有這些新進步聽起來很有希望，但它們是否對 PCB 設(shè)計社區(qū)產(chǎn)生了所需的影響？不幸的是沒有。EDA 供應(yīng)商越是試圖將自動布線技術(shù)強加給不情愿的 PCB 設(shè)計人員，它產(chǎn)生的副作用就越多，包括：

路線不完整和優(yōu)化不佳的電路板產(chǎn)量增加。

增加了需要專家配置的自動布線設(shè)置的復(fù)雜性。

PCB 設(shè)計人員修復(fù)不良自動布線路徑所花費的時間增加。

90 年代揭示了一個持續(xù)的趨勢——在完成真正的設(shè)計時，手動布線仍然是王道。

基于形狀的自動布線

2000年代會帶來新的希望嗎？

新千年到來并帶來了大量新組件和電路板技術(shù)，這導(dǎo)致了 PCB 手動布線方式的轉(zhuǎn)變。在大多數(shù)設(shè)計中，現(xiàn)在必須減少通孔以保持信號完整性，信號開始需要延遲/時間管理，差分對開始成為高速應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，BGA 成為許多大引腳數(shù)封裝的首選。這種設(shè)計意識的轉(zhuǎn)變催生了 River-Routing 時代。

River-Routing方法出奇地有效，顯著減少了電路板上的過孔數(shù)量，均勻利用層數(shù)，并且沒有布線層偏差。盡管取得了這些進步，但采用率一直很低，但為什么呢？這一次不是技術(shù)，而是PCB設(shè)計師的心態(tài)。因為 PCB 設(shè)計人員在放置元件時會不斷地在腦海中布線，這會直接影響放置的方式/位置，進而影響布線的實現(xiàn)。對于許多工程師來說，嘗試使用 River-Routing 方法在中途中斷此工作流程是不可行的。

作為河流路線規(guī)劃的替代方案，出現(xiàn)了一種新的路線規(guī)劃趨勢。這種方法為設(shè)計人員提供了一個完整的工具集來配置自動布線設(shè)置，包括層堆棧定義、設(shè)計規(guī)則約束、信號屏蔽等。雖然所有這些設(shè)置都是 PCB 設(shè)計人員使用自動布線的必要性，但配置屬性所花費的時間仍然比手動布線過程花費的時間更多。

相同目標(biāo)的不同方法論

盡管在過去 30 年中自動布線技術(shù)取得了所有進步，但大多數(shù)工程師仍然很少使用這項技術(shù)。是否真的是技術(shù)本身存在問題，或者可能是 PCB 設(shè)計人員和自動布線器之間期望沖突的問題？

通常，PCB 工程師會同時進行元件放置和布線，通常會在 10,000 英尺處可視化電路板布局，以確定邏輯元件放置和互連點。另一方面，自動布線器自下而上地解決同樣的布線挑戰(zhàn)，一次一個互連。

對于更密集的電路板布局，工程師通常在紙上繪制總線系統(tǒng)和子系統(tǒng)的草圖，然后將其用作手動布線過程的指南。當(dāng)工程師放置組件時，他們通常會同時考慮其他幾個變量，包括交付日期、設(shè)計復(fù)雜性、產(chǎn)品成本等。

當(dāng)然還有可怕的工程變更單 (ECO)，它會引發(fā)噩夢般的連鎖反應(yīng)，尤其是當(dāng)它影響到 BGA 等復(fù)雜設(shè)計區(qū)域時。當(dāng)涉及到這些類型的任務(wù)時，只有當(dāng)自動布線器能夠在不添加額外過孔的情況下優(yōu)化走線逃逸或扇出時，它才能成為一種有效的工具。雖然優(yōu)秀的設(shè)計師可以通過優(yōu)化的引腳分配來減輕這個過程的痛苦，但挑戰(zhàn)仍然是一樣的，無論是否使用自動布線器。

EDA 行業(yè)真正需要的是什么

三年后，我們?nèi)匀辉诘却环N交互式的一鍵式路由器，它可以立即將所需的路由拓?fù)滢D(zhuǎn)化為現(xiàn)實。未來的自動布線技術(shù)需要包括哪些內(nèi)容才能被重視？

敏捷性。這項技術(shù)需要足夠靈活，以便讓 PCB 設(shè)計人員能夠完全控制布線方向、位置和選擇，而不管設(shè)計復(fù)雜性如何。

效率。這項技術(shù)需要比手動布線電路板更有效，以證明使用它的時間是合理的。

舒適。該技術(shù)需要易于配置，允許 PCB 設(shè)計人員根據(jù)需要編輯路徑。

質(zhì)量。該技術(shù)需要保持信號完整性質(zhì)量，同時還要在沒有層偏差的情況下在多個層上布線和分布。

可靠性。這項技術(shù)需要始終如一地產(chǎn)生可靠的結(jié)果，然后在第一時間就可以制造出來。

融合的。這項技術(shù)需要與我們現(xiàn)有的設(shè)計解決方案相結(jié)合，并與我們的設(shè)計約束相結(jié)合。

經(jīng)濟實惠。如果這項技術(shù)要得到廣泛使用，那么每個 PCB 設(shè)計人員都需要負(fù)擔(dān)得起并且可以使用該技術(shù)。

前

之后（主動快速）

世界各地的印刷電路板設(shè)計人員都在等待認(rèn)真對待自動布線，但過去三十年并沒有讓我們對這項技術(shù)充滿信心。未來是否會有同樣的結(jié)果？

編輯：fqj