了解 EDA 設(shè)計(jì)自動(dòng)化的完整歷史以及 PCB 自動(dòng)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(shí)期都更加復(fù)雜。僅在今年，自動(dòng)駕駛汽車才開始進(jìn)入公共領(lǐng)域，火箭正從太空重新著陸以進(jìn)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(jìn)步中只缺少一件事，一個(gè)不錯(cuò)的 PCB 自動(dòng)布線器比較。

自動(dòng)布線器的真正問題

盡管 PCB 自動(dòng)布線器早在工程師知道 CAD 代表什么時(shí)就已經(jīng)存在，但參與創(chuàng)建密集 PCB 布局的設(shè)計(jì)人員幾乎完全忽略了這種自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)施，這是正確的。自首次引入以來，自動(dòng)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(dòng)布線技術(shù)的 EDA 供應(yīng)商結(jié)合使用時(shí)，難怪自動(dòng)布線器沒有流行起來。這項(xiàng)旨在節(jié)省工程時(shí)間和增強(qiáng)工作流程的技術(shù)并沒有加強(qiáng)其游戲，以匹配經(jīng)驗(yàn)豐富的印制板設(shè)計(jì)師的專業(yè)知識(shí)和效率。這真的是自動(dòng)布線器必須提供的全部嗎？

自動(dòng)布線技術(shù)的早期開端

EDA 供應(yīng)商生產(chǎn)的第一批自動(dòng)布線器的特點(diǎn)是結(jié)果和性能不佳。他們?cè)诤艽蟪潭壬蠜]有提供保持信號(hào)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(dòng)布線器還受限于嚴(yán)格的 X/Y 網(wǎng)格要求，同時(shí)具有層偏置。

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

無網(wǎng)格自動(dòng)路由示例[1]

80 年代自動(dòng)布線的進(jìn)步

隨著歲月的流逝，自動(dòng)布線技術(shù)僅略有改進(jìn)，質(zhì)量跟不上印制板設(shè)計(jì)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(jìn)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(hào)完整性要求的實(shí)現(xiàn)。

如果有一種方法來描述這個(gè)自動(dòng)路由開發(fā)時(shí)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(dòng)布線原理圖捕獲。

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

在組件之間創(chuàng)建高效的互連

通過在自動(dòng)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(shí)增加間距

盡管取得了這些進(jìn)步，自動(dòng)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(jì)人員仍然對(duì)采用自動(dòng)布線設(shè)計(jì)技術(shù)持懷疑態(tài)度。

迷宮自動(dòng)路由示例[2]

90 年代的乏味進(jìn)步

在進(jìn)入新千年之前，自動(dòng)布線器不斷改進(jìn)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(dòng)布線技術(shù)。

雖然所有這些新進(jìn)步聽起來很有希望，但它們是否對(duì) PCB 設(shè)計(jì)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(dòng)布線技術(shù)強(qiáng)加給不情愿的 PCB 設(shè)計(jì)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(dòng)布線設(shè)置的復(fù)雜性。

PCB 設(shè)計(jì)人員修復(fù)不良自動(dòng)布線路徑所花費(fèi)的時(shí)間增加。

90 年代揭示了一個(gè)持續(xù)的趨勢——在完成真正的設(shè)計(jì)時(shí)，手動(dòng)布線仍然是王道。

基于形狀的自動(dòng)布線

2000年代會(huì)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(dòng)布線方式的轉(zhuǎn)變。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，現(xiàn)在必須減少通孔以保持信號(hào)完整性，信號(hào)開始需要延遲/時(shí)間管理，差分對(duì)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(jì)意識(shí)的轉(zhuǎn)變催生了 River-Routing 時(shí)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(jìn)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(jì)師的心態(tài)。因?yàn)?PCB 設(shè)計(jì)人員在放置元件時(shí)會(huì)不斷地在腦海中布線，這會(huì)直接影響放置的方式/位置，進(jìn)而影響布線的實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(jì)人員提供了一個(gè)完整的工具集來配置自動(dòng)布線設(shè)置，包括層堆棧定義、設(shè)計(jì)規(guī)則約束、信號(hào)屏蔽等。雖然所有這些設(shè)置都是 PCB 設(shè)計(jì)人員使用自動(dòng)布線的必要性，但配置屬性所花費(fèi)的時(shí)間仍然比手動(dòng)布線過程花費(fèi)的時(shí)間更多。

相同目標(biāo)的不同方法論

盡管在過去 30 年中自動(dòng)布線技術(shù)取得了所有進(jìn)步，但大多數(shù)工程師仍然很少使用這項(xiàng)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(jì)人員和自動(dòng)布線器之間期望沖突的問題？

通常，PCB 工程師會(huì)同時(shí)進(jìn)行元件放置和布線，通常會(huì)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(diǎn)。另一方面，自動(dòng)布線器自下而上地解決同樣的布線挑戰(zhàn)，一次一個(gè)互連。

對(duì)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(dòng)布線過程的指南。當(dāng)工程師放置組件時(shí)，他們通常會(huì)同時(shí)考慮其他幾個(gè)變量，包括交付日期、設(shè)計(jì)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(huì)引發(fā)噩夢(mèng)般的連鎖反應(yīng)，尤其是當(dāng)它影響到 BGA 等復(fù)雜設(shè)計(jì)區(qū)域時(shí)。當(dāng)涉及到這些類型的任務(wù)時(shí)，只有當(dāng)自動(dòng)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(shí)，它才能成為一種有效的工具。雖然優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師可以通過優(yōu)化的引腳分配來減輕這個(gè)過程的痛苦，但挑戰(zhàn)仍然是一樣的，無論是否使用自動(dòng)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(shí)。未來的自動(dòng)布線技術(shù)需要包括哪些內(nèi)容才能被重視？

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

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

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

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

可靠性。這項(xiàng)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(shí)間就可以制造出來。

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

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。如果這項(xiàng)技術(shù)要得到廣泛使用，那么每個(gè) PCB 設(shè)計(jì)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(dòng)快速）

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

編輯：fqj