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基于代碼的PCB設(shè)計(jì)工具對(duì)傳統(tǒng)EDA的挑戰(zhàn)

KiCad ? 來源:KiCad ? 作者:KiCad ? 2025-08-13 11:14 ? 次閱讀
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一直想寫一些關(guān)于新的設(shè)計(jì)范式(不只是 AI)的內(nèi)容,但遲遲沒有動(dòng)筆(主要我自己也無法說服自己該怎么選)。其實(shí)用代碼來進(jìn)行電子設(shè)計(jì)在海外并不是什么新的概念,JITX 的商業(yè)化已運(yùn)作了幾年,YC 更是連續(xù)投資代碼生成 EDA 圖紙的初創(chuàng)公司。LLM 的飛速進(jìn)步似乎又印證了這一范式的必然性。但事實(shí)真是如此嗎?硬件工程師長期養(yǎng)成的習(xí)慣會(huì)在這波技術(shù)革新中被徹底顛覆嗎?

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https://bbs.elecfans.com/jishu_2495997_1_1.html引言

在國內(nèi)可能感覺不是很明顯,但在歐美,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)領(lǐng)域正處在一場深刻的范式變革之中。傳統(tǒng)的、以圖形用戶界面(GUI)為中心的點(diǎn)選式設(shè)計(jì)方法,正面臨著一種源自現(xiàn)代軟件工程實(shí)踐的、以代碼為先的全新設(shè)計(jì)哲學(xué)的挑戰(zhàn):“硬件即代碼”(Hardware as Code, HaC),大家可能聽我聊過 skidl:SkiDL:使用 Python 設(shè)計(jì)電路原理圖,這是一個(gè)比較早期踐行 HaC 并獲得認(rèn)可的個(gè)人項(xiàng)目。但在短短幾年內(nèi),又迅速出現(xiàn)了大量類似的產(chǎn)品,比如商業(yè)化程度比較高的 JITX,采用“設(shè)計(jì)即服務(wù)”(Design-as-a-service)理念的開源王者 atopile、亦或是剛?cè)诹?1400萬美金的新星 diode. computer。這些新工具與 KiCad、Altium Designer 等傳統(tǒng) EDA 巨頭相比,不僅僅是工具的創(chuàng)新,更是一場設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變,其深度借鑒了成熟的“基礎(chǔ)設(shè)施即代碼”(Infrastructure as Code, IaC)和 DevOps 原則。代碼驅(qū)動(dòng)的方法在自動(dòng)化、可重用性和設(shè)計(jì)驗(yàn)證方面展現(xiàn)出巨大潛力,但同時(shí)也面臨著陡峭的學(xué)習(xí)曲線和傳統(tǒng)工程師群體文化適應(yīng)性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

盡管在短期內(nèi)完全取代傳統(tǒng)EDA工具的可能性不大,但代碼驅(qū)動(dòng)和人工智能(AI)增強(qiáng)工具的融合已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢,它將重新定義未來十年電子工程的生產(chǎn)力邊界。

硬件設(shè)計(jì)的“軟件化”

現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性正以指數(shù)級(jí)速度增長,同時(shí)市場對(duì)產(chǎn)品迭代速度的要求也日益嚴(yán)苛。從高速接口、BGA 封裝到復(fù)雜的片上系統(tǒng)(SoC),這些挑戰(zhàn)正將傳統(tǒng)的、依賴大量人工操作的圖形化設(shè)計(jì)范式推向極限。在這種壓力下,一種借鑒了現(xiàn)代軟件工程思想的新方法應(yīng)運(yùn)而生,其核心是硬件設(shè)計(jì)的“軟件化”。

這場變革的哲學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ),源于軟件開發(fā)領(lǐng)域一次成功的革命:基礎(chǔ)設(shè)施即代碼(IaC:Infrastructure as Code)。IaC 的核心理念是通過機(jī)器可讀的定義文件來管理和配置計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施,而非通過物理硬件配置或交互式工具 。這種方法將網(wǎng)絡(luò)、虛擬機(jī)、負(fù)載均衡器等基礎(chǔ)設(shè)施元素,用高級(jí)語言進(jìn)行編碼,從而實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和版本化管理 。

IaC為軟件開發(fā)運(yùn)維(DevOps)帶來了革命性的效率提升,這些優(yōu)勢正是當(dāng)前硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域所渴求的:

  • 速度與效率:通過自動(dòng)化取代耗時(shí)的手動(dòng)配置,實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施的快速部署、拆除和擴(kuò)展,從而加速了軟件開發(fā)、測試和發(fā)布的整個(gè)生命周期 。

  • 一致性與可靠性:通過代碼定義基礎(chǔ)設(shè)施,確保了開發(fā)、測試、生產(chǎn)等所有環(huán)境的一致性,從根本上消除了因手動(dòng)操作失誤或“配置漂移”導(dǎo)致的問題 。

  • 版本控制與協(xié)作:將基礎(chǔ)設(shè)施定義文件像應(yīng)用程序代碼一樣納入Git等版本控制系統(tǒng),使得所有變更都有跡可循,支持同行評(píng)審(Pull Request)和快速回滾,極大地促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

  • 模塊化與可重用性:將基礎(chǔ)設(shè)施分解為可重用的模塊化組件,減少了代碼重復(fù),提高了可維護(hù)性,并簡化了跨項(xiàng)目和環(huán)境的管理

“硬件即代碼”(Hardware as Code, HaC)正是將 IaC 的原則應(yīng)用于電子硬件(原理圖、PCB)設(shè)計(jì)的過程。其目標(biāo)是將設(shè)計(jì)流程從一種圖形化的、命令式的過程(“在這里點(diǎn)擊,畫一條線”)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N聲明式的、基于代碼的過程(“我需要一個(gè)具備這些參數(shù)的電源模塊”)。

這一轉(zhuǎn)變并非憑空出現(xiàn),而是軟件工程領(lǐng)域成功經(jīng)驗(yàn)的必然延伸。當(dāng)前硬件設(shè)計(jì)所面臨的可擴(kuò)展性、一致性和自動(dòng)化等挑戰(zhàn),與十年前軟件基礎(chǔ)設(shè)施所面臨的挑戰(zhàn)在本質(zhì)上是相同的。因此,HaC 運(yùn)動(dòng)并非從零開始創(chuàng)造一種新哲學(xué),而是進(jìn)行了一次成功的“領(lǐng)域遷移”:將一個(gè)更成熟領(lǐng)域(軟件工程)中經(jīng)過驗(yàn)證的、成熟的解決方案,應(yīng)用到一個(gè)正面臨類似復(fù)雜性挑戰(zhàn)的領(lǐng)域(硬件設(shè)計(jì))。這解釋了為何 JITX、atopile 等新工具不約而同地使用“可重用模塊”、“版本控制”和“自動(dòng)化驗(yàn)證”等軟件工程術(shù)語作為其核心賣點(diǎn) ,因?yàn)檫@套行之有效的方法論早已被 DevOps 的成功所證明。

傳統(tǒng) EDA 工作流及優(yōu)缺點(diǎn)

以 KiCad 為例,一個(gè)KiCad項(xiàng)目是一個(gè)包含原理圖(.kicad_sch)、PCB(.kicad_pcb)、庫文件和項(xiàng)目設(shè)置的文件夾,所有設(shè)計(jì)信息都集中于此。設(shè)計(jì)遵循以下路徑:
  • 原理圖繪制 (Eeschema):從庫中放置符號(hào),繪制導(dǎo)線連接,并通過電氣規(guī)則檢查(ERC)來發(fā)現(xiàn)基本的設(shè)計(jì)缺陷 。
  • 符號(hào)與封裝分離:KiCad 的一個(gè)顯著特點(diǎn)是,原理圖中的符號(hào)在初始階段是通用的,其物理封裝(footprint)在后續(xù)步驟中才被指定。KiCad 中沒有符號(hào)和封裝綁定在一起的“器件”概念 。
  • 原理圖同步到 PCB:這是連接邏輯設(shè)計(jì)(原理圖)與物理設(shè)計(jì)(PCB布局)的關(guān)鍵步驟,生成的文件包含了所有元件及其連接關(guān)系 。
  • 電路板布局布線 (Pcbnew):在此階段,設(shè)計(jì)師定義電路板外形,放置元件封裝,手動(dòng)或使用基礎(chǔ)的自動(dòng)布線器進(jìn)行布線,創(chuàng)建覆銅區(qū)域,并運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)以確保可制造性
  • Gerber文件生成:最后,生成用于交付給制造商的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Gerber文件。
wKgZPGicAzeAF-RLAAOJUYzWlHQ385.pngwKgZPGicAzeAOaYxAAOK458Gnec029.png優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)傳統(tǒng)EDA工具經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,形成了其獨(dú)特的優(yōu)勢,但也暴露了難以克服的系統(tǒng)性缺陷。優(yōu)點(diǎn):
  • 視覺直觀性:這是傳統(tǒng) EDA 最核心的優(yōu)勢。原理圖是一種強(qiáng)大的、被全球電子工程師普遍理解的語言。一張繪制精良的原理圖能夠清晰地傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖、信號(hào)流和功能模塊,這是原始代碼難以比擬的 。
  • 成熟與穩(wěn)定:數(shù)十年的發(fā)展積累了功能極其豐富的工具集、龐大的元件庫以及與全球制造業(yè)無縫對(duì)接的成熟流程 。
  • 所見即所得的控制力:設(shè)計(jì)師對(duì)畫布上的每一個(gè)圖形元素都有著像素級(jí)的精確控制。這對(duì)于寄生參數(shù)和物理布局本身就是電路設(shè)計(jì)一部分的復(fù)雜模擬或高頻電路來說非常重要 。
弱點(diǎn):
  • 版本控制困難:這是傳統(tǒng) EDA 比較大的問題。其文件格式本質(zhì)上是圖形化數(shù)據(jù)庫,盡管以文本形式存儲(chǔ),但對(duì)人類和版本控制工具(如Git)來說都難以閱讀和理解。
  • 微小的圖形位置變動(dòng)可能導(dǎo)致文件中大量、無語義的文本變更,使得 git diff 的結(jié)果幾乎無法解讀 。
  • 由于合并工具無法理解設(shè)計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu),嘗試合并不同分支的修改變得極其困難,且極易產(chǎn)生損壞的、無效的設(shè)計(jì)文件 。
  • 重復(fù)性體力勞動(dòng):常用的電路模塊(如電源、指示燈)在每個(gè)新設(shè)計(jì)中都必須手動(dòng)重繪或復(fù)制粘貼,這個(gè)過程既耗時(shí)又容易出錯(cuò)。
  • 有限的抽象與可重用性:雖然存在層次化圖紙等功能,但創(chuàng)建真正參數(shù)化的、可通過編程方式配置和實(shí)例化的可重用設(shè)計(jì)模塊,并非其核心能力。
  • ERC 和 DRC 通常作為里程碑式的檢查點(diǎn)在設(shè)計(jì)后期運(yùn)行,而不是在設(shè)計(jì)過程中持續(xù)進(jìn)行,這使得錯(cuò)誤可能在設(shè)計(jì)階段長時(shí)間存在。

現(xiàn)代與傳統(tǒng) EDA 比較

特性維度

傳統(tǒng)EDA (KiCad/Altium)

JITX

atopile

diode.computer

主要范式

圖形化,所見即所得

代碼優(yōu)先,聲明式

代碼優(yōu)先,聲明式

AI驅(qū)動(dòng)的服務(wù)

真理源

可視化的原理圖/PCB文件

源代碼

.ato 源代碼

高層級(jí)的規(guī)格說明

設(shè)計(jì)抽象

低 (層次化圖紙)

高 (參數(shù)化模塊)

高 (可配置模塊)

極高 (自然語言/規(guī)格)

可重用性

手動(dòng) (復(fù)制/粘貼, 代碼片段)

高 (基于代碼, 參數(shù)化)

高 (基于代碼, 包管理器)

不適用 (服務(wù)內(nèi)部)

版本控制

差 (類二進(jìn)制, 非語義差異)

優(yōu)秀 (原生Git工作流)

優(yōu)秀 (原生Git工作流)

不適用 (內(nèi)部管理)

驗(yàn)證

離散 (手動(dòng)運(yùn)行ERC/DRC)

持續(xù) (代碼內(nèi)檢查, 隨變更運(yùn)行)

按需 (運(yùn)行ato build時(shí)檢查)

持續(xù) (AI + 人機(jī)回環(huán))

自動(dòng)化

有限 (腳本, 基礎(chǔ)自動(dòng)布線器)

高 (AI自動(dòng)布線, 優(yōu)化)

中 (元件選擇)

端到端 (從規(guī)格到電路板)

學(xué)習(xí)曲線

工具高, 范式低

范式和語言均高

范式和語言均高

用戶低, 工具不適用

目標(biāo)用戶

電子工程師, PCB設(shè)計(jì)

專業(yè)電子工程師, 企業(yè)團(tuán)隊(duì)

愛好者, 研發(fā)人員, 初創(chuàng)公司

希望外包設(shè)計(jì)的公司

生態(tài)系統(tǒng)

成熟, 庫龐大

成長中, 與現(xiàn)有EDA集成

新生, 依賴KiCad

封閉, 專有

商業(yè)模式

許可證/訂閱(Altium), 免費(fèi)(KiCad)

訂閱, 企業(yè)版

開源, 服務(wù)

設(shè)計(jì)即服務(wù)

wKgZPGicAzeAXFcrAAEYLonW3MA774.png是否能夠可視化無疑是兩種范式最大的沖突點(diǎn),接下來我們再仔細(xì)分析下兩種范式最核心的差異點(diǎn):Git 的優(yōu)勢與真正的協(xié)作版本控制是新舊范式的另一個(gè)差異點(diǎn)。在傳統(tǒng) EDA 中,嘗試用 Git 合并兩個(gè)工程師對(duì)同一塊 PCB 的不同修改,是一場災(zāi)難。由于文件格式的非語義性,Git無法理解設(shè)計(jì)的邏輯,合并操作極有可能導(dǎo)致文件損壞 。相比之下,JITX 和 atopile 的設(shè)計(jì)本身就是為版本控制而生 。整個(gè)電路板被描述為結(jié)構(gòu)化的代碼,每一次修改都是可讀的、有意義的文本差異。這使得團(tuán)隊(duì)可以像開發(fā)軟件一樣,使用分支(branching)和合并(merging)等工作流,讓多名工程師在同一塊電路板的不同功能模塊上并行開發(fā),這在傳統(tǒng)EDA流程中是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的。構(gòu)建即正確代碼驅(qū)動(dòng)工具正在推動(dòng)一個(gè)從“事后檢查”到“構(gòu)建即正確”的范式轉(zhuǎn)變。在傳統(tǒng)流程中,DRC等驗(yàn)證步驟通常在布局設(shè)計(jì)的最后階段才運(yùn)行,錯(cuò)誤可能在設(shè)計(jì)過程中潛伏數(shù)天甚至數(shù)周。而 JITX 的“永遠(yuǎn)正確”理念,將驗(yàn)證邏輯直接嵌入到設(shè)計(jì)代碼中。這意味著許多類別的錯(cuò)誤從一開始就被工具的結(jié)構(gòu)所阻止,而不是在事后被發(fā)現(xiàn)。例如,當(dāng)一個(gè)模塊的輸出電壓范圍與另一個(gè)模塊的輸入電壓范圍不兼容時(shí),連接操作在代碼編譯階段就會(huì)失敗,而不是等到最終的 ERC 檢查。抽象與可重用性新范式在設(shè)計(jì)重用方面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。在 Altium 或 KiCad 中,重用一個(gè)電源電路通常意味著復(fù)制一整張?jiān)韴D紙或設(shè)計(jì)片段 snippet,然后手動(dòng)修改元件編號(hào)和參數(shù),這個(gè)過程繁瑣且易錯(cuò)。在 JITX 或 atopile 中,重用一個(gè)電源模塊則變成了在代碼中實(shí)例化一個(gè)類,例如
my_psu= PowerSupply(output_voltage=3.3V, max_current=2A)
這種抽象級(jí)別將設(shè)計(jì)單元從“一組圖形”提升為“一個(gè)可配置的對(duì)象”,極大地提高了效率和可靠性。設(shè)計(jì)師可以構(gòu)建一個(gè)經(jīng)過充分驗(yàn)證的內(nèi)部IP庫(以代碼形式存在),并在新項(xiàng)目中以極高的置信度快速調(diào)用。用戶體驗(yàn)的鴻溝: 可視性與功能性盡管代碼驅(qū)動(dòng)工具在技術(shù)上優(yōu)勢明顯,但其最大的推廣障礙來自于用戶體驗(yàn)和工程師文化。對(duì)于許多電子工程師,尤其是那些在模擬和射頻領(lǐng)域工作的專家來說,圖形化的原理圖不僅僅是連接關(guān)系的表示,它本身就是一種思考和調(diào)試的工具。信號(hào)的流動(dòng)、功能模塊的劃分、元件的相對(duì)位置,這些視覺信息對(duì)于理解電路行為非常重要。在他們看來,用代碼描述一個(gè)模擬濾波器是“難以理解的”,因?yàn)檫@迫使他們在大腦中將代碼重新“編譯”成他們熟悉的原理圖形式。這是代碼驅(qū)動(dòng)工具最主要的劣勢和采納門檻,也是傳統(tǒng) EDA 工具最堅(jiān)固的護(hù)城河。然而,對(duì)于具有軟件背景的工程師來說,代碼帶來的自動(dòng)化、版本控制和規(guī)模化能力,其吸引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了學(xué)習(xí)新范式的成本。wKgZPGicAzeACvogAAJHd1Urbmo428.png

未來展望

超越工具本身,這場變革將對(duì)電子工程行業(yè)和工程師的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

何時(shí)采用代碼驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)?

代碼驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)并非萬能靈藥,其適用性取決于項(xiàng)目特性和團(tuán)隊(duì)文化。

理想用例:

  • 參數(shù)化設(shè)計(jì):需要生成大量相似但不同配置的系統(tǒng),如為不同傳感器配置生成測試板。

  • 大型分布式團(tuán)隊(duì):基于Git的協(xié)作成為剛需,以支持并行開發(fā)。

  • 設(shè)計(jì)自動(dòng)化:目標(biāo)是以編程方式生成數(shù)百個(gè)類似設(shè)計(jì),而非手動(dòng)繪制。

  • 快速原型迭代:當(dāng)?shù)俣缺葘?duì)布局的精細(xì)控制更重要時(shí),尤其是在早期產(chǎn)品探索階段。

不適用場景:

  • 高性能模擬/射頻電路:在這些領(lǐng)域,手動(dòng)的、直觀的布局本身就是電路性能的關(guān)鍵組成部分。

  • 一次性的簡單設(shè)計(jì):對(duì)于非常簡單的電路,建立代碼驅(qū)動(dòng)環(huán)境的開銷可能超過其帶來的收益。

  • 不具備編程能力的團(tuán)隊(duì):文化壁壘是真實(shí)的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn),強(qiáng)行推廣可能適得其反。

AI與生成式設(shè)計(jì)的崛起

未來的趨勢不僅是代碼化,更是 AI 增強(qiáng)的代碼化。這場變革與人工智能的浪潮在此交匯。

  • 生成式設(shè)計(jì)(Generative Design):這是一種更高級(jí)的 AI 應(yīng)用,AI 不再僅僅是優(yōu)化人類的設(shè)計(jì),而是根據(jù)一組約束條件自主生成全新的設(shè)計(jì)方案。

  • 各工具在 AI 譜系中的位置:

- 傳統(tǒng)EDA:正在將 AI 用于特定任務(wù)的優(yōu)化,例如西門子的Aprisa AI用于功耗、性能和面積(PPA)的優(yōu)化 。

- JITX:使用AI進(jìn)行布線優(yōu)化和自動(dòng)化布局。

- diode.computer:最接近純粹生成式設(shè)計(jì)的范例,其 AI 系統(tǒng)從高層規(guī)格直接生成電路設(shè)計(jì)。

  • 工程師角色的演變:未來,工程師的角色將從“繪圖員”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹軜?gòu)師”。他們的核心工作不再是繪制每一根線,而是定義設(shè)計(jì)的目標(biāo)、約束條件和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn),然后由AI在這些框架內(nèi)完成具體實(shí)現(xiàn)。

未來很可能是一個(gè)多元化的混合格局。對(duì)于性能要求極高、復(fù)雜度極大的核心設(shè)計(jì)(如高端處理器、精密模擬電路),專家們?nèi)詫⒁蕾噺?qiáng)大的圖形工具進(jìn)行精細(xì)的手動(dòng)布局。但這些工具將被 AI 深度賦能。對(duì)于其他廣闊的市場領(lǐng)域(如物聯(lián)網(wǎng)、簡單的數(shù)字控制板、參數(shù)化系統(tǒng)),代碼驅(qū)動(dòng)和 AI 即服務(wù)模式將獲得顯著的采納,從而形成一個(gè)更加細(xì)分和專業(yè)化的 EDA 市場。

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結(jié)束語

向“硬件即代碼”的轉(zhuǎn)變,是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域一場深刻的、由軟件革命力量驅(qū)動(dòng)的演進(jìn)。這場變革的核心權(quán)衡在于:犧牲傳統(tǒng) EDA 的視覺直觀性和精細(xì)控制,以換取前所未有的自動(dòng)化、可重用性和可驗(yàn)證的正確性硬件工程與軟件工程之間的界限將繼續(xù)模糊。未來十年,最成功的組織,將是那些能夠掌握融合這兩種學(xué)科藝術(shù)的組織。他們將能夠根據(jù)任務(wù)的性質(zhì),靈活地選擇最合適的范式:無論是圖形化的、代碼驅(qū)動(dòng)的,還是由AI生成的,從而在日益激烈的技術(shù)競爭中脫穎而出。
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    的頭像 發(fā)表于 09-05 18:30 ?192次閱讀
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    的頭像 發(fā)表于 08-08 11:12 ?3667次閱讀
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    的頭像 發(fā)表于 07-11 18:50 ?2882次閱讀

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    的頭像 發(fā)表于 07-11 16:31 ?1527次閱讀
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    發(fā)表于 06-23 07:59

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    的頭像 發(fā)表于 06-10 17:36 ?1072次閱讀
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    發(fā)表于 06-04 14:16 ?2453次閱讀
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    的頭像 發(fā)表于 05-26 16:17 ?368次閱讀
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    的頭像 發(fā)表于 05-23 12:07 ?2439次閱讀
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    的頭像 發(fā)表于 03-20 11:36 ?1742次閱讀

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    的頭像 發(fā)表于 02-20 09:37 ?1004次閱讀
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    發(fā)布于 :2025年02月06日 11:22:30

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    的頭像 發(fā)表于 11-13 10:52 ?1118次閱讀

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    的頭像 發(fā)表于 11-08 13:47 ?1720次閱讀