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自动布线或不自动布线—设计自动化失败的历史

2021-12-07

中国电源产业网

导语：北京落木源电子技术有限公司是国内最早从事IGBT驱动技术开发的公司，我们的发明专利始于1995年，现有各类IGBT/MOSFET驱动产品百余种，覆盖低端到高端、尖端各种应用，在国内外有客户数千家，是顶尖的IGBT/MOSFET驱动技术解决方案供应商。

了解EDA设计自动化的完整历史以及PCB自动布线技术从 1980 年代至今的演变。

我们现在看到的技术比人类历史上任何其他时期都更加复杂。仅在今年，自动驾驶汽车才开始进入公共领域，火箭正从太空重新着陆以进行再利用，精确调整，摩尔定律继续在其无尽的增长轨迹中占据主导地位。但是在所有这些技术进步中只缺少一件事，一个不错的 PCB 自动布线器比较。

● 自动布线器的真正问题

尽管 PCB 自动布线器早在工程师知道 CAD 代表什么时就已经存在，但参与创建密集 PCB 布局的设计人员几乎完全忽略了这种自动化技术的实施，这是正确的。自首次引入以来，自动路由算法并没有太大变化。

当您将停滞不前的技术与提供具有不同性能和配置设置的自动布线技术的 EDA 供应商结合使用时，难怪自动布线器没有流行起来。这项旨在节省工程时间和增强工作流程的技术并没有加强其游戏，以匹配经验丰富的印制板设计师的专业知识和效率。这真的是自动布线器必须提供的全部吗？

● 自动布线技术的早期开端

EDA 供应商生产的第一批自动布线器的特点是结果和性能不佳。他们在很大程度上没有提供保持信号完整性的指南或配置，通常在过程中添加过多的过孔。为了增加这种早期技术的麻烦，自动布线器还受限于严格的 X/Y 网格要求，同时具有层偏置。

由于这些限制，电路板空间通常被浪费，工程师不得不清理不平衡 PCB 布局的混乱。工程师从自动布线器修复优化不佳的 PCB 布局所花费的时间通常比手动布线板要花费更多的时间。走出大门，自动布线并不是一个好的开始。

无网格自动路由示例[1]

● 80 年代自动布线的进步

随着岁月的流逝，自动布线技术仅略有改进，质量跟不上印制板设计师的期望。仍然存在管理不善的电路板布局空间、层偏置和过多过孔的问题。为帮助推进这种衰落的技术，EDA 供应商开始采用新的接地层组件和电路板技术，以帮助简化信号完整性要求的实现。

如果有一种方法来描述这个自动路由开发时代的特征，那将是硬件限制的阻碍。Autorouter 算法根本无法减少网格大小以获得更好的布线质量，而不必求助于专用CPU和额外的内存来支持所有所需的数据。由于没有基于硬件的解决方案，EDA 供应商开始探索其他途径，包括基于形状的自动布线原理图捕获。

这些新的基于形状的自动布线器确实通过以下方式帮助满足电路板制造和信号完整性要求：

在组件之间创建高效的互连

通过在自动布线过程中添加更少的过孔来降低 PCB 成本

在 PCB 上使用更少层数的同时增加间距

尽管取得了这些进步，自动布线技术在客观上仍然充其量只是平庸。尽管 EDA 供应商克服了硬件限制，PCB 设计人员仍然对采用自动布线设计技术持怀疑态度。

迷宫自动路由示例[2]

● 90 年代的乏味进步

在进入新千年之前，自动布线器不断改进新功能，包括优化角度、推挤布线模式、减少过孔的使用，甚至上光以去除多余的线段。甚至还做出了一些努力来创建没有任何层偏差的自动布线技术。

虽然所有这些新进步听起来很有希望，但它们是否对 PCB 设计社区产生了所需的影响？不幸的是没有。EDA 供应商越是试图将自动布线技术强加给不情愿的 PCB 设计人员，它产生的副作用就越多，包括：

路线不完整和优化不佳的电路板产量增加。

增加了需要专家配置的自动布线设置的复杂性。

PCB 设计人员修复不良自动布线路径所花费的时间增加。

90 年代揭示了一个持续的趋势——在完成真正的设计时，手动布线仍然是王道。

基于形状的自动布线

● 2000年代会带来新的希望吗？

新千年到来并带来了大量新组件和电路板技术，这导致了 PCB 手动布线方式的转变。在大多数设计中，现在必须减少通孔以保持信号完整性，信号开始需要延迟/时间管理，差分对开始成为高速应用的标准，BGA成为许多大引脚数封装的首选。这种设计意识的转变催生了 River-Routing 时代。

River-Routing方法出奇地有效，显着减少了电路板上的过孔数量，均匀利用层数，并且没有布线层偏差。尽管取得了这些进步，但采用率一直很低，但为什么呢？这一次不是技术，而是PCB设计师的心态。因为 PCB 设计人员在放置元件时会不断地在脑海中布线，这会直接影响放置的方式/位置，进而影响布线的实现。对于许多工程师来说，尝试使用 River-Routing 方法在中途中断此工作流程是不可行的。

作为河流路线规划的替代方案，出现了一种新的路线规划趋势。这种方法为设计人员提供了一个完整的工具集来配置自动布线设置，包括层堆栈定义、设计规则约束、信号屏蔽等。虽然所有这些设置都是 PCB 设计人员使用自动布线的必要性，但配置属性所花费的时间仍然比手动布线过程花费的时间更多。

● 相同目标的不同方法论

尽管在过去 30 年中自动布线技术取得了所有进步，但大多数工程师仍然很少使用这项技术。是否真的是技术本身存在问题，或者可能是 PCB 设计人员和自动布线器之间期望冲突的问题？

通常，PCB 工程师会同时进行元件放置和布线，通常会在 10,000 英尺处可视化电路板布局，以确定逻辑元件放置和互连点。另一方面，自动布线器自下而上地解决同样的布线挑战，一次一个互连。

对于更密集的电路板布局，工程师通常在纸上绘制总线系统和子系统的草图，然后将其用作手动布线过程的指南。当工程师放置组件时，他们通常会同时考虑其他几个变量，包括交付日期、设计复杂性、产品成本等。

当然还有可怕的工程变更单 (ECO)，它会引发噩梦般的连锁反应，尤其是当它影响到 BGA 等复杂设计区域时。当涉及到这些类型的任务时，只有当自动布线器能够在不添加额外过孔的情况下优化走线逃逸或扇出时，它才能成为一种有效的工具。虽然优秀的设计师可以通过优化的引脚分配来减轻这个过程的痛苦，但挑战仍然是一样的，无论是否使用自动布线器。

● EDA 行业真正需要的是什么

三年后，我们仍然在等待一种交互式的一键式路由器，它可以立即将所需的路由拓扑转化为现实。未来的自动布线技术需要包括哪些内容才能被重视？

敏捷性。这项技术需要足够灵活，以便让 PCB 设计人员能够完全控制布线方向、位置和选择，而不管设计复杂性如何。

效率。这项技术需要比手动布线电路板更有效，以证明使用它的时间是合理的。

舒适。该技术需要易于配置，允许 PCB 设计人员根据需要编辑路径。

质量。该技术需要保持信号完整性质量，同时还要在没有层偏差的情况下在多个层上布线和分布。

可靠性。这项技术需要始终如一地产生可靠的结果，然后在第一时间就可以制造出来。

融合的。这项技术需要与我们现有的设计解决方案相结合，并与我们的设计约束相结合。

经济实惠。如果这项技术要得到广泛使用，那么每个 PCB 设计人员都需要负担得起并且可以使用该技术。