PCB自动布线器面临的真正问题

欢迎来到电子设计的世界。现在是2016年，我们现在看到的技术比人类历史的任何其他阶段都更加成熟。也就是在今年，无人驾驶汽车被引入公众领域，火箭以调整良好的精度从太空再着陆以便再次利用，摩尔定律继续在无尽的增长轨迹中盛行。但是，在所有这些技术进步中漏掉了一项——一款优良的自动布线器。

自动布线器面临的真正问题

尽管从工程师知道CAD起，PCB自动布线器就已出现了，但参与设计密集电路板的工程师几乎完全忽略了自动技术的实施。也难怪会如此。从最初引入以来，自动布线算法几乎没有太多的变化。

将趋于停滞的技术与提供不同程度性能和配置自动布线技术的EDA厂商结合在一起，难怪自动布线器无法跟上潮流。本来可以节约设计时间并增强工作流程的技术没有实质性进展，无法与经验丰富的PCB工程师的专业知识和效率相匹配。自动布线器需要提供的真是仅仅如此吗？

早期自动布线技术

EDA厂商生产的第一批自动布线器的结果和性能都较差。这些布线器大多未对信号完整性提供指引或配置，通常在工艺中增加了太多的过孔。早期技术问题还包括：自动布线器局限于严格的X/Y栅格要求，但板层之间却有偏差。

由于这些局限性，电路板空间通常会被浪费，而且工程师还要清理不均衡电路板布局的混乱情况。为了修复自动布线器导致的拙劣布局，工程师经常需要投入比手动布线更长的时间。从一开始，自动布线就缺少一个良好的开端。
 

 

无栅格自动布线示例[1]

80年代自动布线的进步

随着时间的推移，自动布线技术只得到极少的改进，质量远未达到PCB工程师的期望。存在的问题仍然是电路板布局空间处理不当、板层有偏差、以及太多的过孔。为了将这个问题繁多的技术向前推进，EDA厂商开始采用新型元件和电路板技术，以便轻松满足信号完整性要求。

如果有种方式能表征当今时代自动布线技术的发展，硬件局限也会成为其障碍。如不能借助专用CPU和额外内存来支持所要求的数据，自动布线器算法就无法减小栅格尺寸来提供更好的布线质量。由于没有基于硬件的解决方案，EDA厂商开始探索其他方法，包括基于形状的自动布线。

通过以下方式，这些基于形状的新型自动布线器确实满足了电路板制造和信号完整性的要求：

在元件之间建立有效的互连

在自动布线过程中使用较少的过孔，从而降低PCB成本

在PCB板上使用更少板层，同时增加间距

尽管已经取得了这些进步，自动布线技术在客观上仍然流于平庸。虽然EDA厂商克服了硬件局限，PCB工程师对自动布线技术的采用仍持怀疑态度。

 

迷宫自动布线示例[2]

90年代乏善可陈的进步

在接近千禧年以前，自动布线器在持续改进新的功能，包括优化角度、推挤布线模式、更少使用过孔，甚至是移除额外线段的修线技术。另外，还有一些为了消除任何板层偏差的自动布线技术。

尽管所有这些新的进步听上去极有希望，但它们对PCB设计团体产生了必要的影响吗？不幸的是，没有。EDA厂商越是将自动布线技术强加于不情愿的PCB设计师，产生的副作用就越多，包括：

电路板产量增加，但布线不完整且拙劣。

增加了自动布线配置的复杂性，需要专家级配置。

PCB设计师需要花费更多的时间来修复不良的自动布线路径。

90年代发现了一个持续的趋势 ——在设计接近完成时时，人工布线仍然是王道。

 

基于形状的自动布线

00年代会带来新的希望吗？

千禧年到来了，并带来了改变PCB手动布线方式的新型元件和电路板技术。现在在大多数设计中，必须要减少过孔数目以保持信号完整性。信号开始需要延时/时间管理，差分对开始成为高速应用的标准，而BGA则成为许多较大引脚数封装的首选。这些设计意识变化产生了河网布线（River-Routing）时代。

河网布线法的高效令人惊讶，并大幅减少了电路板上的过孔数量，均匀地使用各个板层，且没有布线板层偏差。尽管取得了这些进步，却一直很少被采用。为什么？这次不是因为技术，而是因为PCB设计师的习惯。因为PCB设计师在放置元件的过程中，不断地在其脑海中对电路板进行布线模拟，这直接影响着部件如何/在何处放置，进而影响布线实施。对许多工程师来说，试图用河网布线法来中断这个工作流程的中间段是不可行的。

作为河网布线法的替代方法，出现了新的走线规划趋势。这个方法为设计师提供了完整工具集来配置自动布线设置，包括层堆栈定义、设计规则约束条件、信号屏蔽等。所有这些设置都是为了确保能够自动布线，但配置属性花费的时间仍多于人工布线流程的时间。

殊途同归 - 目标相同，方法不同

尽管自动布线技术在过去三十年取得所有这些进步，但仍很少被大多数工程师采用。究竟是这些技术本身存在问题，还是PCB设计师的期望与自动布线器之间有冲突？

特别是，PCB工程师合作进行元器件布局和布线，经常在10,000英尺的电路板布局视图中识别逻辑元器件的放置和互连点。另一方面，自动布线器从下至上处理这个相同的布线问题，每次互连一处。

对于更密集的电路板布局，工程师通常在纸上画出总线系统和子系统的草图，然后将其作为人工布线流程的指南。工程师在放置元器件的过程中，通常会同时考虑几个其他变量，包括交付日期、设计复杂性、产品成本等。

当然，还有令人畏惧的工程变更指令（ECO）。ECO会触发噩梦般的连锁反应，特别是当其影响到复杂的设计部分时，如BGA。就这些类型的任务而论，只有当自动布线器能优化走线逸出或扇出且不增加额外的过孔时，才会是高效的工具。尽管好的设计师能通过优化引脚分配来减少此流程的问题，但问题仍然存在，不论有没有自动布线器。

什么是EDA行业真正需要的

三十年后的今天，我们仍在等待一种互动式布线器，只要点击一次就能即时将期望的布线拓扑转换成现实。要想得到重视，未来的自动布线技术需要包含些什么？

敏捷。这项技术需要足够灵活，使PCB设计师能完全控制布线方向、位置和选择，无论设计复杂性如何。

效率。这项技术布线所需时间更少，与手动布线相比更加高效。

简便。这项技术需能容易地进行配置，使PCB设计师能按需要编辑路径。

质量。在多板层布线和分布路径时，此技术需要保证信号完整性的质量，且无板层偏差。

可靠性。此技术需要持续地产生可靠的结果，初次发布便可制造成功。

集成。此技术需与我们的现有设计方案集成，并与我们的设计约束条件关联。

价格合理。若要广泛使用，需确保所有PCB设计师能够负担。

 

以前

 

以后（主动、快速）

世界各地的PCB设计师都在等待着真正的自动布线技术，但过去三十年并未让我们对此技术抱有太多的信心。未来的结果也一样吗？我们有些东西要向您展示。看看Altium Designer 17中有些什么。