Automatiser le routage ou non: Historique des échecs de l’automatisation de la conception
Découvrez l'histoire complète de l’automatisation de la conception EDA et l'évolution de la technologie de routage automatique des PCB depuis les années 1980 jusqu'à aujourd'hui.
Bienvenue dans le monde de l'électronique. Nous sommes en 2016, et nous assistons aujourd'hui à une sophistication technologique plus poussée que jamais dans l'histoire de l'humanité. Rien que cette année, les véhicules autonomes ont commencé à être introduits dans la sphère publique, les fusées sont relancées depuis l'espace pour être réutilisées avec une précision millimétrée et la loi de Moore continue à prévaloir avec une trajectoire de croissance sans fin. Il ne manque qu'une seule chose dans tous ces progrès technologiques, une comparaison décente des routeurs automatiques pour PCB.
Le vrai problème avec les routeurs automatiques
Bien que les routeurs automatiques pour PCB existent depuis aussi longtemps que les ingénieurs savent ce qu'est la CAO, les concepteurs impliqués dans la création de circuits imprimés denses ont presque entièrement ignoré la mise en œuvre de cette technologie d'automatisation, et ce à juste titre. Les algorithmes de routage automatique n'ont pas beaucoup changé depuis leur introduction.
Lorsque vous associez une technologie stagnante à des fournisseurs d'EDA qui offrent une technologie de routage automatique avec différents degrés de performances et de configuration, il n'est pas étonnant que les routeurs automatiques ne se soient pas encore fait une place. Cette technologie qui devait permettre de gagner du temps en termes d'ingénierie et d'améliorer les flux de travail n'a tout simplement pas été adaptée à l'expertise et à l'efficacité d'une carte imprimée traditionnelle. Est-ce vraiment tout ce que les routeurs automatiques ont à offrir ?
Les débuts de la technologie du routage automatique
Les premiers routeurs automatiques produits par les fournisseurs d'EDA étaient caractérisés par des résultats et des performances médiocres. Ils n'offraient en grande partie aucune ligne directrice ou de configuration pour préserver l'intégrité du signal, ajoutant souvent une quantité excessive de vias dans le processus. Pour ajouter aux problèmes de cette technologie précoce, les routeurs automatiques étaient également limités à une exigence de grille X/Y stricte tout en étant polarisés par couche.
En raison de ces limitations, l'espace sur les cartes était généralement gaspillé, et les ingénieurs devaient nettoyer le désordre d'une topologie déséquilibrée des cartes. L'investissement en temps d'un ingénieur pour réparer une topologie mal optimisée à partir d'un routeur automatique prenait souvent plus de temps qu'il n'en faudrait pour router une carte manuellement. Dès le début départ, le routage automatique ne prenait pas un bon départ.
Exemple de routage automatique sans grille[1]
Avancées en termes de routage automatique dans les années 80
Au fil des années, la technologie de routage automatique ne s'est améliorée que marginalement, la qualité n'étant pas à la hauteur des attentes d'une carte de circuits imprimés. Il y avait toujours le problème de la mauvaise gestion de l'espace topologique des cartes, du biais des couches et du nombre excessif de vias. Pour aider à l'avancement de cette technologie en difficulté, les fournisseurs d'EDA ont commencé à adopter de nouveaux composants de plan de masse et de nouvelles technologies de cartes pour faciliter le respect des exigences d'intégrité du signal.
S'il y a une façon de caractériser cette ère de développement du routage automatique, c'est bien celle des limites matérielles. Les algorithmes de routage automatique ne pouvaient tout simplement pas réduire la taille des grilles pour une meilleure qualité de routage sans avoir recours à des processeurs dédiés et à de la mémoire supplémentaire pour prendre en charge toutes les données requises. En l'absence d'une solution matérielle, les fournisseurs d'EDA ont commencé à explorer d'autres pistes, y compris la capture schématique d’un routage automatique basée sur la forme.
Ces nouveaux routeurs automatiques basés sur la forme ont permis de répondre aux exigences en matière de fabrication de cartes et d'intégrité du signal :
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Création d’interconnexions efficaces entre les composants
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Diminution des coûts des PCB avec moins de vias ajoutés pendant le processus de routage automatique
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Augmentation de l'espacement tout en utilisant moins de couches sur un PCB
Malgré ces avancées, la technologie de routage automatique est restée objectivement médiocre, et ceci dans le meilleur des cas. Malgré le fait que les fournisseurs d'EDA avaient surmonté les limites matérielles, les concepteurs de PCB demeuraient sceptiques quant à l'adoption d'une technologie de conception par routage automatique.
Exemple d'un labyrinthe avec routage automatique[2]
La lente progression des années 90
Avant d'atteindre le nouveau millénaire, les routeurs automatiques ont continué de s'améliorer avec de nouvelles capacités, notamment des angles optimisés, des modes de routage push and shove, une utilisation moindre de vias, et même un gommage pour supprimer des segments supplémentaires de fil. Des efforts ont même été faits pour créer une technologie de routage automatique qui n'avait pas de biais de couche.
Bien que tous ces nouveaux progrès semblaient prometteurs, ont-ils eu l'impact escompté sur la communauté de la conception des PCB ? Malheureusement non. Plus les fournisseurs d'EDA tentaient d'imposer des technologies de routage automatique à des concepteurs de PCB réticents, plus cela produisait d'effets secondaires, notamment :
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Une augmentation de la production de panneaux avec des routes incomplètes et mal optimisées.
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Une augmentation de la complexité de la configuration du routage automatique, qui nécessitait des configurations expertes.
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Une augmentation du temps passé par les concepteurs de PCB à réparer les mauvais chemins créés par le routage automatique.
Les années 90 ont révélé une tendance constante lorsqu'il s'agissait de finaliser de véritables conceptions: le routage manuel restait toujours le maître.
Routage automatique basé sur la forme
Les années 2000 apportent-elles un nouvel espoir ?
Le nouveau millénaire arrive et apporte avec lui une pléthore de nouveaux composants et de nouvelles technologies de cartes qui provoquent un changement dans la façon dont les PCB sont routés manuellement. Dans la plupart des conceptions, il faut maintenant réduire les vias pour conserver l'intégrité du signal, les signaux commencent à nécessiter une gestion du temps et du retard, les paires différentielles commencent à devenir la norme pour les applications à grande vitesse, et le BGA constitue la préférence de beaucoup pour les paquets avec un grand nombre de broches. Ce changement dans la prise de conscience de la conception a donné naissance à l'ère du River-Routing.
La méthode River-Routing s'est révélée étonnamment efficace et a permis de réduire considérablement le nombre de vias sur une carte, d'utiliser les couches de manière uniforme et de ne pas avoir de biais de couche de routage. Malgré ces progrès, l'adoption n'a jamais été aussi faible, alors pourquoi ? Cette fois, ce n'était pas à cause de la technologie, mais de l'état d'esprit du concepteur de PCB. Parce que les concepteurs de PCB routent constamment la carte dans leur esprit lorsqu'ils placent des composants, cela a une influence directe sur la façon dont ils les placent et l'endroit où ils les placent, ce qui affecte la mise en œuvre du routage. Essayer d'interrompre ce flux de travail en cours de route à l'aide d'une méthodologie de River-Routing s'est révélé une tâche impossible pour de nombreux ingénieurs.
Comme alternative au River-Routing, une nouvelle tendance en matière de planification des routages s'est dessinée. Cette méthode a donné aux concepteurs un ensemble complet d'outils pour configurer les paramètres de routage automatique, y compris les définitions de pile de couches, les contraintes des règles de conception, le blindage du signal et plus encore. Et même si tous ces réglages étaient cruellement nécessaires pour justifier l'utilisation du routage automatique par un concepteur de PCB, le temps passé à configurer les attributs prenait quand même plus de temps qu'un processus de routage manuel.
Différentes méthodologies pour les mêmes objectifs
Malgré tous les progrès de la technologie du routage automatique au cours des trois dernières décennies, cette technologie reste encore mal utilisée par la plupart des ingénieurs. Est-ce vraiment la technologie elle-même qui est en cause, ou peut-être s'agit-il d'un problème d’écart entre les attentes des concepteurs de PCB et les routeurs automatiques ?
Généralement, les ingénieurs PCB prennent en charge le placement et le routage des composants main dans la main, en visualisant souvent les tracés des cartes avec de la hauteur pour identifier l'emplacement logique des composants et les points d'interconnexion. D'un autre côté, les routeurs automatiques s'attaquent à ce même défi de routage depuis la base, une interconnexion à la fois.
Pour des tracés de cartes plus denses, les ingénieurs esquissent généralement le système de bus et le sous-système sur papier, ils les utilisent ensuite comme guide pour leur processus de routage manuel. Et pendant qu'un ingénieur place des composants, ils considère souvent en même temps plusieurs autres variables, y compris les dates de livraison, la complexité de la conception, les coûts des produits, et plus encore.
Il y a bien sûr le redouté Ordre de modification technique (OMT), qui peut déclencher une réaction en chaîne cauchemardesque, en particulier lorsqu'il affecte une zone de conception complexe, comme un BGA. Lorsqu'il s'agit de ce genre de tâches, les routeurs automatiques ne peuvent être un outil efficace que s'ils permettent d'optimiser la fuite de traces ou les débordements sans ajouter de nouveaux vias. Et bien qu'un bon concepteur puisse alléger ce processus en optimisant l'affectation des broches, le défi reste le même, avec ou sans routage automatique.
Ce dont l'industrie des EDA a vraiment besoin
Trois décennies plus tard, nous attendons toujours un routeur interactif qui n'a besoin que d'un seul clic pour traduire instantanément une topologie de routage souhaitée. Qu'est-ce que la technologie de routage automatique du futur doit inclure pour être prise au sérieux ?
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Agilité. Cette technologie doit être suffisamment flexible pour donner aux concepteurs de PCB un contrôle total sur la direction, l'emplacement et la sélection du routage, indépendamment de la complexité de la conception.
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Efficacité. Cette technologie doit être beaucoup plus efficace que le routage manuel d'une carte pour justifier le temps d'utilisation.
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Facilité. Cette technologie doit être facile à configurer, permettant aux concepteurs de PCB d'éditer les chemins selon les besoins.
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Qualité. Cette technologie doit préserver la qualité de l'intégrité du signal tout en assurant le routage et la distribution sur plusieurs couches sans biais de couche.
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Fiabilité. Cette technologie doit constamment produire des résultats fiables pour une fabrication correcte du premier coup.
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Intégration. Cette technologie doit être intégrée à nos solutions de conception existantes et liée à nos contraintes de conception.
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Abordable. Cette technologie doit être abordable et accessible à tous les concepteurs de PCB si l'on veut qu'elle soit un jour largement utilisée.
Avant
Après (Activement rapide)
Les concepteurs de PCB du monde entier attendent de considérer le routage avec sérieux, mais les trois dernières décennies ne nous ont pas inspiré une grande confiance dans cette technologie. L'avenir donnera-t-il les mêmes résultats ? Nous avons quelque chose à vous montrer....découvrez ce qui se prépare dans Altium Designer®.
