歡迎來(lái)到電子設(shè)計(jì)的世界。現(xiàn)在是2016年，我們現(xiàn)在看到的技術(shù)比人類歷史的任何其他階段都更加成熟。也就是在今年，無(wú)人駕駛汽車被引入公眾領(lǐng)域，火箭以調(diào)整良好的精度從太空再著陸以便再次利用，摩爾定律繼續(xù)在無(wú)盡的增長(zhǎng)軌跡中盛行。但是，在所有這些技術(shù)進(jìn)步中漏掉了一項(xiàng)——一款優(yōu)良的自動(dòng)布線器。

自動(dòng)布線器面臨的真正問(wèn)題

盡管從工程師知道CAD起，PCB自動(dòng)布線器就已出現(xiàn)了，但參與設(shè)計(jì)密集電路板的工程師幾乎完全忽略了自動(dòng)技術(shù)的實(shí)施。也難怪會(huì)如此。從最初引入以來(lái)，自動(dòng)布線算法幾乎沒(méi)有太多的變化。

將趨于停滯的技術(shù)與提供不同程度性能和配置自動(dòng)布線技術(shù)的EDA廠商結(jié)合在一起，難怪自動(dòng)布線器無(wú)法跟上潮流。本來(lái)可以節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間并增強(qiáng)工作流程的技術(shù)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，無(wú)法與經(jīng)驗(yàn)豐富的PCB工程師的專業(yè)知識(shí)和效率相匹配。自動(dòng)布線器需要提供的真是僅僅如此嗎？

早期自動(dòng)布線技術(shù)

EDA廠商生產(chǎn)的第一批自動(dòng)布線器的結(jié)果和性能都較差。這些布線器大多未對(duì)信號(hào)完整性提供指引或配置，通常在工藝中增加了太多的過(guò)孔。早期技術(shù)問(wèn)題還包括：自動(dòng)布線器局限于嚴(yán)格的X/Y柵格要求，但板層之間卻有偏差。

由于這些局限性，電路板空間通常會(huì)被浪費(fèi)，而且工程師還要清理不均衡電路板布局的混亂情況。為了修復(fù)自動(dòng)布線器導(dǎo)致的拙劣布局，工程師經(jīng)常需要投入比手動(dòng)布線更長(zhǎng)的時(shí)間。從一開始，自動(dòng)布線就缺少一個(gè)良好的開端。
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無(wú)柵格自動(dòng)布線示例[1]

80年代自動(dòng)布線的進(jìn)步

隨著時(shí)間的推移，自動(dòng)布線技術(shù)只得到極少的改進(jìn)，質(zhì)量遠(yuǎn)未達(dá)到PCB工程師的期望。存在的問(wèn)題仍然是電路板布局空間處理不當(dāng)、板層有偏差、以及太多的過(guò)孔。為了將這個(gè)問(wèn)題繁多的技術(shù)向前推進(jìn)，EDA廠商開始采用新型元件和電路板技術(shù)，以便輕松滿足信號(hào)完整性要求。

如果有種方式能表征當(dāng)今時(shí)代自動(dòng)布線技術(shù)的發(fā)展，硬件局限也會(huì)成為其障礙。如不能借助專用CPU和額外內(nèi)存來(lái)支持所要求的數(shù)據(jù)，自動(dòng)布線器算法就無(wú)法減小柵格尺寸來(lái)提供更好的布線質(zhì)量。由于沒(méi)有基于硬件的解決方案，EDA廠商開始探索其他方法，包括基于形狀的自動(dòng)布線。

通過(guò)以下方式，這些基于形狀的新型自動(dòng)布線器確實(shí)滿足了電路板制造和信號(hào)完整性的要求：

在元件之間建立有效的互連

在自動(dòng)布線過(guò)程中使用較少的過(guò)孔，從而降低PCB成本

在PCB板上使用更少板層，同時(shí)增加間距

盡管已經(jīng)取得了這些進(jìn)步，自動(dòng)布線技術(shù)在客觀上仍然流于平庸。雖然EDA廠商克服了硬件局限，PCB工程師對(duì)自動(dòng)布線技術(shù)的采用仍持懷疑態(tài)度。

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迷宮自動(dòng)布線示例[2]

90年代乏善可陳的進(jìn)步

在接近千禧年以前，自動(dòng)布線器在持續(xù)改進(jìn)新的功能，包括優(yōu)化角度、推擠布線模式、更少使用過(guò)孔，甚至是移除額外線段的修線技術(shù)。另外，還有一些為了消除任何板層偏差的自動(dòng)布線技術(shù)。

盡管所有這些新的進(jìn)步聽上去極有希望，但它們對(duì)PCB設(shè)計(jì)團(tuán)體產(chǎn)生了必要的影響嗎？不幸的是，沒(méi)有。EDA廠商越是將自動(dòng)布線技術(shù)強(qiáng)加于不情愿的PCB設(shè)計(jì)師，產(chǎn)生的副作用就越多，包括：

電路板產(chǎn)量增加，但布線不完整且拙劣。

增加了自動(dòng)布線配置的復(fù)雜性，需要專家級(jí)配置。

PCB設(shè)計(jì)師需要花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)修復(fù)不良的自動(dòng)布線路徑。

90年代發(fā)現(xiàn)了一個(gè)持續(xù)的趨勢(shì) ——在設(shè)計(jì)接近完成時(shí)時(shí)，人工布線仍然是王道。

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基于形狀的自動(dòng)布線

00年代會(huì)帶來(lái)新的希望嗎？

千禧年到來(lái)了，并帶來(lái)了改變PCB手動(dòng)布線方式的新型元件和電路板技術(shù)。現(xiàn)在在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，必須要減少過(guò)孔數(shù)目以保持信號(hào)完整性。信號(hào)開始需要延時(shí)/時(shí)間管理，差分對(duì)開始成為高速應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，而BGA則成為許多較大引腳數(shù)封裝的首選。這些設(shè)計(jì)意識(shí)變化產(chǎn)生了河網(wǎng)布線（River-Routing）時(shí)代。

河網(wǎng)布線法的高效令人驚訝，并大幅減少了電路板上的過(guò)孔數(shù)量，均勻地使用各個(gè)板層，且沒(méi)有布線板層偏差。盡管取得了這些進(jìn)步，卻一直很少被采用。為什么？這次不是因?yàn)榧夹g(shù)，而是因?yàn)镻CB設(shè)計(jì)師的習(xí)慣。因?yàn)镻CB設(shè)計(jì)師在放置元件的過(guò)程中，不斷地在其腦海中對(duì)電路板進(jìn)行布線模擬，這直接影響著部件如何/在何處放置，進(jìn)而影響布線實(shí)施。對(duì)許多工程師來(lái)說(shuō)，試圖用河網(wǎng)布線法來(lái)中斷這個(gè)工作流程的中間段是不可行的。

作為河網(wǎng)布線法的替代方法，出現(xiàn)了新的走線規(guī)劃趨勢(shì)。這個(gè)方法為設(shè)計(jì)師提供了完整工具集來(lái)配置自動(dòng)布線設(shè)置，包括層堆棧定義、設(shè)計(jì)規(guī)則約束條件、信號(hào)屏蔽等。所有這些設(shè)置都是為了確保能夠自動(dòng)布線，但配置屬性花費(fèi)的時(shí)間仍多于人工布線流程的時(shí)間。

殊途同歸 - 目標(biāo)相同，方法不同

盡管自動(dòng)布線技術(shù)在過(guò)去三十年取得所有這些進(jìn)步，但仍很少被大多數(shù)工程師采用。究竟是這些技術(shù)本身存在問(wèn)題，還是PCB設(shè)計(jì)師的期望與自動(dòng)布線器之間有沖突？

特別是，PCB工程師合作進(jìn)行元器件布局和布線，經(jīng)常在10,000英尺的電路板布局視圖中識(shí)別邏輯元器件的放置和互連點(diǎn)。另一方面，自動(dòng)布線器從下至上處理這個(gè)相同的布線問(wèn)題，每次互連一處。

對(duì)于更密集的電路板布局，工程師通常在紙上畫出總線系統(tǒng)和子系統(tǒng)的草圖，然后將其作為人工布線流程的指南。工程師在放置元器件的過(guò)程中，通常會(huì)同時(shí)考慮幾個(gè)其他變量，包括交付日期、設(shè)計(jì)復(fù)雜性、產(chǎn)品成本等。

當(dāng)然，還有令人畏懼的工程變更指令（ECO）。ECO會(huì)觸發(fā)噩夢(mèng)般的連鎖反應(yīng)，特別是當(dāng)其影響到復(fù)雜的設(shè)計(jì)部分時(shí)，如BGA。就這些類型的任務(wù)而論，只有當(dāng)自動(dòng)布線器能優(yōu)化走線逸出或扇出且不增加額外的過(guò)孔時(shí)，才會(huì)是高效的工具。盡管好的設(shè)計(jì)師能通過(guò)優(yōu)化引腳分配來(lái)減少此流程的問(wèn)題，但問(wèn)題仍然存在，不論有沒(méi)有自動(dòng)布線器。

什么是EDA行業(yè)真正需要的

三十年后的今天，我們?nèi)栽诘却环N互動(dòng)式布線器，只要點(diǎn)擊一次就能即時(shí)將期望的布線拓?fù)滢D(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)。要想得到重視，未來(lái)的自動(dòng)布線技術(shù)需要包含些什么？

敏捷。這項(xiàng)技術(shù)需要足夠靈活，使PCB設(shè)計(jì)師能完全控制布線方向、位置和選擇，無(wú)論設(shè)計(jì)復(fù)雜性如何。

效率。這項(xiàng)技術(shù)布線所需時(shí)間更少，與手動(dòng)布線相比更加高效。

簡(jiǎn)便。這項(xiàng)技術(shù)需能容易地進(jìn)行配置，使PCB設(shè)計(jì)師能按需要編輯路徑。

質(zhì)量。在多板層布線和分布路徑時(shí)，此技術(shù)需要保證信號(hào)完整性的質(zhì)量，且無(wú)板層偏差。

可靠性。此技術(shù)需要持續(xù)地產(chǎn)生可靠的結(jié)果，初次發(fā)布便可制造成功。

集成。此技術(shù)需與我們的現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案集成，并與我們的設(shè)計(jì)約束條件關(guān)聯(lián)。

價(jià)格合理。若要廣泛使用，需確保所有PCB設(shè)計(jì)師能夠負(fù)擔(dān)。

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以前

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以后（主動(dòng)、快速）

世界各地的PCB設(shè)計(jì)師都在等待著真正的自動(dòng)布線技術(shù)，但過(guò)去三十年并未讓我們對(duì)此技術(shù)抱有太多的信心。未來(lái)的結(jié)果也一樣嗎？我們有些東西要向您展示。看看Altium Designer 17中有些什么。