Routage automatique topologique Mappage d'un espace changeant

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1 Routage automatique topologique Mappage d'un espace changeant Auteurs : Jason Hingston, Phil Loughhead et Rob Irwin

2 Résumé Le présent livre blanc décrit les limitations dont souffrent les technologies actuelles de routage automatique lorsqu'elles sont confrontées aux contraintes géométriques imposées par l'évolution des technologies de conception de composants et de cartes, notamment les grilles de broches, de billes en quinconce, et les formes irrégulières. En outre, il introduit le concept d'analyse topologique, tel que ce dernier s'applique au processus de routage automatique mis en œuvre dans le routeur automatique de nouvelle génération proposé par Altium, Situs. (Le nom Situs provient de Situs Analysis (Analyse de site), branche des mathématiques qui correspond à l'étude des propriétés des figures géométriques et des solides qui ne sont habituellement pas affectés par les modifications de taille ou de forme. De nos jours, cette discipline est plus connue sous le nom de "topologie".) Introduction Le routage des connexions d'un circuit imprimé représente une tâche à la fois complexe et laborieuse. Sur les cartes denses ou de grande taille, le processus de routage peut exiger un temps considérable de la part du concepteur - temps qui se fait de plus en plus rare à mesure que raccourcissent les cycles de vie des produits. Le but d'un routeur automatique consiste à aider un concepteur dans le cadre du processus de routage en plaçant automatiquement les pistes et les traversées sur la carte de manière à réaliser les connexions. Le routage automatique est un processus complexe qui exige des calculs intensifs et qui, pour être véritablement utile, doit à la fois respecter certaines règles de conception, réaliser un taux de réussite de routage élevé voire égal à 100% et assurer une bonne qualité de routage. Les routeurs automatiques actuellement proposés sur le marché répondent dans une certaine mesure à chacune de ces exigences, les méthodes à base de grille, à reconnaissance de formes ou à base de géométrie qu'ils mettent en œuvre pour mapper l'espace de routage présentent de sérieuses limitations dès qu'interviennent les technologies de packaging de composants plus denses, non orthogonales ou géométriquement irrégulières. Or, les technologies de ce type sont de plus en plus couramment utilisées dans le cadre des projets actuels. Les routeurs automatiques actuellement proposés, du fait de leurs limitations géométriques, tendent également à produire des résultats qui "donnent une impression de routage automatique", tout en exigeant un travail important de correction manuelle. En fait, bien des concepteurs évitent à tout prix d'utiliser les routeurs automatiques du seul fait de cette limitation. Le routeur automatique Situs mis au point par Altium Limited ne souffre pas des mêmes lacunes que ses contemporains. Il utilise une technique d'analyse topologique pour mapper l'espace de la carte qui, contrairement au mappage géométrique ou à reconnaissance de formes, 1 de 6

3 ne dépend ni de la forme, ni des coordonnées des obstacles. Le mappage topologique permet une plus grande souplesse dans la détermination des chemins de routage et abolit les restrictions en matière de direction de routage. Les problèmes que posent les méthodes traditionnelles de routage automatique Tout projet de conception électronique est avant tout constitué d'une collection de composants dont les broches sont interconnectées d'une manière particulière. Le projet est mis en œuvre par agencement des composants en question sur une structure mécanique multicouches, appelée circuit imprimé (PCB). Les connexions sont mises en œuvre physiquement par le truchement de chemins de cuivre discrets qui traversent le PCB en longueur, en largeur et en profondeur, reliant les broches les unes aux autres. La tâche de création d'un chemin discret en cuivre, également appelé "route", pour chacune des connexions, peut s'avérer fort complexe. Généralement, un projet comporte des milliers de connexions entre les broches de composants et il arrive parfois que des chemins doivent être créés entre composants très proches les uns des autres sur la surface du circuit imprimé. Les premiers routeurs automatiques mappaient l'espace d'un projet en définissant une grille régulière et préétablie couvrant l'intégralité de la carte, dans le but d'avoir chaque broche de composant directement placée sur un point de cette grille et de disposer d'un nombre de points de grille suffisant sur l'espace disponible pour router toutes les connexions. Les premiers composants avaient des broches espacées de multiples de 0,1 pouce. Par conséquent, il était relativement facile de définir une grille correcte (voir Figure 1). Avec l'introduction des composants montés en surface, l'espacement entre broches devint de plus en plus étroit. En outre, les constructeurs se mirent également à proposer des composants dont les broches étaient à espacement métrique. Les progrès de la technologie de fabrication permirent au concepteur d'utiliser des chemins de routage extrêmement étroits, qui pouvaient être de moins en moins espacés entre eux. De la combinaison de ces facteurs, il résulte que les routeurs à grille uniforme finirent par devenir inutilisables sur les projets employant ces technologies de packaging et de fabrication. Étant donné que la grille devait être suffisamment fine pour être compatible avec les nouvelles technologies, les routeurs à grilles avaient besoin d'importantes quantités de mémoire et d'une puissance de traitement de plus en plus considérable - sans parler du temps de traitement requis - pour pouvoir mettre au point la grille de routage et router le projet. 2 de 6

4 À des fins d'amélioration, une technique connue sous le nom d'expansion 1 rectiligne, fut mise au point. Cette technique définit l'espace entre les obstacles figurant sur la carte sous forme d'une série de rectangles. Une fois défini le jeu de rectangles, un chemin de routage est déterminé en suivant les bords des rectangles en question. Cette technique permettait le routage de composants dotés de broches à espacements différents et, en outre, elle permettait au routeur automatique de faire face aux nouvelles technologies de fabrication de l'époque, notamment les composants montés en surface. Cette méthode est souvent appelée "routage automatique à reconnaissance de formes" car elle modèle les circuits de routage à l'aide de formes rectangulaires (voir Figure 2). Si les routeurs automatiques à expansion rectiligne peuvent surmonter quelques-uns des problèmes de vitesse et de mémoire qui se posent aux routeurs à grille uniforme, ils demeurent néanmoins géométriquement contraints quant aux chemins de routage potentiels qu'ils peuvent identifier. Une fois établie la carte rectangulaire pour une carte, les "fronts de signal" de routage se déroulent le long des bords des rectangles adjacents - mais uniquement dans les directions verticale et horizontale. Le routage est limité orthogonalement aux frontières des rectangles. Les géométries non orthogonales peuvent poser problème, notamment dans le cas des composants à broches en quinconce ou des composants ayant subi une rotation. Dans ces cas, il arrive souvent qu'il soit impossible de trouver un chemin de routage orthogonal et que les routeurs à expansion rectiligne soient mis en échec. Les techniques de packaging de composants poursuivent le processus de réduction de la taille et de l'espacement entre broches et certains packages, encore plus récents, tels que les BGA (Ball Grid Arrays), utilisent des grilles en quinconce pour maximiser la densité de leurs broches. En outre, le packaging des composants plus petits et inhabituels exige souvent le placement de ces derniers selon une orientation irrégulière et sur des circuits imprimés aux formes inhabituelles. À mesure que ces tendances gagnent du terrain, il devient de plus en plus difficile pour les routeurs à expansion rectiligne de répondre aux défis de routage posés par les projets de carte du monde d'aujourd'hui. Il faut par conséquent une nouvelle technique de mappage de l'espace de routage qui ne modélise pas la carte sous forme de simples rectangles et qui, par conséquent, ne se limite pas à des chemins rectilignes entre les obstacles. 1 A Method for Gridless Routing of Printed Circuit Boards, 22 nd Design Automation Conference, Paper (Méthode de routage des circuits imprimés sans grille, 22 ème conférence sur l'automatisation de conception, papier ), A.C. Finch, K.J. Mackenzie, G.J. Balsdon, G Symonds de Racal Redac Ltd 3 de 6

5 Introduction du routage automatique topologique Une approche topologique du routage automatique, telle que celle utilisée par Situs, met en œuvre une méthode différente de mappage de l'espace de routage, à savoir une méthode qui ne soit pas géométriquement contrainte. Plutôt que d'utiliser les coordonnées de l'espace de travail en tant que cadre de référence, un routeur automatique topologique construit sa carte en utilisant uniquement les positions relatives des obstacles dans l'espace, sans faire référence à leurs coordonnées. Le mappage topologique est une technique d'analyse spatiale qui triangule l'espace entre obstacles adjacents. Le plan triangulé qui en résulte est ensuite utilisé par les algorithmes de routage pour "tisser" entre les paires d'obstacles, depuis le point de la route de départ jusqu'au point de la route d'arrivée. Les principaux atouts de cette démarche sont les suivants : le plan est indépendant des formes (les obstacles et les chemins de routage peuvent avoir des formes quelconques) et l'espace peut être traversé selon n'importe quel angle - les algorithmes de routage ne se limitent pas à des chemins purement verticaux ou horizontaux, comme c'est le cas avec les routeurs à expansion rectiligne. Pour construire le plan topologique d'une carte, Situs relie chacun des obstacles figurant sur la carte aux obstacles avoisinants, créant ainsi une forme d'une certaine manière semblable à une série de toiles d'araignée reliées entre elles. Les chemins de routage potentiels sont alors définis en passant d'un fil d'une toile au suivant, puis au suivant, et ainsi de suite, jusqu'à atteindre l'objectif. Cette méthode de mappage n'est pas géométriquement liée à l'espace de routage. Le chemin potentiel tisse tout simplement son chemin entre chacune des paires d'obstacles, comme le montre la Figure 3. Le plan topologique supprime la limitation fondamentale dont souffraient les anciens routeurs, à savoir celle liée au fait que le même espace géométrique était utilisé pour mapper les chemins et les router. En séparant espace de mappage et espace de routage, le routeur topologique est en mesure de mapper un plus grand nombre de chemins naturels et de trouver des chemins de routage non orthogonaux. Ce processus de routage fonctionne de manière assez semblable à un concepteur, en ce sens que ce dernier recherche toujours un chemin qui traverse la carte de la manière la plus directe possible, tout en maintenant, dans une certaine mesure, les directions qu'il a affectées à ses couches. Les concepteurs ne déterminent pas leurs décisions selon qu'une connexion à travers une région donnée peut ou non se faire à l'aide d'une série de pistes orthogonales. En fait, ils se contentent de décider si une piste peut ou non tenir sur un circuit de routage possible. Comme l'indique le chemin mappé en Figure 3, le chemin initial défini topologiquement peut ne pas convenir en tant que chemin de routage fini. À l'aide d'algorithmes de routage sophistiqués, 4 de 6

6 Situs convertit le chemin mappé en chemin de routage adéquat. Un exemple en est présenté en Figure 4. L'analyse topologique initiale d'un chemin de routage, sans tenir compte des coordonnées des obstacles, permet d'atteindre des taux de réussite considérables et des vitesses élevées sur les cartes traditionnellement considérées comme difficiles pour les routeurs automatiques - par exemple celles qui comportent des géométries non standard, des composants denses en broches en quinconce ou des contours et des découpés aux formes irrégulières. Choisir la bonne direction Autre avantage de la méthode topologique : l'analyse et la détermination des chemins de routage ressemblent beaucoup plus à la démarche mise en œuvre par un concepteur qui procède au routage manuel d'une carte. Par exemple, l'expérience a démontré qu'il est particulièrement efficace de router dans la même direction toutes les connexions qui partagent une même couche, ce qui a donné naissance au concept de direction des couches de routage. Sur les cartes simples à deux couches, ceci est réalisé en définissant une couche comme devant être horizontale et l'autre comme devant être verticale. Le concepteur et le routeur automatique peuvent alors placer les routes conformément à cette convention. Comme des files sur une route, cette approche apporte de l'ordre à la tâche de routage, ce qui permet au concepteur ou au routeur automatique de visualiser les cartes comme une série de circuits, qui peuvent alors être affectés de manière ordonnée. Tant sur les routeurs traditionnels à grille que sur les routeurs à expansion rectiligne, les directions des couches sont limitées à la verticale - les pistes qui courent du haut au bas de la carte, et à l'horizontale - les pistes qui courent de part et d'autre de la carte. À mesure qu'augmente la densité du projet, néanmoins, le nombre de couches requises pour router la carte augmente également. Une fois que le projet requiert plus de deux couches, il peut être plus efficace de rechercher des chemins de routage dans des directions autres que la verticale et l'horizontale. Il s'agit exactement du comportement qu'adopterait un concepteur - à savoir examiner le flux des lignes de connexion et, si le nombre partant dans une orientation donnée est suffisant, par exemple en diagonale, attribuer une couche à la direction en question, puis router les connexions qui figurent sur la couche en question dans la dite direction. Ni le routeur à grille fixe, ni le routeur à expansion rectiligne, ne peuvent mapper directement dans une direction non orthogonale. Ils peuvent uniquement mapper l'espace de manière horizontale ou verticale. Pour produire des routes parfaitement diagonales, ces routeurs automatiques doivent tout d'abord définir une route à l'aide de pistes orthogonales, puis lancer des routines spéciales de post-traitement pour convertir les coins à angle droit en diagonales. 5 de 6

7 Un routeur topologique, en revanche, n'est pas contraint par les géométries orthogonales et peut identifier directement les routes diagonales et les affecter à la couche qui convient. Ceci permet non seulement d'obtenir un routage automatique plus "naturel", mais également de produire un routage plus efficace et de minimiser le nombre de traversées nécessaires pour le projet fini. Finition du routage Comme nous l'avons déjà indiqué plus haut, l'analyse topologique constitue une manière efficace de déterminer un chemin de routage possible. Néanmoins, ce chemin topologique doit se traduire par une route finie de qualité. Tout comme un concepteur, le routeur automatique est confronté à diverses situations qui doivent être traitées de différentes manières, par exemple en résolvant le chemin de routage à travers le plan, en suivant une frontière ou en repoussant des objets existants sur la route pour tenter de les déplacer. Pour gérer ces différentes situations, Situs utilise toute une gamme de moteurs de routage, notamment un routeur à mémoire, des routeurs à modèle, un routeur à alimentation et à terre, un routeur à front de signal, des routeurs push-and-shove à reconnaissance de formes et différents routeurs heuristiques adaptés à des situations spécifiques, tels que le fan-out BGA. Ces moteurs, basés sur des algorithmes de routage à la fois évolués et puissants, ont été développés au fil des années. Sous Situs, ces moteurs de routage exploitent la détermination intelligente des chemins de routage effectuée par le processus de mappage topologique pour produire des connexions finies de qualité. Les moteurs de routage Situs sont contrôlés par un jeu sophistiqué de fichiers de stratégie qui servent de "cerveau" au routeur automatique. En matière de routage de carte, le concepteur humain est très avantagé par rapport au routeur automatique. L'esprit humain peut planifier et, ce faisant, envisager de très nombreux facteurs, effectuer un zoom avant pour mettre un élément donné en focus, puis revenir en arrière pour reconsidérer la situation. Les routeurs automatiques utilisent un fichier de stratégie pour définir leurs modèles de pensée. Le fichier de stratégie contrôle les moteurs de routage, les appelle lorsque cela est nécessaire et pondère leurs actions ce faisant. Pour comprendre l'importance du rôle du fichier de stratégie, pensez à la manière dont évolue la nature de la tâche de routage à mesure qu'avance le processus de routage. Les méthodes utilisées pour router une carte vide au début du processus de routage sont très différentes de celles qui sont mises en œuvre à mesure qu'augmente la densité de routage, ce qui exige le recours à différents moteurs de routage pondérés en conséquence. Les instructions écrites dans le fichier de stratégie définissent un plan de routage de la carte, qui appelle et pondère les moteurs de routage d'une manière particulière lorsque l'espace de routage est relativement vide, 6 de 6

8 puis change les moteurs et leurs pondérations lorsqu'il est contraint de se frayer ses dernières routes à travers un espace de routage occupé de manière très dense. En mettant en œuvre les processus de pensée ou le cerveau du routeur automatique dans un fichier de stratégie, Altium peut facilement mettre à niveau son routeur automatique en fonction de l'évolution des technologies de conception de carte. Le fichier de stratégie de Situs compte parmi les plus sophistiqués actuellement proposés sur le marché. Il représente le couronnement d'années de recherche dans le domaine des processus de routage et le résultat du savoir-faire de toute une équipe de concepteurs de circuits imprimés de haut niveau. Conclusion Les tendances actuelles en matière de conception de carte et de technologies de carte nouvelles et émergentes testent les limites des routeurs automatiques de l'actuelle génération. Tout comme les composants à pas fin et la technologie de montage en surface ont révélé les limites des routeurs automatiques à grille et ont conduit au développement des technologies à reconnaissance de formes, les composants actuels à haute densité et les tendances en matière de conception de cartes repoussent aujourd'hui les limites des routeurs automatiques à reconnaissance de formes. L'analyse de carte topologique, alliée à un jeu sophistiqué et polyvalent de moteurs de routage, libère le routage automatique des contraintes géométriques, notamment celles qu'imposait la nature orthogonale des technologies traditionnelles d'expansion rectiligne. Les routeurs automatiques topologiques tels que Situs séparent le mappage de l'espace de routage des coordonnées des objets qui figurent sur la carte et permettent une détermination plus "naturelle" et intelligente des chemins de routage, qui ne dépend ni de la technologie de packaging des composants, ni de l'orientation des composants, ni de la forme ni de la taille de la carte. À propos des auteurs Jason Hingston est Directeur de Programme Protel/Situs chez Altium Limited. Phil Loughhead est Chef de Produit de la gamme Protel chez Altium Limited. Rob Irwin est Responsable de la Stratégie de Marque chez Altium Limited. 7 de 6

9 Figures Chemin de routage possible Figure 1 Chemin de routage possible Figure 2 8 de 6

10 Chemin de routage possible Figure 3 Chemin de routage définitif Figure 4 9 de 6