САПР RUS-CAD как вариант замещения импортных САПР печатных плат

№ 7’2015
PDF версия
Окончание. Начало в № 6’2015
В данной статье мы продолжим описывать разработки ГРИФ‑4 и САПР TopoR, чьи проекты велись по взаимным рабочим соглашениям для синхронизации их функций и назначений. Поэтому функциональная ориентация комплекса ГРИФ‑4 и САПР TopoR является взаимно дополняющей, а не дублирующей.

Начало

САПР TopoR

TopoR (Topological Router) — это высокопроизводительный, не имеющий аналогов топологический трассировщик печатных плат. Отличительными характеристиками системы TopoR являются:

  • высокая скорость и качество трассировки;
  • набор инструментов, предоставляющий возможность в десятки раз сократить сроки разработки электронных устройств.

Все эти особенности достигаются благодаря уникальным алгоритмам и нетрадиционному подходу к решению сложных задач. TopoR поддерживает четыре режима редактирования, между которыми можно легко переключаться в любом желаемом порядке. Максимальное число трассировочных слоев зависит от версии программы. Всего предусмотрено 2–32 трассировочных слоя, общее число металлических слоев доходит до 32, точность 0,1 мкм.

TopoR принимает и выдает данные, представленные в форматах P‑CAD ASCII PCB (.pcb), PADS ASCII PCB (.asc), DSN (.dsn)­>Specctra/Elektra и HKP (.hkp)­>Expedition.

TopoR поддерживает исключительное качество автоматической трассировки. Изотропная трассировка с помощью дуг обеспечивает наиболее эффективное использование поверхности платы.

Топологический трассировщик TopoR отличается тем, что не имеет преимущественных направлений трассировки, кратных 45°. Трассировка под произвольными углами позволяет более рационально использовать коммутационное пространство (рис. 5).

Фрагмент топологии, полученной с использованием САПР TopoR

Рис. 5. Фрагмент топологии, полученной с использованием САПР TopoR

Дополнительное преимущество обеспечивается благодаря сглаживанию проводников дугами или аппроксимирующими дугу линиями (рис. 6).

При использовании трассировки со сглаживающими дугами коммутационное пространство платы используется более эффективно

Рис. 6. При использовании трассировки со сглаживающими дугами коммутационное пространство платы используется более эффективно:
а, б) коммерческие системы: а) ортогональная топология трасс; б) октогональная топология трасс;
в) система RUS CAD — произвольные направления трасс

Во многих случаях именно сглаженные дугами проводники могут обеспечить максимальный и при этом одинаковый по всей длине зазор между ними, что важно, например, для дифференциальных пар (рис. 7).

Единственный вариант трассировки с максимально возможным зазором между проводниками

Рис. 7. Единственный вариант трассировки с максимально возможным зазором между проводниками

При трассировке, кратной 45°, зазоры неравномерны и их минимальная величина примерно на 30% меньше. Таким образом, применяемая САПР TopoR трассировка под произвольными углами со сглаживанием дугами благоприятствует наиболее эффективному использованию коммутационного пространства платы.

 

Поддержка режимов оптимальной трассировки печатных плат

САПР TopoR лидирует в области высоко-оптимизирующих алгоритмов проектирования однослойных печатных плат. Благодаря эффективным алгоритмам минимизации количества и длины перемычек обеспечиваются результаты, сравнимые с ручной трассировкой. Распространенные, в том числе первоклассные САПР печатных плат не справляются с подобного рода задачами (рис. 8).

TopoR автоматически оттрассировал плату в одном слое без перемычек менее чем за 1 с

Рис. 8. TopoR автоматически оттрассировал плату в одном слое без перемычек менее чем за 1 с

Умение минимизировать число межслойных переходов делает TopoR предпочтительным автотрассировщиком при конструировании гибких печатных плат.

Гибкие печатные платы представляют собой наборы соединительных кабелей, которые могут содержать однослойные, двухслойные и многослойные структуры. Платы могут быть как полностью гибкими, так и представлять собой комбинацию жестких и гибких частей. Типовыми требованиями к проводникам в сгибаемой части являются:

  • перпендикулярность к направлению изгиба;
  • шахматное расположение на смежных слоях;
  • недопущение металлизированных переходных отверстий.

Топология гибкой печатной платы, полученная популярным трассировщиком Shape-based, обычно содержит межслойные переходы в сгибаемой части, значительное количество проводников, идущих непосредственно один под другим на смежных слоях, и сегменты проводников, расположенных под углом 45° к направлению изгиба.

В одном из тестов проектирования гибкой печатной платы, выполненном популярным Shape-based-трассировщиком, суммарная длина проводников составила  8,78 м, а число межслойных переходов — 61.

Та же плата, разведенная САПР TopoR, не содержала межслойных переходов и при этом имела меньшую суммарную длину проводников. Топология гибкой печатной платы, полученная автотрассировщиком TopoR на том же тесте, содержала суммарную длину проводников  8,18 м а число межслойных переходов — 0.

САПР TopoR обеспечивает существенный выигрыш по количеству межслойных переходов и суммарной длине проводников по сравнению с другими САПР печатных плат.

Благодаря уникальным алгоритмам трассировки САПР TopoR позволяет достичь рекордных показателей по минимизации числа межслойных переходов и суммарной длины проводников на проектируемой печатной плате. Как результат, TopoR предоставляет возможность спроектировать ту же самую печатную плату в меньшем числе слоев, и/или меньшего размера, и/или более дешевую в производстве, и/или обладающую лучшими показателями по электромагнитной совместимости, в том числе за счет увеличенных зазоров между проводниками. Ниже для одной и той же платы с одинаковыми технологическими ограничениями приведены примеры автотрассировки популярным стандартным автотрассировщиком и автотрассировщиком TopoR. Автотрассировщик TopoR растрассировал плату на двух слоях вместо восьми, достигнув при этом лучших показателей как по числу межслойных переходов, так и по суммарной длине проводников.

 

Автоматическая трассировка BGA­-компонентов

Благодаря отсутствию предпочтительных направлений трассировки и глубокой оптимизации TopoR обеспечивает качественную трассировку современных BGA-компонентов, что для других трассировщиков представляет собой традиционно трудную задачу. При использовании BGA-компонентов число слоев зачастую зависит в первую очередь от максимального количества рядов контактов таких компонентов и принятых технологических норм (минимальной ширины проводника и величины минимального зазора). В ряде САПР трассировка области BGA-компонентов осуществляется по шаблону: быстрый выход на периферию компонента в заранее определенном слое. Нередко это приводит к ухудшению разводки (избыточной длине провод­ников и завышенному числу межслойных переходов) и не учитывает, что при наличии эквипотенциальных и незадействованных контактов микросхемы в ряде случаев число слоев, необходимых для реализации связей, может быть уменьшено. Применяемые в TopoR специальные алгоритмы трассировки областей BGA-компонентов с учетом размещения развязывающих конденсаторов позволяют получать великолепные результаты для самых сложных и насыщенных современных печатных плат. В одном из тестов в области BGA-компонента остались неразведенными 38 трасс (при работе Shape-based автотрассировщика). При этом при работе автотрассировщика TopoR для той же самой платы — все трассы были разведены. В приведенном примере первоклассный автотрассировщик Shape­based не смог страссировать 38 провод­ников в области BGA-компонента, в то время как автотрассировщик САПР TopoR, соблюдая те же технологические ограничения, обеспечил трассировку 100% проводников с меньшим числом переходных отверстий в области BGA. На этом примере можно видеть особенности алгоритмов автотрассировки САПР TopoR, обеспечивающих в данном случае кратчайшие соединения контактов микросхемы с переходными отверстиями, причем с одним переходным отверстием соединяются не более трех контактов микросхемы. Автотрассировщик Shape­based допустил соединение до семи контактов на одно переходное отверстие (при заданном ограничении не более трех), не обеспечивая при этом минимизацию длины проводников от контактов микросхемы до переходных отверстий.

 

Учет логической эквивалентности выводов компонентов

Уникальной особенностью автотрассировщика САПР TopoR является возможность учета логической эквивалентности выводов компонентов. Автотрассировщик автоматически перебрасывает цепи с одного вывода на другой, если это способно оптимизировать топологию печатной платы. Все изменения пишутся в ECO-файл, который затем может быть импортирован в систему схемотехнического проектирования (рис. 9).

Топология печатной платы

Рис. 9. Топология печатной платы:
а) трассированной без учета логической эквивалентности выводов (число межслойных переходов — 67, суммарная длина проводников — 5,21 м);
б) топология платы, страссированной при условии эквивалентности всех логических выводов микросхемы FPG (число межслойных переходов — 17, суммарная длина проводников — 3,79 м)

 

Инновационный подход к разработке электронных устройств

TopoR — это высокопроизводительный, не имеющий аналогов топологический трассировщик печатных плат с набором уникальных инструментов, позволяющий сокращать сроки разработки электронных устройств и решать сложные производственные задачи.

Отличительные свойства TopoR:

  • высокая скорость и качество трассировки;
  • отсутствие преимущественных направлений трассировки в слоях, что существенно снижает уровень параллельности трасс и уменьшает уровень перекрестных электромагнитных помех;
  • достижение наилучших показателей электромагнитной совместимости;
  • гладкие, без изломов проводники;
  • обмен данными с популярными САПР печатных плат;
  • оптимальное соотношение цена/качество.
  • Новые возможности TopoR:
  • автоматическое выравнивание задержек в цепях;
  • поддержка дифференциальных пар;
  • все настройки отображения вынесены на отдельную панель;
  • возможность создания и редактирования ярлыков;
  • возможность добавления массивов переходных отверстий;
  • отображение линий связи для неразведенных цепей в ручном редакторе;
  • поддержка сквозных, глухих и слепых переходов в ручном редакторе;
  • поддержка полигональных контактных площадок, возможность задания разной формы площадок на разных слоях;
  • назначение цепей на конкретный слой (группу слоев);
  • поддержка шрифтов TrueType;
  • импорт/экспорт в Mentor Expedition;
  • создание файлов BOM (Bill Of Materials);
  • вывод результатов проектирования на печать.

TopoR позволяет сократить сроки проектирования печатных плат, повысить их технологичность, надежность и функциональные качества, снизить уровень электромагнитных помех, сократить затраты на производство. По сравнению с другими системами САПР TopoR существенно уменьшает суммарную длину проводников и число межслойных переходов. Автоматическая гибкая топологическая трассировка соединений в произвольных направлениях (не только 90° и 45°). Оптимальная форма проводников вычисляется автоматически. Каждый проводник имеет кратчайшую длину и огибает контактные площадки по дугам окружностей с необходимым зазором (рис. 10).

100%-ная разводка цепей обеспечивается практически мгновенно, за доли секунды

Рис. 10. 100%-ная разводка цепей обеспечивается практически мгновенно, за доли секунды

Разводятся все связи, даже если для этого приходится нарушить некоторые технологические ограничения (в дальнейшем эти нарушения автоматически устраняются). Предусмотрена параллельная оптимизация нескольких альтернативных вариантов топологии. Пользователь вправе выбирать понравившуюся ему топологическую конфигурацию. Имеется автоматическое размещение компонентов, в том числе в выделенном окне, а также возможность задания для каждой цепи минимально допустимого и желательного зазора (рис. 11).

Перемещение элементов на уже разведенной плате с сохранением целостности разводки и соблюдением заданных зазоров

Рис. 11. Перемещение элементов на уже разведенной плате с сохранением целостности разводки и соблюдением заданных зазоров

Система автоматически уменьшает ширину проводника, если он подходит к контакту, имеющему меньшую ширину (или диаметр контакта меньше ширины проводника), и при проходе через узкие места (например, между контактами компонента). Есть возможность каплевидного сглаживания стыков проводников с контактными площадками (tear-drops).

Предусмотрен автоматический контроль конструктивно­технологических ограничений в процессе автотрассировки, в процессе редактирования топологии платы (online DRC), а также контроль выходного файла (DRC) — рис. 12.

Пример фрагмента автоматической трассировки BGA-компонентов

Рис. 12. Пример фрагмента автоматической трассировки BGA-компонентов

 

Проектирование сложных и высокоскоростных плат

Выравнивание задержек САПР TopoR позволяет задавать ограничение задержки в цепи или группе цепей, а также выравнивать задержку с заданной точностью в цепях внутри группы и/или между группами. При этом корректно отрабатываются ситуации, когда цепь содержит последовательные согласующие компоненты, кроме того, может учитываться задержка в цепях внутри корпуса микросхем. В отличие от многих других САПР, где удлинение провод­ников производится вписыванием «серпантина» в прямоугольную область, ориентированную под углом, кратным 45°, TopoR использует в качестве таких областей произвольно ориентированные трапеции. Это позволяет более эффективно использовать коммутационное пространство печатной платы (рис. 13).

Пример фрагмента разводки высокоскоростных цепей

Рис. 13. Пример фрагмента разводки высокоскоростных цепей

 

Дифференциальные пары

TopoR поддерживает трассировку дифференциальных пар, а также правила для контроля равенства задержек в проводниках пары. Как и для одиночных проводников, для дифференциальной пары можно задавать ограничение задержки и правила выравнивания задержек как внутри группы, так и между группами. САПР TopoR поддерживает различные технологические ограничения и правила трассировки не только для разных классов/групп цепей, но и для разных областей платы. При этом конструктор способен определять, какие из ограничений и правил являются приоритетными в том или ином случае (рис. 14).

Пример исполнения дифференциальной пары

Рис. 14. Пример исполнения дифференциальной пары

Дополнительные характеристики:

  • TopoR успешно разводит как однослойные платы, так и платы повышенной плотности.
  • Пользователю предоставляется возможность выбора из двух способов расчета формы проводника: без использования и с использованием дуг окружностей. Первый способ предполагает прокладку проводника ломаными линиями. При втором способе проводник огибает препятствия по дугам окружностей с необходимым зазором, а с одной дуги на другую переходит вдоль отрезков прямых.
  • Перемещение элементов на уже разведенной плате с сохранением целостности разводки и соблюдением заданных зазоров.
  • TopoR использует два режима разводки: с полным контролем конструктивно-технологических ограничений и с частичным контролем, который позволяет провести между незакрепленными компонентами большее число трасс в расчете на последующую раздвижку.
  • В TopoR включены средства локальной перетрассировки в процессе перемещения — автоматическая оптимизация путей проводников во время автоматического перемещения компонентов.

Инструменты и функции:

  • Редактор параметров дизайна, в котором задаются основные конструктивно-технологические ограничения (ширина проводника, зазоры между проводниками, форма контактных площадок и т. д.). В частности, в отличие от других систем можно для каждой цепи задать не только минимально допустимый, но и желательный зазор.
  • Редактор размещения оснащен удобной подсветкой связей между компонентами.
  • Два режима редактирования топологии. Один — традиционный графический редактор. Второй — не позволяет редактировать форму проводников, но дает возможность перемещать компоненты без нарушения целостности разводки и с автоматическим расчетом форм.

 

АСОНИКА

В настоящее время система состоит из тринадцати подсистем:

  • анализа типовых конструкций блоков радиоэлектронных средств (РЭС) на механические воздействия — АСОНИКА-­М;
  • анализа типовых конструкций шкафов и стоек РЭС на механические воздействия — АСОНИКА­-М‑ШКАФ;
  • анализа и обеспечения стойкости произвольных объемных конструкций в форматах 3D к механическим воздействиям;
  • анализа и обеспечения стойкости к механическим воздействиям конструкций РЭС, установленных на виброизоляторах, — АСОНИКА-­В;
  • анализа и обеспечения тепловых характеристик конструкций аппаратуры — АСОНИКА-­Т;
  • анализа конструкций печатных узлов РЭС на тепловые и механические воздействия — АСОНИКА-­ТМ;
  • автоматизированного заполнения карт рабочих режимов электрорадиоизделий (ЭРИ) — АСОНИКА-­Р;
  • анализа показателей надежности РЭС с учетом реальных режимов работы ЭРИ — АСОНИКА-­Б;
  • справочная БД электрорадиоизделий и материалов по геометрическим, физико-механическим, теплофизическим, электрическим и надежностным параметрам — АСОНИКА­-БД;
  • идентификации физико-механических и теплофизических параметров моделий РЭС — АСОНИКА-­ИД;
  • анализа усталостной прочности конструкций печатных плат и электрорадиоизделий при механических воздействиях — АСОНИКА­-УСТ;
  • анализа и обеспечения электромагнитной совместимости РЭС — АСОНИКА-­ЭМС;
  • управление моделированием РЭС при проектировании — АСОНИКА-­УМ.

Предполагается разработка подсистемы радиационной стойкости — АСОНИКА-­РАД.

 

Заключение

Технический уровень некоторых из представленных разработок практически не уступает известным зарубежным САПР электронной ориентации, а по отдельным аспектам отечественные продукты и превосходят иностранные аналоги. Очевидно, что организационное и техническое объединение перечисленных выше программных комплексов в единый программный комплекс проектирования электронных модулей на общей информационной базе позволит (при незначительных доработках) в течение одного-двух лет создать пилотный образец оте­чественной САПР, которая станет реальным вариантом импортозамещения в данной отрасли. Как следует из изложенного материала, пилотный проект отечественной электронной САПР предполагает частичное использование средств САПР P‑CAD 200x. Такой вариант построения новой САПР основан на том, что в России накоплен значительный опыт работы с САПР P‑CAD 200x, поэтому применение некоторых средств данной системы на начальном этапе создания RUS-­CAD чисто психологически оправдано, тем более что юридически использование P‑CAD 200x не нарушает авторских прав разработчиков этой системы, поскольку они не обслуживают лицензированных пользователей, не осуществляют технической поддержки и не развивают систему с 2006 года. Более того, на пилотном этапе развития и эксплуатации САПР ее участники будут иметь лицензионные версии P‑CAD 200x.

Однако для создания полноценной и многофункциональной отечественной САПР требуется решение, очевидно на государственном уровне, о формировании некоммерческой организации, которая должна выполнять функции развития программного обеспечения, выпуска эксплуатационных материалов (технических описаний и инструкций по работе в системе), продажи САПР, технической поддержки переданных экземпляров САПР и обучения пользователей системы. Об этом достаточно хорошо сказано в приказе по Минкомсвязи № 196 от 1 апреля 2015 года.

К слову, появилась информация, что фирма «Эремекс» начала работу по созданию Консорциума САПР электроники в рамках плана импортозамещения, утвержденного в упомянутом выше приказе. Обычно консорциум создается предприятиями как временное добровольное объединение для реализации крупных целевых программ и проектов, в том числе и научно­технических. При длительном функционировании консорциум может быть преобразован в более сложную интегрированную макроструктуру. Однако нельзя недооценивать сложности разработки новой САПР и значительных людских и финансовых затрат для выхода на рынок систем электронного проектирования. С. Павлов в статье «Системы электронного и электротехнического проектирования в 2014 году: обзор достижений и анализ рынка» (журнал CAD/CAM/CAE OBSERVER, № 3 2015 г.) приводит такие данные:

В конце 2014 финансового года количество сотрудников в компаниях, лидирующих на рынке EDA, варьируется от 3 до 9 тыс. человек.

Годовые доходы лидеров рынка EDA в 2014 году составляют $1,2–2,12 млрд.

А потому рассчитывать на быстрый успех в этом мероприятии не следует. К примеру, сегодня один из лидеров на EDA-рынке — компания Cadence Design System, Inc была основана в 1988 году, а миллиардером впервые стала в 1997‑м. Разработчик САПР TopoR С. Ю. Лузин обратился к данной проблематике в 1990 году, автор настоящей статьи начал заниматься САПР ГРИФ в 1995‑м, но миллионерами до сей поры так и не стали.

Поэтому просьба к читателям — дайте свою оценку изложенному материалу, поделитесь опытом работы в одной из рассмот­ренных выше подсистем — нам необходима объективная оценка творческих возможностей авторов рассмотренных работ.           

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *