沒什么能比具有爭(zhēng)議性的問題更能激發(fā)各種觀點(diǎn)和討論。
了解電路板布線專業(yè)人員的未來本身就是一個(gè)重要的問題,但如果是暗示這些設(shè)計(jì)工程師需要“繼續(xù)前進(jìn)”,,則是另外一回事。這其實(shí)是指一個(gè)正在收縮的設(shè)計(jì)領(lǐng)域,,而在一個(gè)快速發(fā)展的技術(shù)產(chǎn)業(yè)中,,說起熵的概念總是讓人心煩意亂。
請(qǐng)注意問題里面說的是“專業(yè)人員”,,而且要明確的是,,這關(guān)系到對(duì)本專業(yè)目前的觀點(diǎn)以及需要進(jìn)行怎樣的改革。因此,,這里真正值得關(guān)心的,,是工作在孤立設(shè)計(jì)環(huán)境中的專家級(jí)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員未來的可持續(xù)發(fā)展,特別是那些專門從事 PCB 設(shè)計(jì)的人員,。
當(dāng)從整體上把握行業(yè)以及其發(fā)展方向的時(shí)候,,這個(gè)概念就不像是第一眼看到的那樣了。隨著技術(shù)飛速的發(fā)展,,工程師的工作方式以及他們使用的工具正在努力與毫不妥協(xié)的變革保持步伐的一致,。正是這些技術(shù)的發(fā)展以及那些使用電子產(chǎn)品人員的各種需求,制定了如何完成設(shè)計(jì)的時(shí)間表,,并確定了未來的發(fā)展方向,。
對(duì)板級(jí)設(shè)計(jì)工程師而言,這條路主要是由圍繞 PCB 的技術(shù)發(fā)展來決定的,。這可最終決定電路板設(shè)計(jì)的功能及物理特性,,以及用來實(shí)現(xiàn)這些屬性所需要的材料、技術(shù)與設(shè)計(jì)工具,。如果 PCB 的目標(biāo)和格式有所改變,,它們的設(shè)計(jì)方法也必將改變。
PCB 的發(fā)展方向,?
目前從狹義角度上講,,PCB 設(shè)計(jì)與構(gòu)造的大多數(shù)根本趨勢(shì)還必將持續(xù)下去。
消費(fèi)與工業(yè)行業(yè)將繼續(xù)推動(dòng)對(duì)更智能以及更小巧產(chǎn)品的需求,。那些產(chǎn)品中使用的電子器件將在提供更多高級(jí)功能的同時(shí),,變得更加小巧。用來連接這些部件的 PCB 也將不斷變小,,以便從整體上調(diào)節(jié)緊湊型用戶功能外殼的容量,。
這里不會(huì)有太多的驚喜,,而且這些趨勢(shì)可對(duì)高級(jí) PCB 技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生直接影響,比如柔性板,、微孔,、高密度互連系統(tǒng)以及高密度布線。僅此而言,,似乎 PCB 專業(yè)人員的未來就是進(jìn)一步提高他們的技能,,掌握新的電路板設(shè)計(jì)技術(shù)及工藝。這和以電路板為重點(diǎn)的老路沒有什么兩樣,。
然而,,當(dāng)你退后一步,用更加宏觀的視角來審視這些變革的時(shí)候,,就會(huì)覺得更為現(xiàn)實(shí)了,。這種觀點(diǎn)就是考慮整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì),,而并非僅僅延續(xù)電路板設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)思維,,不再是通過局限在 PCB 上的觀點(diǎn)來審視整個(gè)電子產(chǎn)品的發(fā)展。
比如,,實(shí)現(xiàn)更小型產(chǎn)品的變革主要是由半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)的,,而 PCB 技術(shù)和工藝只是進(jìn)行了相應(yīng)的適應(yīng)性發(fā)展。采用高密度封裝的大規(guī)模器件會(huì)繼續(xù)在提供更多功能的同時(shí),,減少對(duì)芯片支持的要求,,進(jìn)而減少器件數(shù)以及板級(jí)連接的數(shù)量。從這種意義上講,,PCB 設(shè)計(jì)將日益簡(jiǎn)化,。
如 FPGA 等可編程器件帶來的革命引入了“軟”硬件設(shè)計(jì)以及可編程 SoC 方法,將這場(chǎng)變革推向了新的高度,。這種變革可降低非重復(fù)性工程 (NRE) 成本,,并提高設(shè)計(jì)的靈活性,由于將大量物理硬件轉(zhuǎn)移到了可編程邏輯的“軟”領(lǐng)域中,,因而還可進(jìn)一步降低電路板的復(fù)雜性,。
可編程器件的推廣,以及對(duì)軟件定義設(shè)計(jì) IP 的的重視度不斷提高,,全面轉(zhuǎn)向軟設(shè)計(jì)的狀況已經(jīng)日益凸顯,。其結(jié)果是硬件將不再擔(dān)任產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的主導(dǎo)因素。板級(jí)設(shè)計(jì)正日益簡(jiǎn)化,,并更加模塊化,,同時(shí)物理配置、連接性以及構(gòu)造也可由其它設(shè)計(jì)因素來主導(dǎo),。
其它因素的一個(gè)影響實(shí)例是 FPGA 的連接性,。FPGA 的一個(gè)獨(dú)特之處是器件引腳配置本身就具有可編程性,。從傳統(tǒng)意義上講,這正是讓電路板布線工程師煩惱之處,。他們不僅要扇出數(shù)以百計(jì)的高密度封裝器件的引腳,,而且還要處理在獨(dú)立 FPGA 設(shè)計(jì)領(lǐng)域中確定(和改變)的數(shù)以百計(jì)的引腳分配。
從單純的 PCB 設(shè)計(jì)角度來看,,這可提高設(shè)計(jì)復(fù)雜性,。不過從更加全面的視角來看,當(dāng) PCB 與 FPGA 設(shè)計(jì)協(xié)同工作時(shí),,可變器件引腳也可成為一種優(yōu)勢(shì),。更具體地說,PCB 設(shè)計(jì)人員可以重新布置 FPGA 引腳配置,,簡(jiǎn)化布線,,而且這些變更可直接反映到 FPGA 設(shè)計(jì)領(lǐng)域,布局布線工具可自動(dòng)重構(gòu) FPGA,,以便與之匹配,。
電路板的設(shè)計(jì)再度得到簡(jiǎn)化,在這種情況下又牽扯到另一個(gè)領(lǐng)域,。在完全連接的 PCB-FPGA 設(shè)計(jì)環(huán)境中,,這個(gè)過程是可以變化的,在該環(huán)境下甚至可通過移動(dòng) FPGA 可編程結(jié)構(gòu)中有問題的布線路徑,,將這項(xiàng)工作推向新高,。FPGA 布置及布線工具可解決電路板布線的各種技術(shù)難題,但只有在PCB-FPGA 開發(fā)工作處于同一設(shè)計(jì)環(huán)境中,,并使用統(tǒng)一共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型的時(shí)候才可實(shí)現(xiàn),。
雖然這些概念已極具吸引力,可編程邏輯所提供的革命性機(jī)遇還將隨著技術(shù)專利的到期而進(jìn)一步拓展,。請(qǐng)?jiān)O(shè)想一下當(dāng)處理器等硬件器件在其結(jié)構(gòu)中整合了一定程度的可編程邏輯的設(shè)計(jì)可能性,。
這樣一來,現(xiàn)在就可通過編程來決定如何將處理器與設(shè)計(jì)的其它部分進(jìn)行連接與接口連接,。通過對(duì)該器件進(jìn)行編程,,可以根據(jù)您的具體應(yīng)用需要,納入支持器件與外設(shè),,并與傳統(tǒng) FPGA 一樣,,可針對(duì)電路板布線對(duì)引腳配置進(jìn)行優(yōu)化,從而可減少電路板上的部件數(shù),,簡(jiǎn)化互連路徑,。
不用花太多的功夫,就可將這個(gè)概念帶入一個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié),,在該環(huán)節(jié)上,,可對(duì)設(shè)計(jì)中的每個(gè)器件進(jìn)行配置,,使其與其它器件實(shí)現(xiàn)接口連接。這樣就只需要簡(jiǎn)單,、直接的電氣互連,,以及器件高效地接插就可以了 —— 或許甚至能更直接。
當(dāng)從邏輯上走到這個(gè)極端時(shí),,電路板設(shè)計(jì)就可恢復(fù)到實(shí)施對(duì)電子器件與機(jī)械部件的物理支持,。電路板上的電氣路徑數(shù)量將寥寥可數(shù),其屬性與外形將完全由機(jī)械考慮因素來決定,。未來“電路”板可能會(huì)在 MCAD 空間中輕松地進(jìn)行設(shè)計(jì),。
未來其他方面的發(fā)展也必將促使具有大量連接的 PCB 的傳統(tǒng)觀點(diǎn)的消亡。諸如 LCD 屏,、嵌入到產(chǎn)品外殼上的按鈕,、可配置導(dǎo)電塑料,乃至負(fù)責(zé)所有布線工作的專用可編程器件等電子組件,,很可能會(huì)降低“純”電路板設(shè)計(jì)的重要性,。
敢于接受變革
您可以看到這一切是在向哪個(gè)方向發(fā)展。未來產(chǎn)品的電路板將以各種陌生的形式出現(xiàn),,可能會(huì)消除大量的連接,,但其開發(fā)肯定會(huì)從根本上受到其他領(lǐng)域的影響,甚至被其他領(lǐng)域主導(dǎo),。
向可編程邏輯的轉(zhuǎn)變簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì),使得電路板的外形交由產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)決定,,并將電氣配置交由軟件開發(fā)定義,。物理電子硬件日益簡(jiǎn)化,不再?zèng)Q定產(chǎn)品設(shè)計(jì)的獨(dú)特與差異化因素,。相反,,應(yīng)用軟件以及運(yùn)行應(yīng)用軟件的軟硬件將定義當(dāng)前以及未來設(shè)計(jì)(獨(dú)特 IP)的核心部分。
總的來說,,隨著設(shè)計(jì)專業(yè)的相互滲透與融合,,高度專業(yè)化的孤立電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員正迅速采用極其簡(jiǎn)便的通用設(shè)計(jì)方法。注意這里的重點(diǎn)是“孤立”,。專業(yè)人員的技能是高價(jià)值的,,但再也不能作為電子開發(fā)中的孤島而存在了。電子設(shè)計(jì)不再沿著這條路發(fā)展,。
那么 PCB 設(shè)計(jì)本身會(huì)不復(fù)存在嗎,?當(dāng)然不會(huì)。但是,,隨著可編程部件的廣泛應(yīng)用以及外部影響繼續(xù)主導(dǎo)電路板設(shè)計(jì),,它將發(fā)生根本性的變革,。將這個(gè)工作當(dāng)作獨(dú)立的工藝來對(duì)待并覺得這個(gè)領(lǐng)域應(yīng)該自成一派的專業(yè)從事 PCB 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員的未來就不敢保證了。
隨著設(shè)計(jì)領(lǐng)域的傳統(tǒng)界限日漸模糊以及產(chǎn)品開發(fā)性質(zhì)的變化,,應(yīng)該將板級(jí)設(shè)計(jì)視為一體化的整體過程的組成部分,,而不應(yīng)自成一體。各個(gè)專業(yè)之間高效,、透明的設(shè)計(jì)協(xié)作目前來說非常重要,,但隨著電子設(shè)計(jì)由零散逐步走向一體化,很快就會(huì)變得不可或缺,。這就意味著工程師需要技能,,并能夠摸索和影響設(shè)計(jì)過程中的陌生環(huán)節(jié),從一開始就要考慮最終用戶體驗(yàn)應(yīng)該是什么樣子的,。
通向未來的道路
那么,,作為一名板級(jí)工程師,是不是就需要硬著頭皮接受神秘難懂的硬件描述語言 (HDL) 的廣泛培訓(xùn),,才能在設(shè)計(jì)中處理可編程硬件呢,?當(dāng)然不是。進(jìn)行新技能培訓(xùn),,進(jìn)入其它設(shè)計(jì)領(lǐng)域,,可能會(huì)令人望而生畏,覺得不符合實(shí)際,,不過,,只有當(dāng)你以傳統(tǒng)的眼光看待這些領(lǐng)域,將其看作高度專業(yè),、獨(dú)立的工藝的時(shí)候才會(huì)是這樣的,。
答案的關(guān)鍵就在于采用既可將設(shè)計(jì)工藝抽象到一個(gè)新的高度,同時(shí)又能自動(dòng)處理各底層復(fù)雜性工作的設(shè)計(jì)解決方案,。當(dāng)這些系統(tǒng)成為使用統(tǒng)一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一體化設(shè)計(jì)環(huán)境的組成部分時(shí),,進(jìn)入其它設(shè)計(jì)領(lǐng)域工作就將成為現(xiàn)實(shí)。
接下來設(shè)計(jì)工程師便可以充分發(fā)揮其現(xiàn)有的技能,,以系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的身份進(jìn)行工作,,而不再是自成一派的專家。以 FPGA 設(shè)計(jì)為例,,使用電路原理圖輸入或者圖形信號(hào)流的高級(jí)設(shè)計(jì)流程可以幫助工程師使用他們現(xiàn)有的硬件技能來開發(fā)或者修改嵌入式軟硬件,。這是諸如整個(gè) PCB-FPGA 領(lǐng)域中 FPGA 引腳重新分配等合作過程的又一個(gè)新的發(fā)展階段。
此外,,高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)還可進(jìn)一步拓展應(yīng)用軟件開發(fā)人員的協(xié)作與影響,。如果設(shè)計(jì)系統(tǒng)可提供用于處理嵌入在 FPGA 中的復(fù)雜底層硬件的軟件應(yīng)用層與驅(qū)動(dòng),軟件開發(fā)人員便可使用普通硬件設(shè)計(jì)技能來創(chuàng)建運(yùn)行其應(yīng)用的整套 SoC 系統(tǒng),。
這里的主旨是:當(dāng)先進(jìn)的高級(jí)設(shè)計(jì)流程存在于統(tǒng)一產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境中的時(shí)候,,所有工程師均可拓展其現(xiàn)有的技能,,輕松與過去不熟悉的設(shè)計(jì)領(lǐng)域協(xié)作并深入其中工作。然后可充分發(fā)揮并發(fā)展其現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)天賦,,幫助他們不斷朝著基于一體化系統(tǒng)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向發(fā)展,。
要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)環(huán)境要從根本上覆蓋所有的設(shè)計(jì)領(lǐng)域,,并針對(duì)所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一模型,。值得注意的是,這和僅僅通過彼此傳遞數(shù)據(jù)相互連接在一起的“集成”設(shè)計(jì)應(yīng)用方式有著本質(zhì)的區(qū)別,。
采用常規(guī)方法,,更高層次的設(shè)計(jì)抽象概念可能會(huì)使特定領(lǐng)域的設(shè)計(jì)更容易接受,但在將專業(yè)數(shù)據(jù)傳遞至其它領(lǐng)域的時(shí)候,,只會(huì)增加總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,。因此,只有在采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),,并能夠貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)流程的情況下,,高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)才會(huì)變得實(shí)用。
簡(jiǎn)言之,,有了合適的設(shè)計(jì)系統(tǒng),,所有的硬件級(jí)工程師都會(huì)擁有無限光明的前景,其中包括那些現(xiàn)在正專門從事 PCB 設(shè)計(jì)的專業(yè)人士,。不過,,這個(gè)“不過”很重要,只有在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的變革被認(rèn)可,、被接受的情況下,,才會(huì)如此。這些變革預(yù)示著一種根本性的變革方向:以“軟”為中心的設(shè)計(jì),、物理(與可編程相比)硬件重要性降低,同時(shí)所謂傳統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的互動(dòng)性將顯著提高,。
通過在單一設(shè)計(jì)環(huán)境中采用可提升設(shè)計(jì)流程抽象水平的系統(tǒng),,工程師可擴(kuò)展其現(xiàn)有的技能,以實(shí)現(xiàn)與其他工程師的協(xié)作,,甚至可以深入對(duì)方領(lǐng)域中進(jìn)行工作,。
至少,結(jié)果表明:一個(gè)真正的協(xié)作的設(shè)計(jì)環(huán)境能夠最大限度地提高工程設(shè)計(jì)天賦并可提升設(shè)計(jì)能力,。從廣義上講,,它可使專業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)人員打破傳統(tǒng)孤立的樊籬,進(jìn)行創(chuàng)新,。而正是這種能力才可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新,,才能夠作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中的組成部分自由地“尋求生產(chǎn)力”,,這種能力并將為傳統(tǒng) PCB 設(shè)計(jì)專業(yè)人員的未來保駕護(hù)航。
作者:Rob Evans, Altium Limited技術(shù)編輯
Rob Evans 畢業(yè)于澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)(RMIT)電子工程系,。他曾經(jīng)在Electronics Australia擔(dān)任技術(shù)編輯很多年,,在電子設(shè)計(jì)和出版領(lǐng)域有超過二十年的豐富經(jīng)驗(yàn)。Rob Evans現(xiàn)任Altium Limited的技術(shù)編輯,。