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Bien plus que du placement-routage

- Les logiciels simulent aujourd'hui le comportement des pistes en haute fréquence, routent sous contraintes et calculent les condensateurs de découplage.

La conception des cartes imprimées change de visage. Pendant longtemps, il a essentiellement été question de placement-routage, autrement dit de placer les composants sur une représentation de la carte et de créer, entre les broches desdits composants, les liaisons prévues par la schématique. Un travail fastidieux pour qui aurait à le faire à la main, mais pas très compliqué pour un ordinateur. Avec l'accélération des designs, la densification en composants et l'augmentation des fréquences d'horloges, les choses ont toutefois beaucoup changé ces dernières années.

1. OPTIMISER LES CARTES "HAUTE VITESSE"

La mutation s'est faite grosso modo lorsque les cadencements ont passé le cap des 100 MHz sur les cartes numériques. En deçà, même si on parlait déjà de "très hautes fréquences", ces dernières n'étaient pas élevées au point de devoir prendre d'énormes précautions au niveau du design. Au-delà, oui, c'est le cas !

Aujourd'hui, les 300 MHz sont monnaie courante et le gigahertz fréquemment atteint sur certaines portions de cartes mères informatiques. Sans parler de la partie radio des systèmes de télécommunication.

Les hyperfréquences sont partout et les logiciels de design de cartes, y compris les plus courants, prennent cette réalité en compte en offrant de puissantes possibilités d'optimisation et de vérification des pistes critiques. Parmi ces dernières, on compte bien évidemment les bus rapides, pour lesquels bon nombre de logiciels offrent aux concepteurs des fonctions de routage automatique. C'est aussi le cas pour les simples paires différentielles, organes dont il faut au minimum s'assurer de la stabilité de l'impédance sur toute la ligne.

2. ASSURER L'INTÉGRITÉ DU SIGNAL

Dans le cas contraire, à haute fréquence, on s'exposerait bien entendu à des phénomènes de réflexion d'ondes, à juste titre redoutés des concepteurs. Dès le milieu de gamme, les logiciels présentés dans notre tableau récapitulatif (page 94) comprennent d'ailleurs des modules chargés de vérifier l'intégrité du signal du point de vue des délais de propagation, de la diaphonie entre pistes adjacentes ou encore de la tenue en tension.

Par ailleurs, la gestion des plans de masse et des zones d'alimentation, toujours délicate en matière de compatibilité électromagnétique, est elle-même l'objet de modules spécialisés. Par exemple Power Integrity (intégré à SpecctraQuest SI Expert) chez Cadence Design Systems. Concrètement, ce logiciel calcule la valeur et détermine l'implantation idéale des condensateurs de découplage requis sur les diverses lignes d'alimentation. On est loin du simple placement-routage !

3. GÉRER LES CONTRAINTES

Le respect de l'intégrité du signal et la nécessité de garantir la compatibilité électromagnétique d'une carte (tant côté émission que susceptibilité) font désormais partie du quotidien du concepteur de cartes. Heureusement, il s'agit là de contraintes auxquelles le routage sait fort bien se soumettre pour peu d'opter au moins pour le milieu de gamme.

Dans ce segment de marché, le routage "optimisé" tient également compte des aspects mécaniques (hauteur maximale des composants en un point donné, par exemple) et des principales contraintes liées à la fabrication. Zuken, notamment, met clairement en avant les méthodologies DFM (Design For Manufacturability) au rang des atouts essentiels de sa suite CR-5000.

Chez Cadence, la solution Constraint Manager (elle aussi intégrée à SpecctraQuest SI Expert) fait appel à une interface de type tableur. Une fois compilées dans cette base de données, les contraintes définies par le designer sont utilisées pour diriger les processus de placement et de routage. Le résultat des simulations opérées est comparé aux valeurs limites admises, les dépassements étant automatiquement signalés. But de la manoeuvre : découvrir les possibles dysfonctionnements avant la réalisation de tout prototype, et par conséquent accélérer les temps de développement en minimisant le nombre d'allers-retours entre l'atelier et le poste de CAO.

4. RÉUTILISER LA CONCEPTION

Même objectif de productivité pour la réutilisation de la conception, l'idée étant cette fois de permettre au concepteur de créer des modules associant schéma logique et implantation physique, puis de les stocker en tant qu'éléments de bibliothèques réutilisables à foison.

Autre raffinement, l'intégration des données de conception relatives aux circuits intégrés de type FPGA (Field Programmable Gate Array : des composants souvent au coeur des gros designs) gagne elle aussi du terrain. Il s'agit ici de faire en sorte que les concepteurs du réseau programmable et ceux de la carte puissent partager les informations clés du projet (celles relatives aux délais de propagation, par exemple) et faciliter d'autant l'intégration du composant actif dans son environnement physique.

5. PRENDRE EN COMPTE LES GROS "PAVÉS"

Complexes au plan fonctionnel, les FPGA sont en outre encombrants au plan mécanique. Comme d'ailleurs la plupart des composants conditionnés en boîtiers BGA (Ball Grid Array). Ce type d'encapsulation compte facilement jusqu'à 500 ou 1 000 entrées/sorties, et on s'attend à ce qu'il y en ait cinq fois plus dans les années à venir... Un problème de taille pour le logiciel chargé de définir le routage de tous les signaux concernés. Le moindre changement d'implantation sur ce type de pavé et c'est une myriade de lignes et de pastilles qu'il faut aussi déplacer en respectant bien entendu les contraintes électromécaniques qu'on s'est fixées à l'avance. Tous les logiciels ne sachant pas effectuer ce travail dans de bonnes conditions, la capacité à le traiter s'avère en pratique plus discriminante que le nombre de couches ou les dimensions gérables par le programme.

6. ROUTER EN TOUTE LIBERTÉ...

Toujours clairement spécifiées dans les documentations, ces dernières caractéristiques se révèlent en effet presque toujours supérieures aux besoins réels des designers. La densité de composants sur la carte, en revanche, peut constituer une vraie difficulté en cours de design. Outre les bien pratiques fonctions de placement automatique, les atouts techniques les plus précieux dans ce cas de figure sont d'une part la capacité à router "hors grille", c'est-à-dire en un endroit quelconque de la carte, et d'autre part à autoriser les changements de direction autres qu'à 90°, ce qui a longtemps été la norme. Plus précisément, le routage à 45° est aujourd'hui devenu un must, l'angle quelconque étant également proposé.

7. VISUALISER EN 3D

Plus rare malheureusement, la visualisation 3D est elle aussi d'une grande utilité en pratique. Dans l'entrée de gamme "performante", on la trouve notamment chez le coréen CSI EDA (distribué par CapCad) avec l'outil Wind3DView. Principal intérêt : la vérification des "interférences" entre la structure mécanique et les composants électroniques placés sur la carte, cela grâce à l'export des données 3D dans un format de type DXF.

D'une façon générale, le nombre et la variété des formats d'export sont d'ailleurs une caractéristique à prendre en considération au moment du choix d'un outil : DXF, on l'a vu, Gerber (c'est le "minimum standard"), mais aussi Drill (perçage) et ODB+ (format regroupant à peu près tous les aspects d'un circuit imprimé) sont les plus populaires à en juger d'après notre tableau récapitulatif.

Enfin, toujours au moment du choix, les différents services Internet offerts à l'utilisateur font eux aussi la différence d'un éditeur à l'autre. Il peut s'agir de formations en ligne mais aussi de liens directs visant à faciliter la conception. Exemple type : la collecte d'informations sur les composants, à l'image de ce que propose Partminer. L'expérience montre qu'un designer peut en effet passer jusqu'à 30 % de son temps à rechercher ce type de renseignements...

TRAVAIL COLLABORATIFUNE NÉCESSITÉ POUR LES GRANDS PROJETS

S'il est une différence entre un logiciel d'entrée de gamme et un outil nettement plus cher, ce n'est pas tant la complexité (nombre de composants, nombre de couches, nombre de broches...) du circuit qu'il est possible de concevoir, que les possibilités offertes en matière de travail collaboratif : nulles pour un produit à 5 000 euros, intéressantes à partir de 25 000 euros. « Lorsque le client se limite à un seul site, le choix peut se porter sur notre offre Expedition (15 000 à 50 000 euros) en association avec le module Team PCB (10 000 euros de plus), indique ainsi Stéphane Rousseau, directeur marketing de Mentor Graphics Europe pour la CAO de cartes. S'il s'agit d'équiper plusieurs sites éloignés, alors c'est Board Station (50 000 à 100 000 euros) qu'il faut choisir. » Le budget n'est certes pas le même, mais la compatibilité ascendante et l'évolutivité des différents produits (même à partir de Pads, tarifé aux environs de 4 000 euros) sont garanties par le fournisseur.

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