沒(méi)什么能比具有爭(zhēng)議性的問(wèn)題更能激發(fā)各種觀點(diǎn)和討論。
了解電路板布線專(zhuān)業(yè)人員的未來(lái)本身就是一個(gè)重要的問(wèn)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(shuō)起熵的概念總是讓人心煩意亂。
請(qǐng)注意問(wèn)題里面說(shuō)的是“專(zhuān)業(yè)人員”，而且要明確的是，這關(guān)系到對(duì)本專(zhuān)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(zhuān)家級(jí)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展，特別是那些專(zhuān)門(mén)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(hù)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(zhuān)業(yè)人員的未來(lái)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(méi)有什么兩樣。
然而，當(dāng)你退后一步，用更加宏觀的視角來(lái)審視這些變革的時(shí)候，就會(huì)覺(jué)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(guò)局限在 PCB 上的觀點(diǎn)來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)看，這可提高設(shè)計(jì)復(fù)雜性。不過(guò)從更加全面的視角來(lái)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(shuō)，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(guò)程是可以變化的，在該環(huán)境下甚至可通過(guò)移動(dòng) FPGA 可編程結(jié)構(gòu)中有問(wèn)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(kāi)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(zhuān)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(lái)，現(xiàn)在就可通過(guò)編程來(lái)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(guò)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(lái)決定。未來(lái)“電路”板可能會(huì)在 MCAD 空間中輕松地進(jìn)行設(shè)計(jì)。
未來(lái)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(zhuān)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)設(shè)計(jì)（獨(dú)特 IP）的核心部分。
總的來(lái)說(shuō)，隨著設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的相互滲透與融合，高度專(zhuān)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(zhuān)業(yè)人員的技能是高價(jià)值的，但再也不能作為電子開(kāi)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(lái)對(duì)待并覺(jué)得這個(gè)領(lǐng)域應(yīng)該自成一派的專(zhuān)業(yè)從事 PCB 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員的未來(lái)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(kāi)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(guò)程的組成部分，而不應(yīng)自成一體。各個(gè)專(zhuān)業(yè)之間高效、透明的設(shè)計(jì)協(xié)作目前來(lái)說(shuō)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(guò)程中的陌生環(huán)節(jié)，從一開(kāi)始就要考慮最終用戶(hù)體驗(yàn)應(yīng)該是什么樣子的。
通向未來(lái)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(yǔ)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(jué)得不符合實(shí)際，不過(guò)，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(zhuān)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(lái)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(zhuān)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(lái)開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)發(fā)人員便可使用普通硬件設(shè)計(jì)技能來(lái)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(kāi)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(guò)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(guò)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(zhuān)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(wú)限光明的前景，其中包括那些現(xiàn)在正專(zhuān)門(mén)從事 PCB 設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)人士。不過(guò)，這個(gè)“不過(guò)”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(guò)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(zhuān)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(guò)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(zhuān)業(yè)人員的未來(lái)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(guò)二十年的豐富經(jīng)驗(yàn)。Rob Evans現(xiàn)任Altium Limited的技術(shù)編輯。