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高速PCB设计行业发展前景及EDA软件工具深度解析

2019-01-21 16:15发布 PCB设计EDA工具
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个人简介

卢永利

汉普电子 PCB设计中心-技术总监

IPC设计师理事会中国分会-理事

IPC中国第二届PCB设计大赛-季军

IPC中国第五届PCB设计大赛-评委

IPC国际电子工业联接协会认证-CID设计师

拥有十几年的高速PCB设计与SI/PI仿真经验,精通Cadence AllegroMentor EE、PADS-Power PCB;以及Sigrity、HyperLynx、HFSS、ADS等多种高速PCB设计与仿真分析工具,同时精通PCB DFM工程、工艺、材料与制造技术。

多次荣获汉普公司优秀员工、优秀质量奖、优秀团队管理者、优秀培训导师等称号。专注于PCB设计研发团队管理、高速PCB互联技术研究、工程与制造质量提升、设计规则规范优化、企业人才培育等工作。

长期带领公司设计团队攻关军工、航天、航空、通信、工控、医疗、芯片测试等领域的高精尖PCB设计与仿真分析任务,例如:天河一号超级计算机、雷达与导航测控设备、大型数字工控机、商用服务器、FPGA数据加速卡、100G高速骨干网交换机等等……
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近期,深圳市汉普电子技术开发有限公司(简称“汉普电子”) PCB设计中心技术总监 - 卢永利先生接受国内知名电子媒体“电子发烧友”的采访,就PCB设计市场趋势、PCB设计与EDA仿真工具、高速PCB设计的要点和挑战、团队管理及PCB设计工程师发展前景等各事项分享了自己的看法。以下为详细的访谈内容:

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1. 您如何看待未来三年PCB设计市场会有上量需求趋势?

随着中国制造2025计划的快速推进以及工业4.0概念的流行,当今世界正逐渐从信息化时代步入万物互联的智能化时代,各种传统行业都在进行智能化升级,包括工业电子、汽车电子以及军工电子领域都表现出迅猛的发展势头。同时大众消费者对于终端电子产品的功能需求也越来越丰富,不仅是传统电子产业在蓬勃发展,还涌现出大量的新兴产业,如人工智能、智慧家居、智能穿戴等等,可以说电子化是未来世界发展的必然趋势。

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而说到电子产品就离不开半导体芯片、电子元器件以及PCB电路板,作为绝大部分电子产品基础载体的PCB电路板行业也变的越来越重要。包括原材料的研发生产、PCB的研发设计、以及电路板生产制造等相关领域,都将作为未来电子产业发展的重要基础而存在,所以说整个PCB行业在未来相当长一段时间内的发展前景都是非常值得期待的。
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2. Cadence、Mentor、PADS、HyperLynx、HFSS、ADS等多种PCB设计与EDA仿真工具,您最看好哪种?

评价EDA设计工具的优劣是个比较有争议的话题,很难得出一个权威的结论。因为每一种工具都有其自身的特点,对应不同的行业领域。不同的行业对电子开发工具的需求差别是很大的。所以与其说最看好哪一种,不如说自己更适合哪一种,或者说更需要哪一种工具。在这里仅以我个人使用经验来简单分享一下自己的心得体会。

PADS(Power PCB)是Mentor公司一款优秀的PCB设计工具,其优势在于入门学习简单,使用方便灵活,设计流程简洁明了,工作效率较高,原理图与PCB的交互操作性好等等…… 这个工具在中小型企业应用普及度是相当高的。其适用领域非常广泛,例如消费类产品设计、手机主板、工业产品设计等。我自己也非常喜欢这个工具平台。

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但是PADS这款工具也有一定的不足,比如主体设计环境PADS-Layout与布线工具PADS-Router是两个独立界面,使用时候需要频繁切换,集成度不是很好。另外当设计规模较大的时候,操作流畅度会有明显下降,从而影响工作效率,另外对于复杂设计规则支持不是很完善,一些复杂的设计规则没有办法用常规的功能设置来快速实现,这对于高端产品的设计效率影响明显。

Mentor EE(Expedition Enterprise)这个工具与PADS同属Mentor公司(其实PADS是被收养的,EE才是Mentor亲娃……),EE对于超大型设计项目、多人在线同步协作、团队作战来说绝对是攻坚利器,其PCB布线质量和效率非常优秀,同时Mentor工具的平台化、系统化管理完善而严谨,从前端原理图设计到后端工程制造都有对应的解决方案,这都是大型企业喜欢用Mentor的重要原因。

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不过从规范严谨的反面来看,就是其工具平台稍显复杂,一般需要专门的团队进行管理维护才能充分发挥其使用效率,这对于大型企业当然不是问题,但是对于一些专注于特定领域的公司来说,有时候平台管理的重要性要让位于产品开发进度与效率,所以这时候另一款Cadence公司的Allegro工具则会显得更加快捷与高效。

Cadence Allegro可以说是目前地球上最火的PCB设计工具,它的优点有很多,如软件操作界面友好,响应速度块,操作效率高,二次开发功能丰富,规则管理器功能完善,高速设计专属功能强悍等等。其对大型项目支持较好,不会因为设计规模加大而大幅度降低响应速度,用Allegro做几万Pin的设计项目基本不会有太大压力,所以对于通讯行业,商用服务器,以及工控、军工领域来说是很适用的。

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当然任何工具都不可能是完美无瑕的,Allegro本身也有一些不足,比如布线推挤功能相对较弱,但是好在其布线操作效率很高,在一定程度上弥补了推挤功能的弱势;另外随着设计复杂度的增加,地铜铺设层数增多以后,对铜箔处理的效率会明显变慢;还有就是软件升级换代导致高低版本的不兼容问题稍显麻烦等。另外正是因为这款工具功能非常强大,所以学习入门相对于PADS等工具来说要难一些。

AlTIum也是一款在国内比较流行的EDA工具,早期版本叫Protel,这个工具在国内应用较早,操作简单容易上手,用它来做简单的小项目设计非常方便,当年的Protel-99SE陪伴我们度过了多少个不眠之夜…… 这个工具就像是带我们入行的老朋友,伴随我们走过了早期的学习成长阶段。

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不过新版本的AlTIum软件对于资源消耗比较大,响应速度和操作效率偏低,并且核心的设计功能相比另外几款工具来说也基本没有优势,基于这些原因在高端项目开发团队中很少见到它。但是AlTIum也有一些比较特色的功能,比如3D显示效果很漂亮等,总体来说基于其操作简单、易于快速入门的特点,加上高校教学的推动,所以其在国内的普及程度还是很高的。

除了这几种软件之外还有几种PCB设计工具也简单列一下:

PADS Professional:这货除了名字之外跟PADS其实没有什么实质关系,其真身是Mentor EE的简化、低价版本,用于抢占中端设计软件市场的。

Eagle:一款来自德国的PCB设计工具,其特点是极低的价格,基础的功能甚至可以免费使用,这使其在PCB设计开发相对简单,并且版权意识和法规完善的地区拥有较高的使用率。

Zuken:一款来自日本的PCB设计工具,在国内的热度相比以上几种要低一些,在日系企业或者跟日资企业合作的公司中占有一定的使用率。

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以上说了这么多软件工具,你说哪个好呢?其实工具不分好坏,关键看使用者的需求,对工具的掌握的程度,以及能发挥出多少工具的效力。作为PCB设计工程师来说,选择设计工具的时候必须思考清楚是否适合自己所在领域,如果在入门阶段就追求学习高端复杂工具,反而会难以发挥其效力,学习的进度也难以达到预期。

除了基本的PCB设计工具之外,基本上每一款PCB设计平台都对应有其原理图设计工具,例如Protel-SCH,PADS- Power logic,DxDesigner,Concept HDL,ORCAD等等,基本上也是各有特色,这个就看设计师的个人习惯和平台需求来选择了。同时Mentor和Cadence公司都还有系列的电子开发工具平台,例如IC设计,FPGA设计等等,这些由于不属于PCB设计领域所以我们暂时不做展开讨论。

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上面讲的都是PCB设计方面的软件,我们下面说说仿真工具:HyperLynx、HFSS、ADS这几个属于信号仿真分析类的,主要在应用于高速信号完整性仿真领域。

HyperLynx(同属Mentor旗下)比较适合于快速的DDR并行信号仿真分析,其操作简单快捷,使用效率高,是一款非常流行的2D/2.5D信号完整性分析工具,同时其PI仿真分析也是非常高效快捷的,所以使用它来做SI/PI仿真的普及率是比较高的,但是其缺点是其3D方面的分析能力相比其他两款工具来说相对较弱一些。

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HFSS俗称“海飞丝”,是一款3D电磁仿真分析工具,其功能非常的强大而广泛,在PCB领域使用的只是其中的一部分应用,主要用于3D结构的建模分析,S参数提取优化设计,比如过孔,连接器,阻容封装,阻抗线的优化等等。在高速串行信号设计领域,是用来做局部参数优化的不可缺少的重要工具之一。

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ADS(Advanced Design System)也同样是一款功能强大的仿真分析工具,应用领域也非常广泛,比如射频、微波、通信系统分析等,在PCB设计领域常用于对高速信号的有源仿真,可以对高速信号通道进行定量分析,同时还可以进行TDR阻抗分析、插入损耗、回波损耗分析等等很多应用,也是做高速设计与仿真的必备工具。

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另外重点介绍一家我们国内的EDA设计和仿真软件公司:苏州芯禾

芯禾科技的EDA软件涵盖面是比较广泛的,覆盖了从芯片、封装到板级系统的半导体产业链的多个环节。针对系统设计,芯禾的Expert系列软件能提供过孔、传输线、线缆甚至全通道的精确建模仿真,以及S参数分析、通道分析、串扰分析、TDR分析、眼图分析等。另外两个极具特色的产品系列是针对射频芯片设计和验证的IRIS系列软件、以及针对3D高速系统建模和三维芯片封装3DIC微系统仿真建模的HERMES系列软件。

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目前像华为、中兴、展讯、海思、华三、联想、富士康、广达、思科、安费诺、英特尔等都有在使用芯禾的EDA的工具。我们还是要对国产软件保持信心,只有国内自行开发的软件工具才能掌握技术核心产权和专利,才能避免被国外厂家卡脖子。再加上本土优势,在技术支持和服务响应方面肯定会更加顺畅和高效。感兴趣的朋友可以去申请一个免费试用版本,还是很方便的。

综合对以上各种设计工具的分析我们可以发现,相比工具来说,更重要的是设计师的技术、思维、理念,以及持续学习的能力。因为任何的设计开发工具总是在不断的更新换代,我们不能以自己掌握了某一款工具而作为执业的资本,而是要掌握清晰、准确、高效、严谨的设计技术理念和思维方式,并持续的自我学习提升,这才是对于一个高水平设计师的核心要求。
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3. 您拥有十几年高密度PCB设计、SI/PI仿真以及PCB工程制造经验,到目前为止给您留下最深印象的是哪一个项目,谈谈印象深刻的缘由。

从入行到现在,这十几年中做过的项目非常多,直接与间接参与的项目少说也有几千个,其实在每一次的技术革新进程中,都会出现一批很有挑战性的项目,例如DDR内存历次的更新换代所推动的核心系统设计技术升级,高速串行信号从5G、10G、28G、56Gbps的更新过程所推动的高速网络通讯等产品的产业升级等等。

要说这其中印象最为深刻的,应该是前些年10G高速背板普及过程中的一批产品,当时正处于高速串行信号产业升级换代的关键节点,很多新产品都是采用的全新技术和系统设计,不管是对于SI仿真、PI仿真、还是高速PCB设计等环节都具有非常大的挑战。

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其中最具代表性的应数我国的天河一号超级计算机的系统设计项目,该机型曾连续稳居世界超算第一名多年,为了完成该项目的系统设计,汉普在SI仿真分析和PCB设计与制造环节都做出了大量的投入,通过与客户的紧密合作,以及PCB制造单位的协同技术攻关,最终顺利完成了研发设计,整个系统设计开发与制造调试一次成功,为我国的超算事业发展做出了突出的贡献。

类似的典型技术突破项目还有很多,例如在近些年,汉普陆续完成了100G高速骨干网通讯产品,ATE半导体测试领域,现代大型医疗检测设备、军工舰船、航空航天等领域,以及大数据中心,商用服务器,高速数据加速卡等等系列高端产品的设计开发。可以说每一款产品都代表了特定行业中的技术标杆地位。
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4. 能否介绍一下高速PCB设计的核心关键要点及高速设计的来龙去脉。

其实高速PCB设计这项工作需要面对相当多不同的产品方向,虽然一些基础技术是具有通用性的,但是仍然有很多行业特有的技术差别,因为每一个领域的设计核心需求都是不同的。例如消费类产品突出的是性能价格比;相反军事、工业领域要求的则是绝对的可靠性;而数据与通讯领域要求的是极致的产品性能…… 这都对设计规则与技术研发方向提出了截然不同的要求。

如果说相对通用的高速PCB设计核心关键要点,我觉得一定要注意以下几个方面:

1:首先是电源电路的设计,电源是一个电子产品稳定工作的基础,虽然大多数时候电源设计的技术挑战性并不是最大的,但是一旦出现了运行稳定性的问题,很多时候其实是跟电源有关的。

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电源设计的重点主要在于电源模块的功能设计优化、转换效率提升,以及电源通道设计等,都必须遵循相应的技术指标和规则来进行,对于敏感电源或者电流很大的电源还需要结合PI仿真来提升直流压降与动态阻抗以及噪声方面的性能。

2:高速并行信号的设计,最常见就是DDR3,DDR4等电路,尤其对于Memory Down(板载内存条)设计这类方案,更需要特别注意,在严格执行原厂Layout Guide的同时,最好通过仿真分析来辅助优化布局布线设计,以确保高速信号的设计质量。

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其他类型的并行信号设计还有很多,一般按照相应的芯片设计规则要求控制好绝对长度与相对等长,同时做好过孔数量控制、信号跨分割、串扰方面的规则控制,就可以满足大部分设计要求。
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3:高速串行信号设计,近些年高速串行信号发展非常迅速,很多传统的并行总线接口都在逐渐被串行总线所替代,比如最典型的IDE并行硬盘数据接口,就被SATA串行数据接口所取代,相信未来高速串行信号的应用也会越来越广泛。

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目前最常见的PCIE高速通道,以及SATA、SAS、LVDS、USB3.0高速通道,以及高速光网络通道等,信号速度普遍都已提升到5G、8G、10G、28G甚至56Gbps的水平,所以必须严格按照相应的高速设计规则去进行设计,同时要做好信号完整性分析与优化工作,不然就会容易出现信号质量方面的问题。

4:其他还有很多需要注意的关键技术点,比如模拟信号设计,射频信号,数模混合,以及DFM,DFA,EMC方面的设计注意点等等,每一个方向都有一系列的规则要求,感兴趣的朋友可以做下深入学习研究,在此就不做展开了。

至于高速设计的来龙去脉,这个比较难用几句话说清楚。因为任何一个专业领域都有其一整套的工作流程与规则体系,这是一个很复杂的技术与管理的系统工程。想要对某个行业有深刻的理解,只有亲自进入这个行业并且摸爬滚打几年才能真正搞清楚。并且即使在同一个行业,但是身处不同的技术领域圈,也是同样存在很大差别的。

俗话说隔行如隔山,即使在同一个行业的特定领域工作了很多年,但是如果换到另一个领域有可能你以往的工作经验要完全清零。例如从低端消费品设计领域跳到军工、通讯产品设计领域,那以往的工作经验能发挥的可能非常有限的,因为设计规则与知识体系完全不同。这其实就是行业与圈子的差异,所以不只是行业的选择,注意圈子差别与选择其实更加重要。

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5. 在进行项目开发中,您的PCB设计团队是如何解从多个角度来解决技术挑战的?

解决高速PCB设计方面的技术挑战需要从多个方面入手,核心的技术要点上面已经提过不再重述,我在这里简单总结一下对应的解决手段:

1:SI高速信号完整性分析:用以分析信号完整性,并指导优化PCB设计

2:PI电源完整性分析:用以改善电源通道设计,优化去耦电容设计等

3:DFM可制造性分析:优化产品的生产制造工艺性能,降低成本提升品质

4:DFA分析:分析优化SMT贴片、维修、测试方面的性能,提高生产效率

5:EMC分析:重点优化EMI与ESD方面的性能,确保符合技术认证指标

6:其他分析:如采购成本,结构散热,寿命与可靠性等等优化
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6. 据从电子发烧友论坛调查,很多想要从事PCB设计工作的人都会遇到的一个困惑:PCB设计工程师有前途吗? 您如何看这个问题呢?

说到行业前途是个很有意思的话题,首选我们需要思考和定义一下:怎么样才算是有前途呢?按一般标准来说应该是看收入情况,那么月入三万的煎饼摊大妈算不算前途光明呢?还是月入万元的都市白领更有前途……?

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其实每一个行业的存在都有其价值和挑战。一个行业不可能适应所有人,因为每个人的兴趣爱好、基础能力、性格特点乃至身体条件都千差万别。我们必须找到适合自己的工作领域,最好是你喜欢做的,有兴趣的,因为这样你会更愿意为之不计得失的持续付出,而这恰恰是你能够有所成就的重要前提。

未来各个行业都会往细分专业化方向发展,尤其是电子信息产业,行业细分更加繁杂,如IC半导体,软件,硬件,制造,材料,管理等等成百上千的细分领域…… 同时未来各行各业的竞争也会越来越激烈,越是被人看好的高薪行业,竞争必然也会更加残酷。所以寄希望于进入一个有前途的行业,从而可以简单快速的取得成功显然是不现实的。

PCB设计工作是一个集合专业电子技术、制造工艺技术、设计与折衷艺术等等各种要求于一身的专业技术工种,是一个把电子产品从抽象的电路原理图变成看得见、摸得着的产品实物的一个非常关键的研发环节,并且随着近些年高速电路的普及应用显得越发的重要,在现代电子产品研发团队中是不可或缺的重要岗位。

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我个人参加工作时,首先进入PCB制造厂工程部学习了一年工程工艺技术,这为后来进入设计行业打下了重要的制造技术基础。随后进入汉普电子加入PCB设计行业,这一做就是十几年:早期是做PCB设计工程师,之后带领设计团队,后期又做了很多SI仿真、技术规范编制,以及公司人才培育等工作。

在这十几年间也迷茫过、也犹豫过,加过的班、吃过的苦、踩过的坑已不计其数…… 但唯一值得庆幸的是,我的目标始终没有动摇:就是做最好的自己,持续学习,持续积累和提升。因为我知道,不管你在任何行业工作,只有持续的努力学习、沉淀、并不断的突破极限与自我超越,才是取得成功的唯一路径。
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7. 国内EDA厂商怎样才能实现“质”的飞跃?

PCB设计或者说PCB EDA计算机辅助设计是一个比较专业的细分领域,在国内的普及应用目前也仅有二十年左右的时间,在EDA工具普及之前的行业发展的初期,还是采用纯手工制作线路加照相排版的设备,有点像照相馆那一套装备,以绘图板、预制线路贴纸、焊盘贴纸等材料和菲林暗房等设备为主进行PCB生产底片的设计制作。

不过在我入行的时候已经发展成EDA计算机辅助设计加激光光绘照排底片菲林的制程工艺,不用去学习照相馆那一套东西了~~ 当时主流的设计工具还是Protel99,Power-PCB等,Cadence和Mentor只是少数大公司在使用,主流的工程处理工具是DOS版的V2000和GC-CAM等,后期逐渐升级为Windows版Genesis2000,到目前为止Genesis2000仍是工程处理领域的主流工具。

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综合来看国内自主的EDA软件行业起步较晚,不过现在已经有多加厂商在奋起直追,例如上面提到的芯禾科技,就是国产EDA软件的优秀代表。未来随着行业持续发展,以服务支持、价格优势等因素的影响,相信国产EDA软件行业必将会大有可为。我们作为从业人员,应该持续保持支持国产的意识和信念,主动参与和推动国产EDA工具的应用和普及,以帮助国产EDA软件工具的快速发展和完善。

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8. 请问汉普最近有没有招人的计划呢?你们最看重应聘者的哪些方面呢

每一家公司的人员招聘和培养都是有相应的长期发展计划的,不同的岗位,不同的人才需求,对应的招聘方式也有所不同。汉普目前主要以校园招聘和社会招聘相结合的方式进行人才招收工作。

对于基础工作岗位,比如初级和中级工程师,一般以校园招聘加公司内部培养为主,一方面有充足的人力资源储备,另一方面企业可以按照自己的标准和需求对人才进行培养塑造,这对于人才质量的保证和长期的梯队建设来说非常重要。

另一方面从中高级人才和行业专家级人才来看,需要较多的行业经验积累与不同领域的经验涉猎,这类的人才一般内部提拔作为辅助手段,更多时候以社会招聘为主,尤其是一些大型企业的技术人才流动,是我们关注的重点人力资源渠道。

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从招聘要求的角度来看,对应聘者最看重的能力不外乎以下几点:

1:专业技术能力,这是从事特定行业和岗位所必须的基础能力?

2:职业精神,这个说起来比较宽泛,但却是一家企业对员工选择与去留最重要的参考依据,其具体体现有很多,例如:职场心态、责任心、价值观等等很多方面

3:沟通协作能力,当今社会职场很少有能够靠单打独斗来完成的事情,所以团队合作、沟通与协作能力,将会是职场发展的必备技能

4:持续学习能力,如前所述,电子产业的发展速度之快,让我们必须保持持续的学习提升,否则将很快被行业淘汰,所以持续、自主的学习能力也是对高素质人才很重要的一个要求(全文结束)。
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