번 우넥 멘토그래픽스 익스페디션 테크니컬 마케팅 엔지니어

자동 배선이 수작업 배선에 비해 갖는 주된 이점은 속도에 있다. 하지만 순수한 자동 배선에는 문제가 있다. 그 동안의 경험에 따르면 성공적인 배선 환경을 구현하기 위해서는 사용자 제어 능력과 품질 및 성능이 모두 요구된다. 대부분의 자동 라우터는 믿을 수 없을 만큼 빠르지만 결과물의 품질이 조악하다면 너무도 많은 편집이 요구된다. 

품질이 조악할 경우 배선 결과를 정리하는 데 드는 시간은 아예 처음부터 수작업으로 배선할 경우보다 더 걸릴 때도 있다. 멘토그래픽스(Mentor Graphics)의 스케치라우터(Sketch Router)는 대개 자동 배선에서나 가능한 성능을 디자이너에게 제공하면서도 사용자 제어 능력과 배선 품질까지 실현할 수 있게 해준다.

스케치 라우터(Sketch Router)가 수작업에 의한 배선보다 높은 성능을 달성할 수 있는 비결은 무엇일까?  이는 이스케이프 최적화(escape optimization)와 다중 넷라인 배선(multiple netline routing)이라는 두 가지 요소 덕분이다.


<글 : 번 우넥(Vern Wnek) 멘토그래픽스 익스페디션 테크니컬 마케팅 엔지니어>  
<자료제공 : 멘토그래픽스(www.mentor.com)>

[그림 1] 서로 뒤엉켜 있는 넷라인들로 인해 까다로운 배선 문제가 야기된다.

 이스케이프 최적화 

BGA와 대형 커넥터들 사이에는 수백개, 때로는 수천개의 넷라인들이 지나간다. BGA가 ASIC이거나 혹은 배선을 위해 핀 최적화가 이뤄지지 않은 FPGA일 경우에는 배선 문제가 매우 복잡해진다.

이는 서로 가로지르는 넷라인들의 양이 엄청나게 많기 때문이다. [그림1]에서 보듯이 한바탕 난장판이 연출되는 것이다. 디자인을 이처럼 수작업으로 배선할 경우 이러한 넷라인들이 서로를 가로막지 않도록 배선하는 방법을 찾기가 가장 어렵다.

수작업으로 배선할 경우 하나의 BGA로 시작해 배선들을 팬아웃으로부터 부품의 가장자리로 매우 질서정연한 방식으로 이스케이프 시킬 수 있다. 이들을 하나하나 추가해 나가거나 멀티프로우(MultiPlow)를 이용해 그룹 단위로 작업해 나갈 수 있다.

처음부터 각 레이어의 모든 채널들을 최적의 이스케이프 배선으로 채워나가기는 그다지 어렵지 않다. 문제는 타깃 부품(들)에 도달할 때 발생한다. 최적화 되지 않은 넷라인들을 가지고 BGA로 배선할 경우 커다란 문제가 발생하게 된다. 이 때 배선은 잘 정돈돼 있지만 넷라인들은 엉망이라고 밖에 말할 수 없는 방식으로 서로를 가로지르게 된다.

초기의 넷라인들을 BGA로 배선하기는 꽤 쉬운 편이지만 배선 작업이 늘어남에 따라 작업을 완료하기 위해서는 종잡을 수 없이 구불구불한 배선이 요구된다. 얼마 안가서 이처럼 구불구불 배선된 트레이스들이 다른 배선을 가로막아 새로운 트레이스를 위한 채널이 남아나지 않게 된다.

필자의 경험에 따르면 이러한 배선 중 30% 정도는 배선 결과를 취소하고 처음으로 돌아가 다른 방향으로 시작해야 한다. 그래야 타겟 핀이나 비아에까지 이르는 빈 채널을 찾아낼 수 있다.
이처럼 실패한 배선 경로를 재배선하는 일이 배선 작업의 속도를 떨어뜨리는 최대 요인이다. 

게다가 처음부터 다른 방향으로 재배선 한다고 해서 그 배선 작업이 반드시 완료되리라고 보장되는 것도 아니다. 이는 까다롭고 때로는 좌절감까지 안겨주는 작업이다. 배선 작업을 완료하기 위해서는 추가로 비아가 요구될 때도 많다. 물론 핀 스와핑이나 자동 핀 최적화 기능이 허용돼 적용된다면 라우팅 문제가 덜 까다로워질 수도 있다. 그러나 이런 식으로 배선 작업을 보다 직접적으로 만들기 위한 준비가 항상 가능한 것은 아니다.

스케치 라우터의 이스케이프 최적화는 어떻게 해서 그 같은 성능 차이를 가져오는 것일까? 일련의 넷라인들을 배선하려 할 경우 스케치라우터는 해당 넷라인들의 양 끝을 BGA나 커넥터(또는 다른 임의의 부품들)로부터 동시에 이스케이프 시키며 이들을 추가 비아 없이 배선 작업을 완료할 수 있는 방식으로 정돈한다.

이러한 접근방식은 엄청난 성능 차이를 가져온다. [그림2]를 보면 배선은 깔끔해 보이지만 비아 없는 배선을 위해 필요한 트레이스의 배치는 간단하지가 않다.

[그림2] 엉켜 있는 넷라인에 대한 스케치라우터의 이스케이프 최적화

다중 넷라인 배선

스케치 라우터에서 고성능을 실현하는 두 번째 측면은 이 제품이 하나에서 수백개에 이르는 넷라인들의 배선을 동시에 고려할 수 있다는 데 있다. 일례로 필자가 최근에 수행한 작업은 765개의 넷라인을 두개의 BGA 사이에 배선하는 것이었다.

필자는 6개의 레이어를 사용했는데 스케치 라우터는 다수의 서로 다른 스케치 경로를 이용해 650개의 넷라인을 18분 만에 배선했다. 

스케치 라우터는 사용될 때마다 선택된 모든 넷라인들을 배선하고자 시도한다. 이러한 시도가 실패해도 이들은 선택된 상태를 유지하며 스케치 라우터를 이용해 이들을 다음 레이어에 배선할 수 있다.

원한다면 이전의 스케치 경로를 재사용할 수도 있다. 이 배선 작업은 기존의 팬아웃 비아 말고는 다른 어떠한 비아도 추가로 사용하지 않고 달성됐다는 점에 유의하자. [그림3]은 이 같은 배선이 하나의 레이어상에 이뤄진 예를 보여 준다.

650개의 넷라인을 팬아웃 비아만을 이용해 6개의 레이어 상에 배선하는 데는 시간이 얼마나 걸릴까? 

[그림3] 스케치라우터를 이용헤 하나의 레이어에 151개의 넷라인을 배선하는 데 6.5분이 소요됐다.

 스케치 라우터가 대규모의 디지털 디자인에서 수작업으로 배선할 때에 비해 20배가 훨씬 넘는 속도로 배선하는 예는 수도 없이 많다. 하지만 모든 디자인들이 이런 종류는 아니다. 그래서 우리는 베타 고객들이 스케치 라우팅 기술을 자사의 디자인에 사용해본 뒤에 무엇을 기대하게 됐는지 물어봤다.

그에 대한 답변 중 ▲디자인에 따라 다르지만 다수의 BGA와 커다란 네트 그룹들이 있을 경우 50~60% 정도 빨라진다 ▲내 경우에는 35~40%가 가능하다고 생각한다 ▲전에는 배선하는 데만 이틀 반 내지 사흘이 걸리던 DDR3 배선 작업에 집중해 봤더니 대략 4시간 만에 완료할 수 있었다 등은 ‘전반적인 배선 작업이 얼마나 빨라지는 것으로 추산되는가?’라는 질문에 대한 답이다.

결론

본고를 통해 스케치라우터의 역량은 물론 이 제품이 배선 작업의 3가지 중요 영역인 제어, 품질 및 성능 문제를 어떻게 다루는 지에 대해서도 분명하게 알았을 것이다.

뛰어난 사용자 제어 능력, 품질 및 성능이야말로 엑스페디션 레이아웃(Xpedition Layout)의 스케치 라우팅 환경이 PCB 배선 분야에 커다란 혁신을 가져오도록 해주는 핵심 요소들인 것이다.

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