Почему запуск нового устройства часто превращается в сериал: ревизия №1, №2, а иногда и №4? Ответ, который редко звучит вслух, неудобен: во всём «виноват» тополог. А если быть более точным, системное недопонимание важности этой роли.

Просматривая вакансии, легко заметить паттерн. В большинстве компаний ищут «инженера-разработчика», который должен и схему нарисовать, плату развести, подготовить к производству и настроить. Либо же на позицию тополога сажают студента, считая это отличной идей. В современных проектах такое отношение почти всегда приводит к компромиссам, которые плачевно сказываются на сроках и работоспособности изделия.

Маленькая историческая справка

Исторически профессия тополога печатных плат не существовала как самостоятельная дисциплина. В ранней электронике середины XX века схемотехнику и разводку печатной платы выполнял один и тот же инженер. Платы были односторонними или двухсторонними максимум, фольгу наносили утюгом, а рабочие частоты были низкими. Печатная плата воспринималась как пассивный носитель соединений, который заменял соединение проводами, каждого компонента.

С ростом сложности устройств в 1970–1990-е годы ситуация изменилась. Появление многослойных плат, поверхностного монтажа (SMD), рост тактовых частот и плотности монтажа привели к тому, что физическая реализация начала напрямую влиять на работоспособность изделия. В этот период печатная плата из места, где компоненты просто как-то соединяются, превратилась в электрически значимую часть системы, а проектирование платы стало требовать отдельного набора знаний и умений, что привело к появлению специализированных стандартов и методик.

В 2000-е годы технологии начали двигаться все дальше и дальше. Высокоскоростные интерфейсы, BGA-корпуса, жёсткие требования по ЭМС, надёжности и производственной повторяемости сделали физическую реализацию одним из ключевых факторов успеха проекта. Именно в этот момент появляется профессия тополог. Он начал отвечать не за «перерисовку схемы», а за её физическую реализуемость: stackup, импеданс, питание, возвратные токи, DFM/DFA и взаимодействие с производством.

Таким образом, отделение роли тополога от роли схемотехника стало естественным следствием усложнения электроники и роста значения физических эффектов.

  • Схемотехник сегодня фокусируется на логике, преобразовании сигналов и выборе компонентов.

  • Тополог фокусируется на физике: волновом сопротивлении, возвратных токах, теплоотводе, свойствах диэлектриков и технологичности (DFM/DFA).

Так как профессия относительно новая, границы между решениями и задачами, принимаемыми схемотехником, и решениями, находящимися в зоне ответственности тополога, до сих пор не всегда чётко определены. В каждой компании эти границы выстроены по-своему, никаких устоявшихся правил профессия еще не сформировала.

Основные проблемы

После рассмотрения функций и зон ответственности схемотехника и тополога может показаться, что граница между ролями достаточно очевидна. Однако на практике именно на этом этапе и возникает наибольшее количество проблем и ошибок. Несмотря на формальное разделение обязанностей, в реальных проектах решения на стыке электрической цепи и физической реализации часто оказываются размыты, незафиксированы или принимаются интуитивно.

Это легко показать на примере, который знаком каждому топологу, когда схемотехник хочет не симметричный stack-up, рассчитав там свои фильтры, хотя это приведет к короблению и скручиванию платы.

Проблема восприятия или почему студент не спасет проект?

Одной из главных бед индустрии стало восприятие тополога как второсортной работы. Часто на это место сажают студентов или начинающих специалистов, считая, что «расставить кубики по схеме» сможет любой, так может и было лет 30 назад, но явно не сейчас.

В такой модели тополог превращается в «девочку на побегушках», которая выполняет все что ей скажут. Все ключевые решения принимает схемотехник, а тополог лишь механически переносит их на плату. В этом есть две главные проблемы:

  • Отсутствие инженерного фильтра. Когда тополог — лишь исполнитель, исчезает важнейший этап двойного контроля. Профессиональный тополог должен оспаривать решения схемотехника, если они вредят физической реализации. Простой пример, это «decoupling», с точки зрения схемы мы учитываем только паразитные параметры самого конденсатора, но с точки зрения физической реализации появляются дополнительные паразитные параметры, связанные с монтажом и расположением компонентов, без которых импеданс цепи питания будет превышать целевые показатели.

  • Деградация специализации. Если на позиции сидит человек, который не принимает всех решений, а спрашивает у других. Он не изучает глубоко технологию производства, современные материалы плат и физику процессов. В итоге мы получаем плату, которая идеальна по схеме, но не работает в реальности. Такой человек будет использовать более дорогие технологии и материалы, только потому что, не имеет должного понимания и перестраховывается.

Почему разделение ролей не работает на практике

Инерция и привычка. Многие опытные спецы привыкли делать всё сами и не хотят ничего менять. Но с ростом скоростей объем знаний становится огромным. Нельзя одинаково хорошо разбираться в схемотехнике и при этом знать все тонкости того, как ведут себя диэлектрики на высоких частотах или все технологические особенности каждого из производств.

На своем опыте знаю, что дай промоделировать схемотехнику линию передачи и получишь идеальный результат, а приходит плата и ничего не совпадает. Все это из-за отсутствия понимания процессов производства, что у любого процесса есть свои допуски и возможности без учета которых, можно и не думать о успешной реализации проекта. Самый простой пример, который отсеивает 90% схемотехников и еще столько же топологов: а какая шероховатость меди в вашем проекте? А какое расстояние между плетениями волокна? Коррелирует ли это как-то с выбор расстояния между дифф. парами в вашем проекте? Именно эти мелочи делают из проект, который ну как-то заработал, отчитаемся так, от такого который сразу и с легкостью проходит все испытания.

Отсутствие внятных требований. Часто схемотехник держит все ограничения в голове и не передает их топологу в виде четких правил. В итоге трассировка превращается в игру «угадай, что имел в виду автор». Это прямой путь к ошибкам в таймингах и перегреву компонентов.

В идеальном варианте, схемотехник заполнил все ограничения на задержки и максимальные длинны трасс, но дальше начинаются фразы в духе «Вот в том проекте работало, сделай так же». Открываешь проект и видишь простую тестовую плату на 4 слоя, а тебе надо это сделать на 16, с плотным монтажом, другими материалами, где будут совершенно другие процессы взаимодействия сигналов друг другом. И тут встает вопрос, повторить что? А вообще должен ли я выполнять эти требования или это моя зона ответственности?

Недооценка сложности. Разводку плат до сих пор многие считают чем-то вроде раскраски. Тополога зовут в проект слишком поздно, когда уже выбраны корпуса и габариты. А ведь именно он должен на старте сказать, влезет ли всё это в нужные слои и получится ли это вообще произвести.

Читая многие статьи и блоги людей, которые инженеры «полного цикла», замечаешь самые удивительные вещи, как они не понимают, зачем разделять обязанности, я же лучше все знаю, топологии нужны только чтобы разгрузить меня. И как неудивительно, я с ними согласен, но не все так просто.

Начнем с того, с чем я согласен, уровень специалиста тополога все еще очень низкий и иногда определяется опытом, причем чаще плачевным. К сожалению, найти тополога, который делает не по референсу или «золотым правилам», а по своим знаниям и который может объяснить свои решения, это вообще сказка. Во многих компаниях это просто конвейер однотипных решений, где тополог это звено большого механизма (привет Yadro). Зачастую это даже не плохо, но все больше похоже на детские переводы рисунков через кальку.

 А теперь к тому, с чем я не согласен. Проекты специалистов, которые не понимают разделения, заканчиваются на уровне небольших плат, с небольшим количеством интерфейсов, которые можно развести за пару недель, с не очень плотной компоновкой и использованием достаточно простых технологий.

Думаю, тут можно привести сравнение с тем, а можете ли вы сделать ремонт в квартире. Примерно каждый может повесить полку по видео на Ютубе, но сможете ли вы сами заменить всю сантехнику? Кто-то да, кто-то нет, но одно можно сказать точно, что вы потратите в разы больше денег и времени для реализации похожего качества, по сравнению с профессионалами.

Ложная экономия денег. Компании хотят сэкономить на штате, нанимая одного универсала или дешевого новичка. Но давайте посчитаем. Сколько стоит заказать новую партию сложных плат из восьми слоев? А срочный монтаж? А время инженера, который неделю будет сидеть и искать, почему плата глючит? А кто оплатит задержку по проекту? Обычно цена одной такой ошибки выше, чем зарплата профессионального тополога за пару месяцев, а то и за год.

Заключение

Так почему же проекты запускаются с третьего или четвертого раза? Потому что мы продолжаем относиться к разводке плат как к «раскраске» или техническому рисованию. Мы ждем от схемотехника-универсала невозможного: глубокого знания современной компонентной базы и одновременно экспертности в вопросах электродинамики, диэлектриков и нюансов работы заводов, особенно когда их десятки разных и у каждого свои требования и возможности.

Пока роль PCB дизайнера остается в серой зоне или считается работой для младшего персонала, итерации будут плодиться. В мире современных скоростей удача, на которую полагаются разработчики, работает всё реже (а скорее вовсе не работает). Пора признать, что один нормальный тополог в команде обходится дешевле, чем бесконечные переделки железа, которое не смогло пройти тесты.