シリーズ全体を読む
この記事は、Quilterの物理法則に基づくレイアウト自動化を使い、NXP i.MX 8M Mini搭載コンピューターを再現した過程を詳しく紹介するシリーズの一部です。
私はSpaceXで宇宙飛行用の電子機器を設計するところからキャリアをスタートし、電離放射線の影響を専門にしていました。軌道上では高エネルギー粒子があらゆる回路に深刻な障害を引き起こす可能性があるため、すべての部品と基板を地上の放射線試験施設で試験する必要がありました。
問題はタイミングでした。完成したアビオニクス筐体を試験するのでは、多くの場合「手遅れ」だったのです。不合格になれば、打ち上げが遅れるリスクがありました。より賢明なのは、部品を早い段階で、つまり設計ライブラリに登録される前にスクリーニングすることでした。宇宙機には何千もの部品が使われるため、それは毎年何十枚もの専用テスト基板を設計することを意味していました。
これは航空宇宙分野に限った話ではありません。自動車、医療、半導体の企業も、環境試験や信頼性試験のために同様の基板を利用しています。特に難しい設計ではありませんが、時間がかかり、設計に数週間を要することも珍しくありません。
これが、Quilterを立ち上げたきっかけの一つでした。私たちの目標はPCB設計全般の自動化です。しかし、こうした基板から始めれば、Quilterが最も難しい基板に取り組めるようになるずっと前から、ハードウェア企業のスケジュールを大幅に短縮できることに気づいたのです。
それを実証するため、Ben JordanはFPGAとライブ可視化機能を備えた32センサーのアレイを独自に製作しました。これはまさにあらゆるR&Dチームが必要とする補助的なテスト用ハードウェアであり、Quilterなら数日ではなく数時間で生成できる種類のものです。
Ben Jordan CID+ スタッフ電気エンジニア
BenはEDA分野で20年以上の経験を持ち、そのうち16年間はAltiumに在籍していました。Quilterのスタッフ電気エンジニアとして、確実に動作しなければならない実際の基板を設計しています。
ボトルネックを生む設計
この基板は32個のMEMS加速度センサーを並列に評価するものです。これは、あらゆるハードウェアチームが作らなければならない、不可欠でありながら時間のかかる治具、立ち上げ用プラットフォーム、評価用ハーネスの一つです。
- I²C接続のデジタルコンパス付きMC3479加速度センサー×32
- ファブリック上でソフトRISC-Vコアを動作させるLattice MachXO2 FPGA
- 3つのスイッチングレギュレーターを備えたLinear Technology製電源管理IC
- JTAG統合のUSB 2.0（480 Mbps）
- SPI経由でリアルタイム可視化を行うTFTディスプレイ
- 100個近いバイパスコンデンサー
補助基板は、あらゆる現場でプログラムの足かせになっています。
- 数百万ドル規模の量産に踏み切る前にセンサーを試験するための治具
- 新しいシリコンを検証するための立ち上げ用基板
- 信頼性データを蓄積するための評価プラットフォーム
- サブシステム同士をつなぐインターコネクト基板
「2日間」のレイアウト作業が、チームの何週間もの待機と製品投入の遅れへと連鎖していきます。
Quilterでの設計
BenはQuilter向けの設計準備に約30分を費やしました。
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- USBコネクターと電源ジャック（基板端からのアクセスが必要）
- TFTディスプレイ用ヘッダー（ケーブル長の制約）
- LEDアレイとスイッチ（フロントパネルとの位置合わせ）
- 取り付け穴（筐体との適合性）
- 32個の加速度センサーのグリッド（比較のため向きを変えた4×8アレイ）
- Lattice MachXO2 FPGAとすべての周辺回路
- 3つのレギュレーターを備えたLinear Tech製電源管理IC
- 100個近いバイパスコンデンサー
- すべてのディスクリート部品と受動部品
- バルクコンデンサー
- 電源分配アーキテクチャ
彼が手作業で配置したのは部品全体の20%未満でした。それ以外のFPGA周辺回路、レギュレーター、100個近いバイパスコンデンサーはすべて未配置のまま残されました。Quilterはアレイの構造を認識し、試験の意図を保ったまま、残りを最適化しました。
2時間後
Quilterは完成した候補を複数生成しました。Benが選んだのは、積層プレスが1回で済む6層版です。最も安価でも最も見栄えが良いわけでもありませんでしたが、最も実用的でした。
- 積層プレス1回＝短納期かつ低コスト
- 信号層の間に途切れのないプレーン＝本質的に優れたシグナルインテグリティ
- 幅広い製造業者に対応
- すべての物理的制約を検証済み
「人間のアーティストなら、手配線したように見えないと文句を言うかもしれません。私はそんなことは気にしません。大事なのは、それが動作し、次の作業に進めることです。」— Ben Jordan
後処理はビアステッチングの高密度化とシルクスクリーンの整理程度で、作業時間は1時間未満でした。
ガーバーデータから動作するハードウェアへ
5枚の基板を海外で製造・実装しました。6層、キャップ付きビアです。デバッグのために犠牲にした1枚を除き、すべての基板が起動して連続稼働し、クリーンな評価データを生成しました。コストを抑えるため海外で実装しましたが、国内のクイックターン製造業者でも、この基板なら数日で問題なく仕上げられたでしょう。
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- 5枚の基板を海外で製造・実装
- 6層、樹脂充填およびキャップ付きビア
- 総コスト：600ドル未満
- 製造保留や問い合わせはゼロ
ディスプレイを接続してファームウェアを書き込むと、システム全体が動き出します。FPGAがSPI経由でTFTコントローラーを初期化し、レジスタの読み出しを確認して、画面をリアルタイムに更新します。ロジックアナライザーでタイミングとコマンドシーケンスが正しいことも確認でき、ハードウェア、ファームウェア、配線のすべてが設計どおりに動作していることが証明されました。基板は電源が入ると、測定し、通信し、センサーデータをリアルタイムに可視化します。
寄り道
回路図のミスが1つ見逃されていました。レギュレーターのピンがグランドに接続されず、フローティングのままになっていたのです。Quilterは回路図を忠実に実装していました。
- Dremelとマイクロドリルビットで基板に穴あけ
- 顕微鏡を使ったはんだ付け
- 19番ピンからグランドプレーンへ髪の毛ほどの細いワイヤーを配線
- 1枚は原因究明のために犠牲に
- 4枚の改修に成功
学び
この基板は2025年1月に製作したものです。私たちはそこから多くの教訓を得て、Quilterを改良してきました。
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私たちにとって最大の教訓は、特に高密度な設計において、バイパスコンデンサーの配置にもっと注意を払うことでした。配置可能な領域の表現を大幅に改善し、中核となる最適化アルゴリズムも改良した結果、非常にスペースの限られた設計でも、バイパスコンデンサーを優れた近接性で配置できるようになりました。例として、以下のRP2040の設計では、バイパスコンデンサーの関連付けが紫色で示されています。
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もう一つの重要な取り組みは、電源分配の改善でした。このセンサーアレイを製作した当時は、電源を太いトレースで配線していただけでした。しかし、より良い方法は、はるかに大きな電源ポリゴンを使ってインダクタンスを最小化することです。そこでQuilterは現在、専用の電源プレーンを作成するだけでなく、電源ネット用のポリゴンも作成できるようになりました。
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時間の相乗効果
Altiumを知り尽くしたBenのようなプロの設計者であれば、この基板をわずか2日ほどで設計できたでしょう。しかし、SpaceXでの私自身の経験から言うと、そのレベルのプロがこうしたプロジェクトに割ける時間はめったにありません。実際には、PCBレイアウトチームはフライトクリティカルな設計で手一杯のため、この負担は回路図設計者やテストエンジニアにのしかかります。彼らにとってレイアウトは通常、本業ではありません。その結果、こうした基板は2日程度では済まず、1週間かかってしまうのです。
Benはレイアウトに時間を費やす代わりに、この基板を立ち上げて動作させるために必要な、それ以外のすべての作業に集中できました。
- FPGA用HDL：32本のI²Cバスと同時にやり取りするカスタムロジック
- RISC-Vの実装：FPGAファブリック上で動作するソフトプロセッサー
- ベアメタルドライバー：最大限の性能を引き出すハードウェアの直接制御
- ディスプレイコントローラー：リアルタイム可視化を行う40 MHzのSPIインターフェース
- 機構設計：Fusion 360で設計した3Dプリント可能な筐体
- 保護機構：TFTの破損を防ぐ頑丈なブラケット
「ファームウェア開発に取りかかることができました……正直なところ、そちらのほうがずっと時間がかかったんです。」
これこそが重要な気づきです。本当に難しい問題はトレースの配線ではなく、システムを動かすことにあります。ベンダーのドキュメントを読み込むこと。FPGAのタイミングを理解すること。堅牢なドライバーを作ること。実際に製品を出荷へと導くのは、こうした作業なのです。
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