Z historie CAD programů pro návrh desek plošných spojů

Myšlenka využití počítačů pro návrh desek plošných spojů je stejně stará jako samotné počítače. První použitelný návrhový systém se objevil koncem 60. let minulého století. Tehdy mladý anglický inženýr působící na univerzitě v Nairobi detailně rozpracoval celý postup návrhu DPS na počítači. Jelikož mu k praktickému provedení chyběly potřebné finanční prostředky, spojil se s velkou anglickou firmou Racal, která pro tento účel založila společnost Racal-Redac. Tato nová firma uvedla počátkem 70. let na trh první komerční systém pro návrh DPS. Vzhledem k jeho vysoké ceně (375 tisíc dolarů), byl prakticky neprodejný a byl nakonec pouze pronajímán.

V průběhu 70. let vzniklo několik dalších firem, které přinesly do návrhových systémů nové funkce a umožnily snížit cenu na přijatelnější úroveň. Nejvýznamnější z těchto firem byla zřejmě Scientific Calculations z USA s programem SciCards, který v aktualizovaných verzích přežil i 80. léta, byť průběžně měnil majitele. Programy tehdy běžely na sálových počítačích pod vlastními operačními systémy a byly dostupné jenom velkým, finančně silným firmám.

Začátek 80. let přinesl vznik dalších návrhových systémů, které již běžely na komerčních grafických stanicích, většinou Apollo nebo DEC. Tehdejší návrhové systémy byly produkty firem jako Racal-Redac, Computervision, Integraph, GE Calma, Cadnetix atd. Zatímco některé firmy se specializovaly na software pro návrh desek, jiné, např. Daisy Systems, Mentor Graphics a Valid Logic Systems přinesly do bouřlivě se rozvíjejícího oboru programy pro kreslení schémat a simulace. Návrhové systémy tak již mohly nabízet komplexní, automatizované řešení, a proto bylo už začátkem 80. let zřejmé, že návrh desek plošných spojů na počítači je realitou. To bylo v době, kdy všeobecné používání CAD programů v jiných oborech, jako např. strojírenství nebo stavebnictví, bylo teprve v plenkách a výkresy se většinou ještě kreslily na rýsovacích prknech.

Některé velké firmy, jako např. Hewlett-Packard, Intel nebo General Electric neztrácely čas a potřebné programy včetně hardwaru si vyvinuly samy.

Přes všechen pokrok, kterého se v té době dosáhlo, nebyl tehdejší návrh plošných spojů na počítači nijak snadnou záležitostí. Programy neměly zdaleka tolik možností jako dnešní systémy, práce s nimi byla pomalá, komplikovaná, chybějící funkce se musely těžkopádně obcházet. Návrhář byl nákladně školeným expertem a váženým pracovníkem, protože návrh desky na počítači byl zcela novým oborem a zkušených odborníků bylo málo. Tehdejší počítače, byť v podobě pracovních stanic s pevným diskem o kapacitě 80 MB, nebyly dostatečně výkonné ani rychlé pro náročné aplikace, jakou se návrh desek stal. Vždyť např. v systému firmy CALMA se načtení rozpracované desky dalo počítat v minutách, překreslení obrazu pak v desítkách vteřin. Generování výstupních dat desky byla pracná a zdlouhavá záležitost, protože se pro přenos dat používala děrná páska. Používaly se dva monitory – jeden na grafiku, druhý na příkazy a různá hlášení programu. Některé programy používaly pro zadávání pracovních příkazů malý tablet a vystačily si tak pouze s jedním monitorem pro zobrazení grafiky. Přestože již byly ceny softwaru podstatně nižší, zůstávalo kompletní vybavení návrhového pracoviště velmi drahou záležitostí. Kromě vlastního programu v hodnotě několika desítek tisíc dolarů bylo potřeba také pořídit neméně drahé počítače a velké monitory s dobrou grafikou.

Pro menší firmy nebylo jednoduché opatřit si potřebné vybavení, nicméně se také chtěly odpoutat od pracného ručního návrhu desky. Ten se zakládal většinou na lepení červené a modré pásky na průhledný podklad, který se následně ofotil přes filtry barev, aby se tak získal filmový podklad pro výrobu DPS. Jedním východiskem z nouze byla tzv. digitalizace ručně zhotoveného návrhu např. na digitalizační stanici PC-800 od firmy Gerber Scientific. Ta se sestávala z velkého digitalizačního tabletu, počítače a fotoplotru Gerber. Plošné spoje se kreslily na rýsovacím prkně pomocí barevných tužek v měřítku 4 : 1. Kresba byla velmi zjednodušená, u pájecích plošek se vyznačil hlavně jejich střed a spoje se kreslily jednoduchou čarou, protože důležité byly jen jejich rohy. Při digitalizaci se na tabletu snímaly polohy středů pájecích plošek a rohy spojů, přičemž se hned zadávaly potřebné rozměry a tvary ze zabudované tabulky hodnot. Vestavěný program potom automaticky generoval data pro připojený fotoplotr, tehdy ještě rastrový s clonkami.

K velkému rozšíření návrhových programů došlo až v polovině 80. let, kdy byl na trh uveden osobní počítač IBM PC-AT, který používal nový operační systém MS DOS od tehdy ještě neznámé firmy Microsoft. Vznikaly programy pro kreslení schémat jako např. Futurenet a návrh desky RedBoard (Racal-Redac), popularitu si získal i velmi jednoduchý smARTWORK. Tyto programy dokázaly praktickou použitelnost tehdy pomalých a nevýkonných osobních počítačů pro náročnější aplikace v elektronice. Následovala lavina nových programů a vznik nových firem specializovaných výhradně na návrhové systémy pro plošné spoje. Tak se objevily programy jako PCAD, EE-Designer, Schema, Ultiboard, OrCAD, Protel atd. PCAD byl v té době zřejmě jeden z nejlepších programů pro návrh desky, OrCAD zase pro kreslení schématu. Firma Racal-Redac neměla program potřebné úrovně pro osobní počítače, a proto rychle převedla svůj výkonný stanicový program na operační systém DOS. Tak vznikl další velmi výkonný návrhový systém CADSTAR. Ceny těchto programů se pohybovaly kolem 15 tisíc dolarů, což bylo pro mnoho zákazníků příliš mnoho. Toho využila firma CAD Software a přišla s modulovým programem PADS. Cena základního modulu byla méně než 1 tisíc dolarů, a tak se PADS stal rychle velmi rozšířeným. Od poloviny 80. let po dlouhou dobu udávaly programy PCAD, PADS a CADSTAR směr vývoje návrhových systémů pro osobní počítače.

Výkonné návrhové systémy pro pracovní stanice také nezůstávaly pozadu a zaznamenaly velký pokrok. V roce 1985 uvedla firma Mentor Graphics na trh systém BoardStation, který se používá dodnes a je tak zřejmě nejdéle existujícím výkonným návrhovým systémem. Také firma Racal-Redac měla svůj stanicový program Visula, který byl na tu dobu velmi pokročilý a zajímavý. Vždyť už tehdy jeho auto-interaktivní router dokázal automaticky odsouvat překážející spoje stranou a vyhýbat se překážkám v cestě. Některé softwarové firmy postupem času zanikly, jiné z různých důvodů neuspěly a jejich programy se nerozšířily podle očekávání, avšak jejich jména byla ještě po dlouhou dobu velmi dobře známá. Příkladem může být program Futurenet, který byl jedním z prvních programů pro kreslení schémat. Přestože se příliš nerozšířil, jeho typ netlistu se stal na dlouhou dobu de facto standardem. Málokdo si dnes pamatuje kreslení schématu od firmy Phase Three Logic. Přitom již v počátcích DOS programů uměl zobrazit na tehdejší malé obrazovce monitoru najednou dvě různé části stránky schématu a kreslit spoje mezi nimi prostým tažením kurzoru z jednoho okna do druhého.

Koncem 80. let se již návrh DPS prováděl téměř výhradně na počítačích. Programy se neustále zdokonalovaly a průběžně se objevovaly nové produkty.

V roce 1989 malá německá firma CadSoft Computer přišla s programem Eagle. Zpočátku pouze pro návrh desky, později i s vlastním schématem a autorouterem. Eagle byl solidně zpracovaný program s jednoduchým ovládáním. Navíc byl (a stále je) cenově dostupný nejen pro firmy, ale i soukromníky, a tak se velmi rychle rozšířil. Stal se příkladem dobrých, levných návrhových systémů a jeho výrobce se stal důkazem, že i malá firma může být v tomto oboru dlouhodobě úspěšná.

V průběhu 90. let se situace na trhu s návrhovými systémy ustálila. Některé programy postupně zanikly, jiné změnily majitele, celkový počet dodavatelů návrhových systémů se zúžil. Všechny programy už byly na solidní úrovni, umožňovaly kreslení schématu, návrh desky a měly i poměrně dobrý autorouter. Další inovace programů se zaměřily na speciální funkce jako je high-speed design, A/D simulace, návrh RF, SI analýzy atd. Takový vývoj je finančně velmi náročný, a tak se na špici nabídek udrželo jen několik málo programů od velkých firem jako jsou Cadance, Mentor Graphics a Zuken.

Podívejme se, co se v průběhu let stalo se známými návrhovými systémy a jejich výrobci:

OrCAD, jeden z nejznámějších programů, byl mnoho let určen pouze pro kreslení schémat. Teprve začátkem 90. let se dočkal i navazujícího návrhu desky. Stal se známým po celém světě a je jednou z nejvíce ceněných značek v oboru. OrCAD byl v roce 1999 koupen firmou Cadance Design Systems, která byla díky svému programu Allegro velmi dobře zavedena v oblasti návrhu DPS na pracovních stanicích, ale neměla v té době vhodný program pro osobní počítače.

PCAD byl již koncem 80. let prodán firmě Cadam, později pak IBM a Accel Technologies, aby nakonec skončil v Austrálii u firmy Altium (dříve Protel), která se zavedením nového programu Altium Designer existenci programu PCAD ukončila.

CADSTAR byl i s celou firmou Racal-Redac v polovině 90. let koupen japonskou společností Zuken. Tím se pod jméno Zuken dostal i program Visula, nejvýkonnější návrhový systém firmy Racal-Redac. Vedle svého vlastního výkonného systému CR 5000 firma Zuken i dnes pokračuje v prodeji programu CADSTAR.

PADS přešel kolem roku 2001 od firmy PADS Software (původně CAD Software) k firmě Innoveda, kterou následujícího roku koupila firma Mentor Graphics. PADS je spolu s programem CADSTAR nejstarším programem pro PC, který je na trhu nepřetržitě od roku 1985.

Eagle se stal díky svému velmi dobrému poměru cena/výkon oblíbeným po celém světě. Není jistě bez zajímavosti, že jeho cena se za 20 let prakticky nezměnila. V roce 2009 byl Eagle koupen firmou Farnell a výrobce programu CadSoft Computer se tak stal jeho dceřinou firmou.

Přesto, že většina programů pocházela z USA, postupně se objevovaly programy i z jiných částí světa. Příkladem může být např. Ultiboard od holandské firmy Ultimate (program je dnes vlastněný firmou National Instruments), EEDesigner a EDWIN od švédské firmy Visionics, Protel z Austrálie, Ranger a Pulsonix z Anglie a další.

Některé firmy měly natolik specifické požadavky na návrhový systém, že si jej raději vyvinuly samy. To byl příklad německé firmy SPEA – výrobce výkonných grafických karet. Ta pro sebe vyvinula návrhový systém TopCAD, který nakonec skončil u firmy Mentor Graphics pod názvem Integra (později nahrazen programem Expedition).

Přes všechen úspěch návrhových systémů běžících na osobních počítačích nebyly velké stanicové programy odsunuty stranou. Tím, že umožňují komplexní řešení v návrhu DPS, zabydlely se u velkých společností jako jsou Siemens, Nokia, Intel či IBM. Legendou se stal již zmíněný program BoardStation od Mentor Graphics, následován systémem Allegro od Cadance, který byl ovšem původně návrhovým systémem firmy Valid Logic Systems. Ještě v 80. a 90. letech bylo těchto programů více např. Prisma od firmy Callay, Vanguard od Teradyne, Visula od Racal-Redac, Scicards od Harris Scientific Calculations nebo Theda od německé firmy Incases (v polovině 90. let koupena firmou Zuken) atd.

O tom, jak může být někdy cesta návrhového systému spletitá, svědčí i následující příklad. Již počátkem 90. let byla firma Cadnetix velmi dobře zavedena ve světě EDA programů. Po několika letech se spojila s jinou známou firmou Daisy, aby společně dále pokračovaly pod názvem Dazix. Návrhový systém, který původně patřil Cadnetixu, se po zaniknutí Dazixu dostal k firmě Integraph a od ní pak ke společnosti Veribest. Ta ho pod tímto názvem nějakou dobu prodávala, až nakonec skončil u firmy Mentor Graphics v programu Expedition.

V současné době jsou největšími dodavateli návrhových systémů DPS americké firmy Cadance (Allegro, OrCAD) a Mentor Graphics (Board Station, Expedition a PADS) a japonský Zuken (CR 5000 a CADSTAR). Nejstarší z této trojky je Mentor Graphics, který se ve světě EDA pohybuje již více než 30 let. V posledních letech je velmi aktivní také firma Altium se svým programem Altium Designer.

Firma Cadance Design Systems, která se podobně jako Mentor Graphics zaměřuje na software pro návrh integrovaných obvodů, vznikla až koncem 80. let. K návrhovým systémům DPS se dostala spojením s firmou Automated Systems, která měla vlastní software Prance GT. V roce 1991 pohltila i veterána a předního dodavatele EDA systémů, firmu Valid Logic Systems s jejím programem Allegro. A roku 1999 pak převzala také OrCAD. Počtem zaměstnanců i obratem patří Cadance v současnosti k největším dodavatelům EDA softwaru. Pro návrh desek nabízí jak Allegro, tak i OrCAD. Není také bez zajímavosti, že jedním z původních zakladatelů a pozdějším ředitelem firmy Cadance byl Dr. Jiří Soukup, který později vedl i oddělení VLSI návrhu u AT&T.

Společnost Mentor Graphics byla založena roku 1981 skupinou lidí z firmy Tektronix, kteří se místo hardwaru rozhodli zaměřit na EDA software. Byl to právě Mentor, který podpořil Apollo Computers ve snaze rozšířit komerční pracovní stanice. Původní zaměření na software pro návrh integrovaných obvodů se postupně doplnilo i o systémy pro návrh DPS. Program BoardStation běžící na pracovních stanicích pochází z poloviny 80. let a velké firmy ho stále používají. Podobně jako Cadance, ani Mentor Graphics neměl software pro osobní počítače, a tak koupil postupně několik firem i s jejich programy (Spea/TopCAD, VeriBest/VeriBest a PADS/Innoveda). V dnešní době má Mentor Graphics více než 4 000 zaměstnanců a svým obratem se řadí k největším dodavatelům EDA softwaru. Pro návrh desek nabízí i nadále BoardStation, Expedition a PADS.

Na závěr je potřeba se zmínit i o českých návrhových systémech. Jejich historie sahá až do 70. let minulého století. Již tehdy vyvinul Ing. Michal Servít na FEL ČVUT návrhový systém SYSDEB pracující na počítači TESLA 200. Přestože nebyl v tehdejším Československu volný přístup k potřebným informacím ani součástkám, již počátkem 80. let byl k dispozici program Sauna, který běžel na minipočítačích. Byl určen spíše pro automatický než interaktivní návrh desky, takže práce s ním nebyla tak jednoduchá. S příchodem osobních počítačů se objevil jeho novější nástupce Sanops, který byl úspěšně nabízen ještě počátkem 90. let. Protože se v jeho vývoji nepokračovalo, program postupně zanikl. Na začátku 90. let vytvořili autoři programu Sanops ještě autorouter CS Router s možností napojení na různé návrhové systémy (např. na Eagle). Koncem 80. let se také začala historie dalšího programu LSD2000. Jeho pozdější verze pro Windows již byla založena na moderních principech návrhového systému a je uživatelům k dispozici i dnes. Z místních programů však největší obliby rozhodně dosáhl F. Mravenec resp. jeho nástupce Formica. Historie programu F. Mravenec sahá až do roku 1983, kdy byl v BASICu na stolním počítači HP 9845A vytvořen jeho předchůdce. Od roku 1986 již běžel na IBM-PC kompatibilních počítačích, i když veřejně dostupný byl až od roku 1988. V roce 1993 F. Mravence vystřídal jeho nástupce Formica. Tento program s téměř tisícovkou uživatelů je jeden z mála původních českých programů, který se i nadále na našem trhu dodává.

http://www.ema-eda.com

http://en.wikipedia.org

http://www.pcbwizards.com/cadprog.htm

http://www.formica.cz

ElektroniCAD, 1994