CCIX Interface PCB: Beherrschung der Herausforderungen hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte bei Server-PCBs für Rechenzentren

Im Zuge der künstlichen Intelligenz (KI), des maschinellen Lernens und der Big-Data-Analysen erleben moderne Rechenzentren eine beispiellose Leistungsrevolution. Die Geschwindigkeit und Effizienz des Datenaustauschs zwischen Recheneinheiten wie CPUs, GPUs, FPGAs und dedizierten ASICs sind zu kritischen Engpässen geworden, die die Gesamtleistung des Systems bestimmen. Um diese Barriere zu durchbrechen, sind Hochgeschwindigkeits-Verbindungsstandards wie CCIX (Cache Coherent Interconnect for Accelerators) entstanden. Die physische Grundlage, die all dies trägt – die CCIX-Schnittstellen-Leiterplatte – hat ebenfalls neue Höhen in Bezug auf Design- und Fertigungskomplexität erreicht. Dieser Artikel dient als Ihr technischer Leitfaden, der sich mit den zentralen Herausforderungen beim Bau von Hochleistungs-CCIX-Schnittstellen-Leiterplatten befasst und zeigt, wie HILPCB sein tiefgreifendes technisches Fachwissen einsetzt, um Kunden bei der Navigation in diesem komplexen Bereich zu unterstützen.

Was ist eine CCIX-Schnittstellen-Leiterplatte? Warum ist sie kritisch?

CCIX ist ein offenes Interconnect-Protokoll, das entwickelt wurde, um die Cache-kohärente Speicherfreigabe zwischen Prozessoren und Beschleunigern mit unterschiedlichen Befehlssatzarchitekturen zu ermöglichen. Einfach ausgedrückt, schafft es einen ultra-Hochgeschwindigkeits-, Niederlatenz-Datenkanal zwischen CPUs und Koprozessoren wie FPGAs/GPUs, wodurch die Effizienz des heterogenen Rechnens erheblich verbessert wird. Die CCIX Interface PCB ist die physische Leiterplatte, die dieses Protokoll implementiert. Sie ist nicht nur ein Träger zum Verbinden von Komponenten, sondern auch die kritische Infrastruktur, die eine verlustfreie und stabile Übertragung von Signalen mit 25 Gbit/s oder höheren Datenraten gewährleistet. Eine schlecht entworfene oder gefertigte Leiterplatte kann leicht zu Signaldämpfung, Intersymbolinterferenz und Systemabstürzen führen, wodurch die gesamte teure Hardwareinvestition wertlos wird. Ihre Bedeutung ist offensichtlich:

• Leistungsgarantie: Sie dient als "Autobahn" für Hochgeschwindigkeitssignale und bestimmt direkt, ob die CCIX-Verbindung ihre theoretische Bandbreite und niedrige Latenzziele erreichen kann.
• Grundlage der Systemstabilität: Exzellente Power Integrity (PI) und Wärmemanagement-Designs gewährleisten den zuverlässigen Betrieb von Servern unter 7x24 Hochlastbedingungen.
• Motor der technologischen Entwicklung: Ihre Designprinzipien stimmen mit aufkommenden Technologien wie CXL Interface PCB überein. Sie zu beherrschen bedeutet, den Kern zukünftiger Rechenzentrums-Verbindungstechnologien zu beherrschen.

Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität (SI): Der Eckpfeiler des CCIX Interface PCB Designs

Wenn Signalraten 25 Gbit/s erreichen, sind Kupferleiterbahnen auf einer Leiterplatte keine einfachen Drähte mehr, sondern komplexe Übertragungsleitungen. Jede Biegung, jedes Via und jeder Stecker beeinflusst das Signal erheblich. Die Gewährleistung der Signalintegrität (SI) ist die Hauptaufgabe des Designs der CCIX Interface PCB.

1. Differenzielle Paare und Impedanzkontrolle: CCIX-Signale werden über differentielle Paare übertragen, um Rauschstörungen zu widerstehen. Wir müssen die differentielle Impedanz präzise innerhalb einer engen Toleranz von 100 Ohm (oder 90 Ohm, je nach Spezifikation) ±7% kontrollieren. Dies erfordert präzise Berechnungen und eine genaue Steuerung des Herstellungsprozesses für Leiterbahnbreite, Abstand, Dielektrizitätskonstante (Dk) und Kupferdicke.

2. Einfügedämpfung und Materialauswahl: Die Signalenergie schwächt sich während der Übertragung ab, bekannt als Einfügedämpfung. Um Verluste zu minimieren, müssen ultraniedrigdämpfende Leiterplattenmaterialien wie Tachyon 100G oder Megtron 7 verwendet werden. Diese Materialien haben einen wesentlich geringeren Verlustfaktor (Df) als Standard-FR-4 und sind Standard für Hochgeschwindigkeits-SerDes-Leiterplatten-Designs.

3. Übersprechen und Routing-Strategien: Die elektromagnetische Feldkopplung zwischen benachbarten Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen kann Übersprechen verursachen und Signale verunreinigen. Die Optimierung des Leiterbahnabstands, die Verwendung von Stripline-Strukturen und die Planung einer robusten Masseabschirmung können Übersprechen effektiv unterdrücken.

4. Via-Optimierung: In Mehrschichtplatinen sind Vias für Signalübergänge zwischen Schichten unerlässlich, aber auch ein großer SI-Engpass. Via-Stubs können Signalreflexionen verursachen. Bei dickeren CCIX-Schnittstellen-Leiterplatten ist das Rückbohren zur Entfernung ungenutzter Stubs notwendig, um die Signalqualität zu gewährleisten. Professionelle SI-Analyse und -Simulation sind während der Entwurfsphase unerlässlich. Das Ingenieurteam von HILPCB verwendet fortschrittliche Simulationstools, um potenzielle SI-Probleme vor der Fertigung vorherzusagen und zu lösen und so den Erfolg beim ersten Versuch sicherzustellen.

Fortgeschrittenes Lagenaufbau-Design und Materialauswahl

Das Lagenaufbau-Design ist die Seele einer CCIX-Schnittstellen-Leiterplatte. Ein optimierter Lagenaufbau erreicht die beste Balance zwischen Signalintegrität, Stromversorgungs-Integrität und Herstellungskosten.

• Symmetrie und Balance: Um Verformungen während der Fertigung und Montage zu vermeiden, muss der Lagenaufbau symmetrisch bleiben.
• Signallagen und Referenzebenen: Hochgeschwindigkeitssignallagen sollten an vollständige Masse- (GND) oder Leistungsebenen (PWR) angrenzen, um Mikrostreifen- oder Streifenleiterstrukturen zu bilden. Streifenleiterstrukturen, die zwischen zwei Referenzebenen eingebettet sind, bieten eine bessere SI-Leistung und EMI-Abschirmung und sind die bevorzugte Wahl für Kernsignale.
• Präzise Materialcharakterisierung: Bei GHz-Frequenzen variieren die Dk/Df-Werte von Materialien mit der Frequenz. Genaue Materialeigenschaften sind die Grundlage von Simulationen. Manchmal werden spezielle Ringresonator-Leiterplatten-Testplatinen verwendet, um die elektrischen Parameter spezifischer Materialchargen bei Zielfrequenzen präzise zu messen und so die Konsistenz von Design und Produktion sicherzustellen.

Die Wahl der richtigen Materialien ist entscheidend. HILPCB bietet eine umfassende Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten-Materialbibliothek, einschließlich führender Marken wie Isola, Rogers und Panasonic (Megtron), um vielfältige Leistungs- und Kostenanforderungen zu erfüllen.

Power Integrity (PI): Stabile "Treibstoffversorgung" für Hochgeschwindigkeitsverbindungen

Wenn SI die Signalqualität sicherstellt, liefert Power Integrity (PI) stabiles und sauberes "Blut" für das gesamte System. Hochgeschwindigkeits-SerDes-Transceiver sind extrem empfindlich gegenüber Stromversorgungsrauschen; selbst geringfügige Spannungsschwankungen können einen starken Anstieg der Bitfehlerraten (BER) verursachen.

• Niederimpedantes Stromversorgungsnetzwerk (PDN): Das Ziel des PDN ist es, einen niederimpedanten Strompfad für Chips über alle Frequenzen hinweg bereitzustellen. Dies wird durch eine ordnungsgemäße Planung der Strom-/Masseebenen, breite Kupferflächen und optimierte VRM-Layouts (Spannungsreglermodul) erreicht.
• Entkopplungskondensator-Strategie: Das Platzieren zahlreicher Entkopplungskondensatoren in der Nähe der Chip-Stromanschlüsse ist entscheidend für die Rauschunterdrückung. Dies erfordert eine Anordnung von Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten und Gehäusen (von µF bis nF), um das gesamte Rauschspektrum von niedrigen bis hohen Frequenzen abzudecken.
• Vermeidung von Leistungsebenen-Splits: Referenzebenen unter Hochgeschwindigkeitssignalpfaden müssen intakt bleiben. Das Überqueren geteilter Referenzebenen zwingt Rückströme zu Umwegen, wodurch eine große Schleifenantenne entsteht, die schwerwiegende EMI- und SI-Probleme verursacht. Bei komplexen SerDes-Leiterplatten muss die Stromversorgungsplanung mit der Signalführung koordiniert werden.

Ein robustes PDN-Design stellt sicher, dass CCIX-Schnittstellen-Leiterplatten unter Volllast absolut stabil bleiben.

Präzises Wärmemanagement: Gewährleistung der langfristigen Zuverlässigkeit von CCIX-Schnittstellen

Hochleistungschips erzeugen während des Betriebs erhebliche Wärme. Wenn die Wärme nicht effektiv abgeführt werden kann, steigen die Chiptemperaturen, was zu Leistungseinbußen, einer verkürzten Lebensdauer oder sogar dauerhaften Schäden führt. Bei hochdichten CCIX-Schnittstellen-Leiterplatten ist das Wärmemanagement eine systemische technische Herausforderung.

• Thermische Vias: Anordnungen von thermischen Vias werden unter wärmeerzeugenden Komponenten (z. B. SerDes-Chips, VRMs) platziert, um die Wärme schnell zu großen internen Masse- oder Leistungsschichten oder zur Rückseite der Platine zu leiten.
• Dicke Kupferschichten und Wärmeverteilerschichten: Die Verwendung von 3oz oder dickerem Kupfer in Leistungs- und Masseschichten verbessert die laterale Wärmeleitung der Leiterplatte erheblich und verteilt die Wärme von Hotspots gleichmäßig.
• Materialien mit hohem Tg-Wert: Die Auswahl von Materialien mit hohen Glasübergangstemperaturen (Tg) (z.B. Tg170°C oder Tg180°C) gewährleistet, dass die Leiterplatte unter Hochtemperatur-Betriebsbedingungen mechanische und elektrische Stabilität beibehält.
• Thermische Simulation: Die Durchführung thermischer Simulationen während der Entwurfsphase prognostiziert die Temperaturverteilung, identifiziert potenzielle Hotspots und leitet die Optimierung von Kühllösungen an, wie z.B. die Anpassung von Komponentenlayouts oder das Hinzufügen von Kupfer-Wärmeverteilern.

Von CXL zu CCIX: Die Entwicklung von Verbindungstechnologien und Überlegungen zum Leiterplattendesign

Die Technologie entwickelt sich ständig weiter. Nach CCIX wird das CXL-Protokoll (Compute Express Link) mit seiner breiteren Branchenunterstützung und seinem robusteren Funktionsumfang zum Mainstream für Rechenzentren der nächsten Generation. Ob für CCIX-Schnittstellen-Leiterplatten oder neuere CXL-Schnittstellen-Leiterplatten, die Anforderungen an die physikalische Schicht sind gemeinsam. Die Erfahrung im Design dieser Hochgeschwindigkeits-Interconnect-Leiterplatten ist übertragbar. Zum Beispiel können SI/PI- und Wärmemanagementlösungen, die für CCIX 25Gbps-Verbindungen entwickelt wurden, für CXL 32GT/s (PCIe 5.0-Rate) oder 64GT/s (PCIe 6.0-Rate) Verbindungen angepasst werden. Ob es sich um den Cache-kohärenten Datenverkehr von CCIX handelt oder um die Unterstützung der komplexen Speichersyntax von CXL.cache-Leiterplatten, die Präzision der Leiterplattenfertigungsprozesse, die Materialkonsistenz und die Anforderungen an die Signalintegrität sind äußerst streng.

Darüber hinaus müssen diese Hochgeschwindigkeitssignale letztendlich über Steckverbinder mit anderen Platinen oder Kabeln verbunden werden. Daher sind ein gut gestaltetes Pad und ein Fanout-Bereich für Hochgeschwindigkeits-Steckverbinder-Leiterplatten entscheidend, um die End-to-End-Verbindungsleistung zu gewährleisten.

Design for Manufacturability (DFM) und Zuverlässigkeitstests

Selbst das perfekteste Design ist nutzlos, wenn es nicht wirtschaftlich und zuverlässig hergestellt werden kann. HILPCB legt Wert auf DFM (Design for Manufacturability), um sicherzustellen, dass die Designs mit unseren fortschrittlichen Prozessfähigkeiten übereinstimmen.

• Feinleiterfähigkeiten: Wir können 3/3mil (Leiterbahnbreite/Abstand) oder feinere Leiterbahnen herstellen, um den Anforderungen an hochdichte Verdrahtung gerecht zu werden.
• Hochpräzise Lagenjustierung: Für Mehrlagen-PCBs mit 20+ Lagen ist eine präzise Lagen-zu-Lagen-Justierung entscheidend. Wir verwenden fortschrittliche Justierungstechniken, um zuverlässige Via-Verbindungen zu gewährleisten.
• Zuverlässigkeitsstandards: Unsere Produkte entsprechen den IPC-6012 Klasse 2 Standards und können auf Anfrage strengere IPC Klasse 3/A Standards erfüllen, um langfristige Stabilität in rauen Rechenzentrumsumgebungen zu gewährleisten.
• Umfassende Tests: Jede ausgelieferte CCIX Interface PCB wird strengen Tests unterzogen, einschließlich 100% AOI (Automatisierte Optische Inspektion) und elektrischen Leistungstests. Für Hochgeschwindigkeitsplatinen bieten wir auch TDR (Zeitbereichsreflektometrie) Impedanztests an, um eine präzise Impedanzkontrolle zu gewährleisten. Wir können sogar spezielle Ringresonator-PCB-Coupons für die Überwachung der Materialkonsistenz in der Serienproduktion entwerfen.

HILPCBs Kernvorteile bei der Herstellung von CCIX Interface PCBs

Als führender Anbieter von PCB-Lösungen bietet HILPCB End-to-End-Dienstleistungen vom Prototyping bis zur Massenproduktion an, insbesondere bei High-End CCIX Interface PCB-Anwendungen. Unsere Kernvorteile umfassen:

1. Tiefgreifendes technisches Fachwissen: Unser Ingenieurteam versteht die Herausforderungen des Designs von Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen zutiefst und bietet professionelle Beratung zu DFM, Materialauswahl und Lagenaufbau.
2. Erstklassige Fertigungsausrüstung: Wir investieren in branchenführende Laserdurchkontaktierung, Plasma-Desmear, hochpräzise Belichtung und automatisierte Galvaniklinien, um eine hochwertige Fertigung zu gewährleisten.
3. Umfangreicher Materialbestand: Wir pflegen enge Partnerschaften mit globalen Top-Laminatlieferanten und bevorraten verschiedene Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzmaterialien, um schnell auf unterschiedliche Projektanforderungen reagieren zu können, sei es für CXL.cache PCBs oder andere Hochgeschwindigkeits-Verbindungsplatinen.
4. Strenge Qualitätskontrolle: Von der Rohmaterialprüfung bis zum Endversand implementieren wir eine durchgängige Qualitätsüberwachung, um sicherzustellen, dass jede Leiterplatte die Kundenerwartungen erfüllt oder übertrifft.
5. Flexible Servicemodelle: Ob für schnelles Prototyping oder Großserienproduktion, wir bieten flexible und effiziente One-Stop-PCBA-Bestückungsdienste an, einschließlich Präzisionslöten für komplexe Hochgeschwindigkeits-Steckverbinder-Leiterplatten.

Fazit

Die CCIX-Interface-Leiterplatte ist eine kritische Komponente moderner Rechenzentren und Hochleistungsrechensysteme. Ihr Design und ihre Herstellung integrieren Hochgeschwindigkeitssignale, Stromversorgungs-Integrität, Wärmemanagement und Präzisionsfertigungsprozesse, was sie zu einer äußerst anspruchsvollen technischen Aufgabe macht. Von der Auswahl der richtigen Materialien mit extrem geringen Verlusten über die Durchführung präziser SI/PI-Co-Simulationen bis hin zur Sicherstellung einer zuverlässigen Fertigung und Prüfung ist jeder Schritt entscheidend.

Die Partnerschaft mit einem erfahrenen und technologisch fortschrittlichen Hersteller wie HILPCB ist der Schlüssel zum Erfolg Ihres Projekts. Wir sind nicht nur Ihr Hersteller, sondern auch Ihr technischer Berater, der sich verpflichtet hat, Ihnen bei der Bewältigung der schwierigsten Designherausforderungen zu helfen und Ihre innovativen Ideen in hochleistungsfähige, hochzuverlässige Produkte umzuwandeln. Wenn Sie Server der nächsten Generation, Beschleuniger oder andere Geräte entwickeln, die Hochgeschwindigkeitsverbindungen erfordern, kontaktieren Sie noch heute unser technisches Team, um gemeinsam außergewöhnliche CCIX-Interface-Leiterplatten zu entwickeln.