IPU-Leiterplatten: Bewältigung der Herausforderungen von Hochgeschwindigkeit und hoher Dichte bei Server-Leiterplatten für Rechenzentren

Mit dem explosionsartigen Wachstum von Cloud Computing, künstlicher Intelligenz und Big-Data-Anwendungen stehen moderne Rechenzentren vor beispiellosen Leistungsengpässen. Traditionelle CPU-zentrierte Architekturen haben Schwierigkeiten, massive Netzwerk-, Speicher- und Sicherheits-Workloads effizient zu verarbeiten. In diesem Zusammenhang hat sich die Infrastructure Processing Unit (IPU) als wichtiger Treiber in der Entwicklung von Rechenzentrumsarchitekturen etabliert. Die leistungsstarke Performance von IPUs stellt jedoch auch extreme Anforderungen an ihre Trägerplattform – die Leiterplatte (PCB). Eine IPU-Leiterplatte ist nicht nur eine Platine; sie ist ein technisches Meisterwerk, das Hochgeschwindigkeitssignale, massiven Stromverbrauch und extreme thermische Herausforderungen integriert.

Als führender Anbieter von Leiterplattenlösungen nutzt Highleap PCB Factory (HILPCB) sein tiefgreifendes Fachwissen in der Herstellung von Hochgeschwindigkeits- und Hochdichte-Leiterplatten, um globale Rechenzentrumskunden mit außergewöhnlichen Fertigungs- und Bestückungsdienstleistungen für IPU-Leiterplatten zu versorgen. Dieser Artikel befasst sich mit den zentralen technischen Herausforderungen von IPU-Leiterplatten und zeigt, wie die fortschrittlichen Prozesse und technischen Fähigkeiten von HILPCB Kunden dabei helfen, dieses komplexe Feld erfolgreich zu meistern.

Was ist eine IPU und ihr revolutionärer Einfluss auf das Leiterplattendesign?

Die IPU, manchmal auch als Data Processing Unit (DPU) oder SmartNIC bezeichnet, ist ein hochgradig programmierbarer Mehrkernprozessor. Ihre Kernaufgabe besteht darin, Infrastrukturaufgaben (wie virtualisierte Netzwerke, Speicherprotokolle und Sicherheitsrichtlinien) auszulagern, die traditionell von CPUs übernommen werden, wodurch wertvolle CPU-Ressourcen freigegeben werden, um sich auf die Ausführung von Anwendungen zu konzentrieren.

Diese architektonische Verschiebung hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Leiterplattendesign:

1. Massive Hochgeschwindigkeits-I/O-Schnittstellen: IPUs müssen gleichzeitig Datenströme von CPUs (über PCIe), Netzwerken (über Hochgeschwindigkeits-Ethernet) und Speichern (über NVMe-oF) verarbeiten. Dies bedeutet, dass IPU-Leiterplatten Ultra-Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen wie PCIe 5.0/6.0 und 100G/200G/400G Ethernet unterstützen müssen, mit Signalraten von 32 GT/s oder höher.
2. Enorme Leistungsdichte: Eine Hochleistungs-IPU kann den Stromverbrauch von 300 Watt leicht überschreiten, was weit über dem traditioneller Netzwerkkarten liegt. Dies erfordert ein außerordentlich robustes Stromversorgungsnetzwerk (PDN) auf der Leiterplatte, um eine stabile und saubere Stromversorgung unter hohen Stromlasten zu gewährleisten.
3. Beispiellose Routing-Dichte: IPUs verwenden typischerweise große Ball Grid Array (BGA)-Gehäuse mit Pin-Anzahlen im Tausenderbereich. Das Routen dieser Pins innerhalb des begrenzten Leiterplattenraums unter Einhaltung strenger Hochgeschwindigkeitssignalregeln erfordert fortschrittliche Technologien wie High-Density Interconnect (HDI). Diese Herausforderungen heben IPU-Leiterplatten gemeinsam an die Spitze der modernen Leiterplattenfertigungstechnologie, wobei die Design- und Fertigungskomplexität der von Server-Motherboards selbst ebenbürtig ist.

Wie begegnet die IPU-Leiterplatte beispiellosen Herausforderungen bei der Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität?

Signalintegrität (SI) ist der Eckpfeiler für die Gewährleistung einer genauen und fehlerfreien Datenübertragung in Hochgeschwindigkeitsverbindungen und eine der größten Herausforderungen im IPU-Leiterplattendesign. Wenn Signalraten zehn Gbps erreichen, können selbst kleinste physikalische Unvollkommenheiten Datenfehler oder sogar Systemausfälle verursachen.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, muss das IPU-Leiterplattendesign die folgenden Kernprinzipien einhalten:

• Anwendung von Materialien mit extrem geringem Verlust: Herkömmliche FR-4-Materialien weisen bei hohen Frequenzen übermäßige Verluste auf und können die Anforderungen nicht erfüllen. Designs müssen Materialien mit extrem geringem Verlust (z. B. Tachyon 100G) oder extrem niedrigem Verlust (z. B. Megtron 6/7/8) verwenden, um die Signaldämpfung zu minimieren.
• Extreme Präzision bei der Impedanzkontrolle: Hochgeschwindigkeits-Differenzpaare müssen die Impedanz innerhalb von ±5 % des Zielwerts (z. B. 85Ω, 90Ω oder 100Ω) halten. Dies erfordert von den Herstellern eine präzise Kontrolle der Kupferdicke, Dielektrikumdicke und Leiterbahnbreite. HILPCB erreicht branchenführende Impedanzkontrollgenauigkeit durch fortschrittliche Ätz- und Laminierungsprozesse.
• Fortschrittliches Via-Design und -Optimierung: Vias sind die Hauptursache für Signalpfad-Diskontinuitäten in Mehrlagenplatinen. Bei IPU-PCBs muss die Rückbohrtechnologie eingesetzt werden, um überschüssige Via-Stummel zu entfernen und dadurch Signalreflexionen zu reduzieren. Gleichzeitig sind optimierte Via-Pad- und Anti-Pad-Designs entscheidend, um Übersprechen zu minimieren.
• Übersprechen und Timing-Management: In dicht gerouteten Bereichen kann die elektromagnetische Kopplung zwischen benachbarten Signalleitungen Übersprechen induzieren. Designstrategien wie die Vergrößerung des Leiterbahn-Abstands, die Optimierung der Routing-Lagen und die Verwendung von Masse-Schutzleiterbahnen sind unerlässlich, um Übersprechen zu unterdrücken. Dies ist besonders wichtig, um die Verbindungsstabilität bei Low-Latency-Protokollen wie RoCE PCB (RDMA over Converged Ethernet) zu gewährleisten. Ob für aufkommende 50G-Ethernet-PCBs oder ausgereifte Lösungen, die Signalintegrität ist der Eckpfeiler der Leistung.

PCB-Angebot einholen

Warum ist ein fortschrittliches Stack-up-Design der Eckpfeiler des Erfolgs von IPU-PCBs?

Wenn Materialien das „Fleisch und Blut“ einer IPU-Leiterplatte sind, dann ist das Stack-up-Design ihr „Skelett“. Eine gut gestaltete Stack-up-Struktur ist die Voraussetzung für eine gute Signalintegrität, Power-Integrität und thermische Leistung. Für eine typische IPU-Leiterplatte mit 20 oder mehr Lagen ist ihr Stack-up-Design weitaus komplexer, als man sich vorstellen kann.

Wichtige Überlegungen umfassen:

• Enge Kopplung zwischen Signalschichten und Referenzebenen: Hochgeschwindigkeitssignalschichten müssen an eine vollständige, ununterbrochene Masse- (GND) oder Leistungsebene (PWR) angrenzen. Diese Mikrostreifen- oder Streifenleiterstruktur bietet einen klaren Rückweg, steuert effektiv die Impedanz und unterdrückt elektromagnetische Interferenzen (EMI).
• Strategische Anordnung von Strom- und Masseschichten: Die Paarung von Strom- und Masseschichten erzeugt einen natürlichen Parallelplattenkondensator, der einen niederohmigen Pfad für Hochfrequenzströme bietet, was entscheidend für die Verbesserung der Stromversorgungsstabilität ist.
• Symmetrischer und ausgewogener Lagenaufbau: Um ein Verziehen der Leiterplatte durch ungleichmäßige thermische Spannungen während der Herstellungs- und Montageprozesse zu verhindern, muss das Lagenaufbau-Design Symmetrie aufweisen. HILPCB-Ingenieure führen während der Entwurfsphase strenge Symmetrieprüfungen durch.
• Tiefgehende Anwendung der HDI-Technologie: Um die Fan-Out-Herausforderungen zu bewältigen, die durch die Tausenden von Pins des IPU-Chips entstehen, muss die HDI-Leiterplatten-Technologie eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Microvias (lasergebohrt) und vergrabenen Vias können hochdichte Verbindungen zwischen den Schichten erreicht werden, ohne die Leiterplattenfläche zu opfern, wodurch wertvoller Platz für die kritische Signalführung freigegeben wird. Diese Technologie ist gleichermaßen entscheidend für komplexe TOR-Switch-Leiterplatten.

Wie baut man ein robustes Power Delivery Network (PDN) für IPU-Chips mit Hunderten von Watt auf?

Die Versorgung eines IPU-Chips mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 300 Watt und einem Arbeitsstrom von über 200 Ampere ist der ultimative Test für die Stromversorgungsstabilität (PI). Ein schlecht konzipiertes PDN kann zu erheblichen Spannungsabfällen (IR-Drop) und Rauschen führen, was die stabile Funktion des IPU direkt beeinträchtigt.

Der Aufbau eines robusten PDN erfordert einen systematischen Ansatz:

1. Optimierte Anordnung von Mehrphasen-VRMs: Spannungsreglermodule (VRMs) sollten so nah wie möglich am IPU-Chip platziert werden, um Hochstrompfade zu verkürzen und Widerstand sowie Induktivität zu reduzieren.
2. Großflächige Strom- und Masseebenen: Die Verwendung mehrerer vollständiger Strom- und Masseebenen, zusammen mit Schwerkupfertechnologie, kann den Gleichstromwiderstand des PDN erheblich reduzieren.
3. Massives Entkopplungskondensator-Array: Hunderte von Entkopplungskondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitätswerten müssen dicht unter dem BGA-Bereich des IPU-Chips angeordnet werden. Diese Kondensatoren bilden ein umfassendes Filternetzwerk von niedrigen bis hohen Frequenzen und liefern sofortige Energienachschub bei transienten Lastwechseln.
4. Induktivitätsarmes Via-Design: Strom- und Masseverbindungen erfordern zahlreiche Vias, um verschiedene Schichten zu verbinden. Die Optimierung des Via-Designs, wie die Verwendung von „Via-Arrays“, die aus mehreren parallelen Vias bestehen, kann die Pfadinduktivität effektiv reduzieren.

Von frühen 10G-Ethernet-Leiterplatten bis hin zu gängigen 40G-Ethernet-Leiterplatten ist die Komplexität des Stromversorgungsdesigns exponentiell gewachsen, und IPU-Leiterplatten haben diese Herausforderung auf neue Höhen getrieben.

Erfüllt die komplexesten Anforderungen an Verdrahtung und Leistungslagen Plattendicke/Aspektverhältnis 18:1 Gewährleistet die Beschichtungszuverlässigkeit für dicke Platten mit tiefen Löchern Minimale Leiterbahnbreite/-abstand 2.5/2.5 mil (0.0635mm) Unterstützt hochdichte BGA-Fan-Outs und Differential-Pair-Routing Impedanzkontrolltoleranz ±5% Gewährleistet die Qualität der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung Tiefenkontrolle beim Rückbohren ±0.05mm Entfernt präzise Via-Stubs, um die Signalintegrität zu optimieren Unterstützte Materialien Megtron, Tachyon, Rogers, etc. Bietet eine vollständige Palette an Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzmaterialoptionen