In der heutigen datengetriebenen Welt bestimmt die Leistung von Rechenzentren direkt die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens. Vom Training künstlicher Intelligenz (KI) bis hin zu groß angelegten wissenschaftlichen Berechnungen wächst die Nachfrage nach Netzwerken mit geringer Latenz und hoher Bandbreite exponentiell. Die iWARP (Internet Wide Area RDMA Protocol) Technologie, als Lösung zur Implementierung von Remote Direct Memory Access (RDMA) über Standard-TCP/IP-Netzwerke, ist zu einem Eckpfeiler für den Aufbau von Hochleistungs-Computing-Clustern und Speichernetzwerken geworden. Die Realisierung dieser Spitzentechnologie basiert jedoch auf einem soliden Fundament – der iWARP PCB. Dies ist nicht nur eine gewöhnliche Leiterplatte, sondern ein technisches Meisterwerk, das Billionen von Datenaustauschen ermöglicht und eine präzise Signalübertragung mit Nanosekundengeschwindigkeit gewährleistet. Ein gut konzipiertes iWARP PCB ist eine Voraussetzung, um die Leistung von 25-Gbit/s-, 100-Gbit/s- oder sogar noch schnelleren Netzwerkschnittstellenkarten (NICs) zu erreichen. Es muss ein perfektes Gleichgewicht zwischen drei scheinbar widersprüchlichen Zielen finden: Signalintegrität, Stromverteilung und Wärmemanagement. Jedes Versäumnis in diesen Bereichen kann zu Leistungseinbußen, Datenfehlern oder sogar Systemabstürzen führen. Dieser Artikel dient als Ihr technischer Leitfaden, der sich mit den zentralen Design- und Fertigungsherausforderungen von iWARP PCB befasst und erklärt, wie die Highleap PCB Factory (HILPCB) ihr tiefgreifendes Fachwissen einsetzt, um Kunden dabei zu helfen, diese Komplexitäten erfolgreich zu meistern und stabile, hochleistungsfähige Rechenzentrumshardware zu entwickeln.

Was ist die iWARP-Technologie und welche einzigartigen Anforderungen stellt sie an das PCB-Design?

iWARP ist ein Netzwerkprotokoll, das es dem Speicher eines Computers ermöglicht, direkt auf den Speicher eines anderen Computers zuzugreifen, ohne die Betriebssysteme oder CPUs einer der Maschinen einzubeziehen. Dieser „Kernel-Bypass“-Mechanismus reduziert die Datenübertragungslatenz und die CPU-Last erheblich, was ihn zu einer entscheidenden Technologie für Hochleistungsrechnen (HPC) und Hyperscale-Rechenzentren macht. Im Gegensatz zu RoCE (RDMA over Converged Ethernet), einer weiteren gängigen RDMA-Technologie, arbeitet iWARP auf dem TCP/IP-Protokollstack. Das bedeutet, es erbt die Staukontroll- und zuverlässigen Übertragungsmechanismen von TCP, was ihm eine bessere Anpassungsfähigkeit in komplexen und verlustanfälligen Weitverkehrsnetzwerk (WAN)-Umgebungen verleiht. Diese Vorteile auf Protokollebene stellen jedoch auch einzigartige und strenge Anforderungen an das physikalische PCB-Design:

1. Ultra-Niedrige Latenz Physikalische Pfade: Der Wert von iWARP liegt in seiner Latenz im Mikrosekundenbereich. Jeder Millimeter einer Leiterbahn führt zu einer Ausbreitungsverzögerung. Daher muss das Design optimiert werden, um den kürzesten und direktesten Pfad vom PHY-Chip zum Stecker zu gewährleisten.
2. Ultra-Hohe Bandbreite Signalwege: Moderne iWARP-NICs unterstützen typischerweise Raten von 25 Gbit/s, 50 Gbit/s oder sogar 100 Gbit/s. Bei solch hohen Frequenzen sind Leiterbahnen keine einfachen Leiter mehr, sondern komplexe Übertragungsleitungssysteme. Probleme wie Signaldämpfung, Reflexion und Dispersion werden kritisch prominent und erfordern extrem hohe Standards für Materialauswahl und Impedanzkontrolle. Dies überschneidet sich erheblich mit den Designherausforderungen von High-End 25G-Ethernet-PCBs.
3. Tadellose Signalintegrität: Hochgeschwindigkeitssignale sind sehr empfindlich gegenüber Rauschen und Übersprechen. PCB-Designs müssen durch sorgfältige Lagenaufbauplanung, Differentialpaar-Routing und Erdungsstrategien eine saubere elektromagnetische Umgebung schaffen, um eine fehlerfreie Datenübertragung zu gewährleisten.
4. Stabile und zuverlässige Stromversorgung: ASICs und FPGAs, die iWARP unterstützen, verbrauchen erhebliche Leistung und haben hohe momentane Stromanforderungen. Das Stromverteilungsnetz (PDN) der Leiterplatte muss wie ein effizientes Stromreservoir funktionieren, das sofort auf Laständerungen reagieren und eine stabile, saubere Spannung liefern kann.

Diese Anforderungen bedeuten, dass eine qualifizierte iWARP-Leiterplatte in mehreren Bereichen Spitzenleistungen erbringen muss, darunter Materialwissenschaft, elektromagnetische Theorie und Präzisionsfertigungsprozesse.

Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität: Die Kernbasis des iWARP-Leiterplattendesigns

Im Bereich von Frequenzen über 25 GHz ist die Signalintegrität (SI) nicht länger optional, sondern eine Lebensader, die den Erfolg oder Misserfolg eines Produkts bestimmt. Für iWARP-Leiterplatten ist die Sicherstellung einer genauen Signalreproduktion vom Sender zum Empfänger die oberste Priorität im Design.

Präzise Impedanzkontrolle

In Hochgeschwindigkeitsschaltungen muss die Impedanz von Übertragungsleitungen streng mit der des Treiber- und Empfängerendes übereinstimmen, typischerweise 100 Ohm differentielle Impedanz. Jede Impedanzdiskontinuität kann Signalreflexionen verursachen, die Jitter und die Bitfehlerrate (BER) erhöhen. Eine präzise Impedanzkontrolle erfordert:

• Auswahl von Materialien mit geeigneter Dielektrizitätskonstante (Dk) und Verlustfaktor (Df): Materialien mit niedrigem Dk/Df (z. B. Megtron 6, Rogers RO4350B) reduzieren effektiv Signaldämpfung und Verzögerung.
• Genaue Berechnung von Leiterbahnbreite und -abstand: Verwenden Sie professionelle SI-Simulationswerkzeuge (z. B. Ansys SIwave, Cadence Sigrity) zur Modellierung, um optimale geometrische Parameter zu bestimmen.
• Strenge Kontrolle des Herstellungsprozesses: HILPCB setzt fortschrittliche Ätz- und Laminierungsverfahren ein, um sicherzustellen, dass die Impedanztoleranz der fertigen PCBs innerhalb von ±7 % oder sogar ±5 % kontrolliert wird, was die Industriestandards weit übertrifft.

Übersprechunterdrückung

Wenn parallele Differenzialpaare zu nah beieinander platziert werden, kann das elektromagnetische Feld eines Signalpfades mit benachbarten Pfaden koppeln und Übersprechen verursachen. Bei dichten iWARP PCB-Designs ist die Unterdrückung von Übersprechen entscheidend. Effektive Strategien umfassen:

• Ausreichenden Abstand einhalten: Befolgen Sie die "3W"-Regel, bei der der Leiterbahnabstand mindestens das Dreifache der Leiterbahnbreite beträgt.
• Verwendung von Masseflächenabschirmung: Das Einfügen einer durchgehenden Massefläche zwischen Signalschichten isoliert elektromagnetische Felder effektiv.
• Optimierung der Leiterbahnführung: Vermeiden Sie lange parallele Leiterbahnen, insbesondere zwischen verschiedenen Signalschichten.

Via-Optimierung

Vias sind vertikale Kanäle, die Leiterbahnen auf verschiedenen Schichten in Mehrlagen-PCBs verbinden, aber bei Hochgeschwindigkeitssignalen sind sie eine Hauptquelle für Impedanzdiskontinuität. Unoptimierte Vias wirken wie winzige Antennen und verursachen starke Signalreflexionen und -strahlung. Für Hochgeschwindigkeits-PCBs, insbesondere iWARP PCBs, ist die Via-Optimierung unerlässlich, einschließlich:

• Rückbohren: Mechanisches Ausbohren ungenutzter Via-Stummel reduziert Signalreflexionen erheblich und verbessert die Hochfrequenzleistung.
• Verwendung kleinerer Microvias: Bei HDI-Designs (High-Density Interconnect) weisen Microvias eine geringere parasitäre Kapazität und Induktivität auf.
• Optimierung von Masse-Vias: Das Platzieren von Masse-Vias um Signal-Vias herum bietet einen niederohmigen Rückweg für Signalströme und reduziert Rauschen.

PCB-Angebot einholen

Warum ist ein fortschrittliches Lagenaufbau-Design für iWARP PCB entscheidend?

Wenn Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen die Autobahnen für die Datenübertragung sind, dann ist der PCB-Lagenaufbau der Bauplan für das gesamte Transportsystem. Ein gut konzipierter Lagenaufbau ist die grundlegende Garantie für die Erzielung von Signalintegrität, Stromversorgungs-Integrität und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV). Für komplexe Mehrlagen-Leiterplatten, insbesondere während der Prototypenphase von KI-Entwicklungs-Leiterplatten, ist das Lagenaufbau-Design besonders entscheidend.

Ein typischer 12-Lagen-iWARP-Leiterplatten-Lagenaufbau könnte so aussehen:

Beispiel eines typischen 12-Lagen-Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten-Lagenaufbaus

Lagen-Nr.	Typ	Hauptfunktion
1	Signal	Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaare (Mikrostreifen)
2	GND	Referenzebene, Abschirmung
3	Signal	Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaare (Stripline)
4	Stromversorgung	Kernspannungsebene
5	Masse	Referenzebene, Isolation
6	Signal	Niedriggeschwindigkeits-Signal-/Steuerleitungen
7	Signal	Niedriggeschwindigkeits-Signal-/Steuerleitungen
8	Masse	Referenzebene, Isolation
9	Stromversorgung	E/A- und andere Spannungen
10	Signal	Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaar (Stripline)
11	GND	Referenzebene, Abschirmung
12	Signal	Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaar (Microstrip)

Diese symmetrische, auf Masseebenen zentrierte Lagenaufbau-Struktur bietet folgende Vorteile:

• Enge Signal-Masse-Kopplung: Das Platzieren von Hochgeschwindigkeitssignalschichten neben Masseebenen bietet den kürzesten Rückstrompfad, reduziert die Schleifeninduktivität und minimiert dadurch die EMI-Strahlung.
• Zwischenschichtisolation: Masseebenen und Leistungsebenen isolieren Hochgeschwindigkeitssignalschichten effektiv von Niedergeschwindigkeitssignalschichten oder verschiedenen Hochgeschwindigkeitssignalschichten und verhindern so Übersprechen.
• Impedanzkontrolle: Die präzise Verwaltung der Dicke von Kern und Prepreg (PP) gewährleistet eine stabile Erreichung der Zielimpedanz.

Bei HILPCB arbeitet unser Ingenieurteam eng mit Kunden zusammen, um optimale Lagenaufbau-Lösungen basierend auf spezifischen Signalraten, Lagenanzahlen, Platinendicken und Kostenanforderungen anzupassen.

Optimierung des Power Delivery Network (PDN) zur Unterstützung von Spitzenlasten

Das Power Delivery Network (PDN) ist das "Herz" der iWARP PCB, verantwortlich für die Versorgung aller Chips mit stabilem, sauberem "Blut" (Strom). Ein schlecht konzipiertes PDN kann zu Spannungsabfällen (IR Drop), Ground Bounce und elektromagnetischen Störungen führen, was die Systemstabilität und -leistung direkt beeinträchtigt. Dies ist besonders kritisch für Hochleistungsanwendungen wie Training Server PCB.

Das Kernziel des PDN-Designs ist es, über alle Frequenzen hinweg eine extrem niedrige Impedanz aufrechtzuerhalten. Dies erfordert einen systematischen Ansatz:

1. Platzierung des VRM (Voltage Regulator Module): Platzieren Sie VRMs so nah wie möglich an den Chips, die sie versorgen (z.B. ASICs oder FPGAs), um Hochstrompfade zu verkürzen und DC-Spannungsabfälle zu reduzieren.
2. Planare Kapazität: Nutzen Sie eng gekoppelte Strom- und Masseebenen, um einen natürlichen Parallelplattenkondensator zu bilden. Diese "eingebettete" Kapazität bietet eine hervorragende Entkopplung bei hohen Frequenzen (>500MHz).
3. Auswahl und Platzierung von Entkopplungskondensatoren:
   • Bulk-Kondensatoren (Zehner bis Hunderte von µF): In der Nähe von VRMs platziert, um niederfrequente Lastschwankungen zu bewältigen.
   • Keramikkondensatoren mittleren Werts (1-10µF): Um die Chips herum verteilt, um mittlere Frequenzbereiche abzudecken.
   • Keramikkondensatoren kleinen Werts (0.1µF-1nF): So nah wie möglich an den Stromversorgungs-Pins der Chips platziert für Hochfrequenz-Entkopplung.
   • Der Schlüssel ist die Schaffung eines niederimpedanten Pfades, der das gesamte Spektrum von kHz bis GHz abdeckt.
4. Breite Strompfade: Verwenden Sie durchgehende Strom- und Masseebenen anstelle schmaler Leiterbahnen für die Übertragung hoher Ströme. Bei Hochleistungsanwendungen wie Training Server PCB kann die Dickkupfer-Leiterplattentechnologie erforderlich sein, um Ströme von Hunderten von Ampere zu bewältigen.

Professionelle PDN-Simulation (z. B. PI-Simulation) ist ein unverzichtbarer Bestandteil des modernen Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesigns, da sie die Vorhersage und Lösung potenzieller Probleme der Stromversorgungsintegrität vor der Fertigung ermöglicht.

Kondensatorkombination ist entscheidend: Konzentrieren Sie sich nicht nur auf Kapazitätswerte; eine Kombination von Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten, Gehäusen und ESRs ist erforderlich, um einen breiten Frequenzbereich abzudecken.

Layout entscheidet alles: Platzieren Sie Entkopplungskondensatoren auf dem "kritischen Pfad" von Stromschleifen, um deren Wirksamkeit zu maximieren.

Vias dürfen nicht ignoriert werden: Die Induktivität von Vias, die Kondensatoren mit Strom-/Masseebenen verbinden, ist ein großer Engpass für die Hochfrequenzleistung – halten Sie sie kurz und dick.

Ein robustes PDN ist der stille Held der Systemstabilität. HILPCB bietet professionelle PDN-Analyse-Dienstleistungen an, um sicherzustellen, dass Ihr Design narrensicher ist.