UFS-Leiterplatte: Bewältigung der Herausforderungen hoher Geschwindigkeit und hoher Dichte bei Server-Leiterplatten für Rechenzentren

In einer Ära, in der Daten mit beispielloser Geschwindigkeit generiert, verarbeitet und gespeichert werden, verlagern sich die Leistungsengpässe von Rechenzentrums- und Serverhardware von der Berechnung auf Speicher und Verbindungen. Universal Flash Storage (UFS) ersetzt als Hochleistungs-Speicherschnittstelle der nächsten Generation schnell traditionelles eMMC und wird zur bevorzugten Wahl für Server-Boot-Laufwerke, Cache-Schichten und Edge-Computing-Geräte. Um jedoch das volle Potenzial von UFS auszuschöpfen, muss seine physische Grundlage – die UFS-Leiterplatte – beispiellose Designherausforderungen in Bezug auf hohe Geschwindigkeit und hohe Dichte bewältigen. Eine gut konzipierte UFS-Leiterplatte ist der Schlüssel zur Gewährleistung von Datenintegrität, Systemstabilität und langfristiger Zuverlässigkeit.

Dieser Artikel dient als Ihr technischer Leitfaden und befasst sich mit den grundlegenden technischen Prinzipien, die für den Bau von Hochleistungs-UFS-Leiterplatten erforderlich sind. Aus der Perspektive eines Rechenzentrumsarchitekten werden wir die Signalintegrität bei hohen Geschwindigkeiten, Stromverteilungsnetze (PDN), Wärmemanagement und fortschrittliche Fertigungstechnologien analysieren. Darüber hinaus zeigen wir, wie die Highleap PCB Factory (HILPCB) ihr tiefes technisches Fachwissen nutzt, um Kunden bei der Bewältigung dieser Komplexitäten zu unterstützen und außergewöhnliche Speicherlösungen zu liefern.

Was ist eine UFS-Leiterplatte und ihre Kernrolle in modernen Rechenzentren?

Eine UFS-Leiterplatte (PCB) ist eine speziell entwickelte Leiterplatte, die UFS-Speichergeräte und deren Controller aufnimmt. Im Gegensatz zu generischen PCBs ist sie hochoptimiert, um die Hochgeschwindigkeits-, Niedrigleistungs-, Vollduplex-Serialschnittstelle (basierend auf MIPI M-PHY) zu erfüllen, die durch UFS-Standards wie UFS 3.1 und UFS 4.0 definiert ist. Diese PCBs sind nicht nur Träger für physische Verbindungen, sondern auch präzisionsgefertigte Systeme, die Signalqualität, Leistungsstabilität und effektive Wärmeableitung gewährleisten.

In modernen Rechenzentren sind UFS-PCBs allgegenwärtig, und ihre Kernaufgaben spiegeln sich in den folgenden Aspekten wider:

1. Server-Boot-Laufwerke: UFS bietet schnellere Bootzeiten und einen geringeren Stromverbrauch im Vergleich zu SATA-SSDs. Die Zuverlässigkeit von UFS-PCBs wirkt sich direkt auf die Verfügbarkeit des gesamten Servers aus.
2. Hochgeschwindigkeits-Cache-Schichten: In mehrstufigen Speicherarchitekturen werden UFS-Geräte als schnelle Caches für Hot Data verwendet. Eine hochleistungsfähige UFS-PCB minimiert die Latenz und verbessert die Reaktionsfähigkeit von Datenbanken und Virtualisierungsanwendungen.
3. Speicher-Array-Controller: In zentralisierten Speichersystemen wie Network-Attached Storage (NAS) und Storage Area Networks (SAN) kann UFS für Metadaten-Speicherung oder Protokollierung verwendet werden. Daher ist die Integration von UFS-Modulen, ob beim Entwurf von Dateispeicher-PCBs oder Blockspeicher-PCBs, ein entscheidender Schritt zur Steigerung der Gesamtleistung.
4. Edge Computing Nodes: In Edge-Geräten sind Platz und Strom kostbar. Kompakte und effiziente UFS-Leiterplatten-Designs machen sie ideal für die Verarbeitung von Echtzeitdaten.

Im Wesentlichen wird die Leistungsgrenze jedes Systems, das schnellen und zuverlässigen Flash-Speicher benötigt, durch die Qualität seiner zugrunde liegenden UFS-Leiterplatte begrenzt.

Welchen einzigartigen Herausforderungen steht die Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität von UFS-Leiterplatten gegenüber?

Da der UFS 4.0-Standard die Datenraten einer einzelnen Spur auf erstaunliche 23,2 Gbit/s treibt, ist die Signalintegrität (SI) zur größten Herausforderung im UFS-Leiterplatten-Design geworden. Bei diesen Geschwindigkeiten sind Leiterplattenbahnen keine einfachen Leiter mehr, sondern komplexe Übertragungsleitungssysteme, bei denen selbst geringfügige Fehler zu Datenfehlern und Systemabstürzen führen können.

Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:

• Strenge Kontrolle der differentiellen Impedanz: UFS verwendet Hochgeschwindigkeits-Differentialpaare (TX/RX) für die Datenübertragung. Um Reflexionen und Verzerrungen zu minimieren, muss die Impedanz dieser Leiterbahnen präzise um 100 Ohm (oder andere vom Standard spezifizierte Werte) kontrolliert werden, wobei Toleranzen typischerweise innerhalb von ±7% liegen müssen. Dies erfordert eine sorgfältige Stack-up-Gestaltung, Materialauswahl und Kontrolle des Herstellungsprozesses.
• Einfügedämpfung: Wenn Signale durch Übertragungsleitungen propagieren, schwächt ihre Energie aufgrund von dielektrischen Verlusten und Leiterverlusten ab. Bei Langstrecken- oder Hochfrequenzsignalen kann die Einfügedämpfung dazu führen, dass die Signalamplituden zu niedrig sind, um vom Empfänger korrekt identifiziert zu werden. Die Auswahl von Ultra-Low Loss High-Speed PCB Materials ist entscheidend, um diese Herausforderung zu meistern.
• Übersprechen: Hochgeschwindigkeitssignale erzeugen elektromagnetische Feldkopplung zwischen benachbarten Leiterbahnen, was zu Rauschstörungen führt. Auf dicht gepackten UFS-Leiterplatten muss das Übersprechen durch Optimierung des Leiterbahnabstands, die Verwendung von Stripline-Strukturen und die Planung von Erdungsschirmungen streng kontrolliert werden.
• Timing & Skew (Laufzeitunterschied): Die Längen der beiden Leiterbahnen in einem Differenzpaar müssen präzise aufeinander abgestimmt sein, um sicherzustellen, dass die Signale gleichzeitig am Empfänger ankommen. Jede Längenungleichheit (Skew) kann die Gleichtaktunterdrückungsfähigkeit von Differenzsignalen stören und Jitter einführen.

Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert tiefgreifendes Fachwissen in der HF- und Mikrowellentechnik sowie fortschrittliche Simulationswerkzeuge. In der Highleap PCB Factory (HILPCB) nutzen unsere Ingenieure Tools wie Ansys HFSS und Keysight ADS für Vorsimulationen, um sicherzustellen, dass die Designs vor der Fertigung eine optimale Leistung erzielen.

Warum ist ein fortschrittliches Lagenaufbau-Design der Eckpfeiler der UFS-Leiterplattenleistung?

Wenn Materialien das "Fleisch und Blut" einer UFS-Leiterplatte sind, dann ist das Lagenaufbau-Design ihr "Skelett". Ein gut durchdachter Lagenaufbau ist eine Voraussetzung für eine gute Signalintegrität, Stromversorgungsintegrität und EMI-Kontrolle. Er bestimmt die Leiterbahnimpedanz, die Signalpfade und die Verteilung von Strom und Masse.

Ein typisches UFS-Mehrlagen-Leiterplatten-Lagenaufbau-Design folgt diesen Prinzipien:

• Symmetrie und Balance: Um Verzug während der Leiterplattenfertigung und -montage zu verhindern, sollte die Lagenaufbau-Struktur symmetrisch bleiben.
• Enge Kopplung zwischen Signallagen und Referenzebenen: Hochgeschwindigkeitssignallagen sollten an eine vollständige, ununterbrochene Masse- (GND) oder Leistungsebene (PWR) angrenzen. Dies bietet einen klaren, induktionsarmen Rückweg für Signale, was entscheidend für die Impedanzkontrolle und die Reduzierung von Übersprechen ist.
• Kopplung von Strom- und Masselagen: Das Platzieren von Strom- und Masselagen nahe beieinander bildet einen natürlichen Parallelplattenkondensator, der die gesamte Leiterplatte mit niederimpedanter Leistung versorgt und hilft, hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken.
• Isolierung empfindlicher Signale: Hochgeschwindigkeits-UFS-Signale, Taktsignale und niedergeschwindigkeits-Steuersignale sollten auf verschiedenen Signallagen platziert und mit Masseflächen isoliert werden, um gegenseitige Störungen zu vermeiden.
• Auswahl des Kernmaterials: Wählen Sie Materialien mit geeigneter Dielektrizitätskonstante (Dk) und Verlustfaktor (Df) basierend auf der Geschwindigkeitsklasse und den Kostenzielen von UFS. Zum Beispiel erfordert UFS 4.0 typischerweise Materialien mit extrem geringen Verlusten wie Tachyon 100G oder Megtron 6.

Ein schlechtes Lagenaufbau-Design kann die Leiterplattenleistung grundlegend beeinträchtigen und ist später schwer zu beheben. Daher ist die frühzeitige Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Hersteller wie HILPCB im Projekt, um den optimalen Lagenaufbau zu bestimmen, ein entscheidender Schritt für den Erfolg.

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Wie entwirft man ein effizientes Stromversorgungsnetzwerk (PDN) für UFS?

UFS-Geräte, insbesondere ihre Controller, sind sehr empfindlich gegenüber der Stromversorgungsqualität. Sie arbeiten mit niedrigen Spannungen (z.B. 1,2V oder 1,8V), aber das Hochgeschwindigkeitsschalten ihrer internen Logikgatter erzeugt erhebliche transiente Stromanforderungen. Ein schlecht konzipiertes Power Delivery Network (PDN) kann zu Spannungsabfällen (IR-Drop) und Rauschen auf der Stromschiene führen, was Datenfehler oder sogar Geräteabstürze verursachen kann.

Effektive PDN-Designstrategien umfassen:

1. Zielimpedanzanalyse: Das Hauptziel des PDN-Designs ist es, die Impedanz des Stromversorgungsnetzes über einen weiten Frequenzbereich (von DC bis zu mehreren GHz) unter einem extrem niedrigen Zielwert zu halten. Dies wird typischerweise mit PDN-Simulationswerkzeugen erreicht.
2. Hierarchisches Entkopplungskondensatornetzwerk: Kein einzelner Kondensator ist über alle Frequenzen hinweg wirksam. Daher ist eine Kombination von Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten und Gehäusen erforderlich:
   • Bulk-Kondensatoren (Zehner bis Hunderte von μF): In der Nähe des VRM platziert, um Niederfrequenzstrom bereitzustellen.
   • Keramikkondensatoren mittlerer Kapazität (1-10μF): Auf der Leiterplatte verteilt, um mittelfrequentes Rauschen zu adressieren.
   • Keramikkondensatoren kleiner Kapazität (0,1μF-1nF): So nah wie möglich an den Stromversorgungs-Pins des UFS-Chips platziert, um Hochfrequenzrauschen zu filtern.
3. Breite, durchgehende Strom- und Masseebenen: Die Verwendung von durchgehenden Ebenenschichten für die Strom- und Masseverteilung bietet den niedrigsten Induktivitätspfad und bildet die Grundlage für ein niederimpedantes PDN.
4. Optimierte VRM-Platzierung: Die Positionierung des Spannungsreglermoduls (VRM) so nah wie möglich am UFS-Gerät verkürzt Hochstrompfade und reduziert den IR-Abfall.

Ob für SAN-PCBs in Unternehmensspeichern oder NAS-PCBs für den Heim- und Kleinbürogebrauch, eine stabile Stromversorgung ist die Lebensader für einen zuverlässigen Betrieb. Professionelle PDN-Design- und Analysedienste stellen sicher, dass Ihr Produkt unter verschiedenen Arbeitslasten stabil bleibt.

Welche Wärmemanagementstrategien gibt es für UFS-PCBs?

Leistung und Wärme sind untrennbare Zwillinge. UFS-Geräte erzeugen bei Hochgeschwindigkeits-Lese-/Schreibvorgängen erhebliche Wärme, die sich hauptsächlich im Controller und in den NAND-Flash-Chips konzentriert. Wenn die Wärme nicht effektiv abgeführt werden kann, steigt die Chiptemperatur schnell an, was zu zwei schwerwiegenden Folgen führt:

• Leistungsdrosselung: Um Schäden durch Überhitzung zu vermeiden, reduziert der UFS-Controller automatisch seine Betriebsfrequenz, was zu einem erheblichen Abfall der Lese-/Schreibgeschwindigkeiten führt.
• Reduzierte Datenhaltung: Längerer Betrieb bei hohen Temperaturen beschleunigt das Ladungsleck in NAND-Flash-Zellen, wodurch die Datenhaltungszeit und die Lebensdauer des Geräts verkürzt werden.

Daher müssen effektive Wärmemanagementstrategien bereits in der UFS-PCB-Designphase integriert werden:

• Thermische Vias: Ordnen Sie Vias dicht im Pad-Array unter wärmeerzeugenden Chips an, um Wärme schnell zu den internen Masse- oder Leistungsebenen der Leiterplatte zu leiten. Diese großflächigen Kupferschichten können als Kühlkörper fungieren, um die Wärmeableitung zu unterstützen.
• Verwendung von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit: Wählen Sie Leiterplattensubstratmaterialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit (TC) oder verwenden Sie Hochwärmeleitfähige Leiterplatten-Technologien, wie z.B. eingebettete Kupfer-Coins, in bestimmten Bereichen.
• Optimierung des Komponentenlayouts: Platzieren Sie UFS-Geräte in Bereichen des Gehäuses mit guter Luftzirkulation und vermeiden Sie die Platzierung nach anderen stark wärmeerzeugenden Komponenten (z.B. CPU oder GPU).
• Oberflächenbehandlung: Verwenden Sie Oberflächenbehandlungsprozesse, die die Wärmeableitung erleichtern und sicherstellen, dass die Kontaktfläche mit Kühlkörpern glatt und eben ist.

Durch thermische Simulationsanalysen kann die Hotspot-Verteilung auf der Leiterplatte vorhergesagt werden, was eine frühzeitige Optimierung des thermischen Designs ermöglicht, um sicherzustellen, dass UFS-Geräte in ihrem optimalen Temperaturbereich arbeiten.

Anwendungen und Unterschiede von UFS-Leiterplatten in verschiedenen Speicherarchitekturen

Obwohl die grundlegenden Designprinzipien von UFS-Leiterplatten konsistent sind, variiert ihr Designschwerpunkt je nach den verschiedenen Speichersystemarchitekturen.

• NAS PCB (Network-Attached Storage): NAS-Geräte werden typischerweise für Dateifreigabe und -sicherung verwendet und sind kostensensitiv. Das Design der Dateispeicher-Leiterplatte (PCB) legt den Schwerpunkt auf Kostenkontrolle durch optimierten Lagenaufbau und Materialauswahl, während Leistungsanforderungen erfüllt werden. Zuverlässigkeit hat oberste Priorität, wodurch PDN-Design und Wärmemanagement besonders kritisch sind.
• SAN PCB (Storage Area Network): SAN bietet Speicherung auf Blockebene, hauptsächlich für Hochleistungsanwendungen wie Datenbanken und Virtualisierung, mit strengen Anforderungen an Latenz und Bandbreite. Daher scheuen SAN-Leiterplatten (PCBs) keine Kosten und verwenden Materialien mit extrem geringen Verlusten sowie einen komplexeren Lagenaufbau, um eine außergewöhnliche Signalintegrität zu gewährleisten.
• Storage Fabric PCB (Speichernetzwerk): Dies ist ein Produkt moderner Rechenzentren, die sich in Richtung Ressourcenpooling und disaggregierter Architekturen entwickeln. Als Backplanes oder Switch-Boards, die Compute- und Speicherknoten verbinden, müssen Storage Fabric PCBs massive Mengen an Hochgeschwindigkeits-UFS- und NVMe-oF (NVMe over Fabrics)-Verkehr verarbeiten. Diese PCBs sind größer, mit längeren Leiterbahnen, was die größten Herausforderungen für die Signalintegrität darstellt. Fortschrittliche Re-Timer und Signalaufbereitungschips sind oft erforderlich.

Unabhängig von der Anwendung – von eigenständigen Block Storage PCBs bis hin zu komplexen Speicherschaltmatrizen – bietet HILPCB umfassende Unterstützung vom Prototyping bis zur Massenproduktion und stellt sicher, dass Ihr Design die einzigartigen Anforderungen spezifischer Anwendungsfälle erfüllt.

Frühe DFM-Überprüfung: Kommunizieren Sie frühzeitig mit den Herstellern, um sicherzustellen, dass das Design gut herstellbar ist.