Angetrieben durch künstliche Intelligenz (KI), Hochleistungsrechnen (HPC) und Cloud-Infrastruktur erleben moderne Rechenzentren ein exponentielles Wachstum der Rechenanforderungen. Im Mittelpunkt dieses Wachstums stehen die beispiellosen Datenaustauschraten zwischen Prozessoren sowie zwischen Prozessoren und Beschleunigern. Die Ultra Path Interconnect (UPI)-Technologie von Intel wurde entwickelt, um dieser Nachfrage gerecht zu werden, und die UPI Interface PCB, die diese kritische Technologie trägt, dient als physische Grundlage zur Maximierung des Potenzials von Multi-Socket-Serversystemen. Das Design und die Herstellung einer UPI-Leiterplatte, die Geschwindigkeiten von über 20 GT/s stabil unterstützen kann, ist eine umfassende technische Herausforderung, die Hochgeschwindigkeitssignalintegrität, Stromversorgungsintegrität, Wärmemanagement und Präzisionsfertigung umfasst. Als Kernkomponente der Rechenzentrumshardware bestimmt die Leistung der UPI-Schnittstellen-Leiterplatte direkt die Effizienz und Zuverlässigkeit des gesamten Server-Clusters. Im Gegensatz zu Consumer-Leiterplatten muss sie massiven Datendurchsatz und Stromverbrauch bei extrem hohen Dichten bewältigen, mit einer Designkomplexität, die mit aufkommenden PCIe Gen6-Leiterplatten oder NVLink-Leiterplatten vergleichbar ist. Dieser Artikel dient als Ihr technischer Leitfaden, der die wichtigsten Überlegungen für das Design und die Herstellung von UPI-Schnittstellen-Leiterplatten beleuchtet und zeigt, wie HILPCB sein tiefgreifendes Fachwissen einsetzt, um Kunden bei der Bewältigung dieser Herausforderungen zu unterstützen.

UPI-Schnittstellenübersicht: CPU-Verbindungstechnologie jenseits von QPI

Bevor wir uns mit dem Leiterplattendesign befassen, müssen wir zunächst verstehen, was UPI ist. UPI ist Intels Punkt-zu-Punkt-Prozessorverbindungstechnologie, die eingeführt wurde, um die Vorgängergeneration QPI (QuickPath Interconnect) zu ersetzen. Entwickelt für Multi-Socket-Server, zielt sie darauf ab, eine Kommunikation mit hoher Bandbreite und geringer Latenz zwischen CPUs bereitzustellen, während die Cache-Kohärenz aufrechterhalten wird.

Wichtige Vorteile von UPI sind:

• Höhere Bandbreite: UPI 2.0 erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 11,2 GT/s, während das neueste UPI 3.0 dies weiter verbessert und die notwendigen Datenpfade für intensive Workloads wie KI und Datenanalyse bereitstellt.
• Verbesserte Effizienz: Verbesserte Protokollschichten und Energieverwaltungszustände (z. B. L1) liefern eine höhere Energieeffizienz bei äquivalenten Bandbreiten.
• Skalierbarkeit: Unterstützt flexible Topologien, die es mehreren Prozessoren ermöglichen, effizient zusammenzuarbeiten und leistungsstarke Rechenknoten aufzubauen.

Diese Leistungsverbesserungen stellen strenge Anforderungen an PCBs. Da Signalfrequenzen in den GHz-Bereich vordringen, können selbst geringfügige Designfehler zu Signalverzerrungen, Datenfehlern oder sogar Systemabstürzen führen. Daher ist eine professionelle UPI-Schnittstellen-Leiterplatte weit mehr als ein einfacher Komponententräger - sie ist ein sorgfältig entwickeltes und simuliertes Hochleistungs-Engineering-Produkt.

Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität (SI): Der Eckpfeiler des UPI-Schnittstellen-Leiterplatten-Designs

Signalintegrität (SI) ist entscheidend, um sicherzustellen, dass elektrische Signale ihre Qualität während der Übertragung über Leiterplattenbahnen ohne Verzerrung beibehalten. Für Schnittstellen wie UPI, die mit Geschwindigkeiten von mehreren zehn GT/s arbeiten, hat SI oberste Priorität im Design.

• Differenzielle Paarleitungsführung und Impedanzkontrolle: UPI-Signale werden über differentielle Paare übertragen, die die Gleichtaktunterdrückung nutzen, um Rauschen zu widerstehen. Leiterplatten-Designs müssen eine strikte Längenanpassung für differentielle Paare (typischerweise innerhalb weniger Mils) gewährleisten, um Zeitversatz zu kontrollieren. Gleichzeitig muss die differentielle Impedanz präzise innerhalb von ±5% des Zielwerts (typischerweise 85-100 Ohm) kontrolliert werden. Dies erfordert ein präzises Lagenaufbau-Design, die Kontrolle von Leiterbahnbreite/-abstand und die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenmaterialien mit stabiler und niedriger Dielektrizitätskonstante (Dk) und Verlustfaktor (Df).

• Einfügedämpfung und Übersprechen: Signale erfahren während der Übertragung eine Dämpfung aufgrund von dielektrischen und Leiterverlusten, bekannt als Einfügedämpfung. Um diese Verluste zu minimieren, werden in Designs oft breitere Leiterbahnen, glattere Kupferfolie (wie VLP/HVLP) und Substrate mit extrem geringen Verlusten verwendet. Übersprechen bezieht sich auf die elektromagnetische Kopplung zwischen benachbarten Signalleitungen, die Hochgeschwindigkeitssignale stark stören kann. Das Erhöhen des Leiterbahnabstands (typischerweise wird empfohlen, dass er größer als das 3-fache der Leiterbahnbreite ist), die Verwendung von geerdeten Abschirmleiterbahnen und die Optimierung des Lagenaufbaus können Übersprechen effektiv unterdrücken. Diese Prinzipien gelten auch für hochdichte NVLink PCB-Designs.

• Via-Optimierung: In Mehrlagen-PCBs sind Vias die primären Pfade für Signalübergänge zwischen den Lagen, führen aber auch zu Impedanzdiskontinuitäten und Verlusten. Via-Stubs können Signalreflexionen verursachen, die bei hohen Frequenzen besonders problematisch sind. Daher ist für UPI Interface PCBs das Rückbohren zur Entfernung ungenutzter Stubs fast eine Standardpraxis. Zusätzlich kann die Optimierung der Abmessungen von Via-Pads und Antipads sowie die Verwendung von Microvias die Signalintegritätsleistung (SI) erheblich verbessern.

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Fortgeschrittenes Lagenaufbau-Design: Signal, Leistung und Kosten ausbalancieren

Das PCB-Lagenaufbau-Design dient als Blaupause für Hochgeschwindigkeits-Designs. Für eine typische UPI-Schnittstellen-Leiterplatte reicht die Anzahl der Lagen normalerweise von 16 bis 24 oder sogar mehr. Eine gut gestaltete Lagenaufbau-Struktur kann:

1. Ausreichend Routing-Platz bieten: Dedizierte Routing-Lagen für hochdichte UPI-, DDR- und PCIe-Kanäle bereitstellen.
2. Signalreferenzintegrität gewährleisten: Hochgeschwindigkeits-Signallagen zwischen durchgehenden Masse- (GND) oder Leistungsebenen (PWR) einbetten, um eine Stripline-Struktur zu bilden. Dies bietet klare Rückwege und reduziert elektromagnetische Interferenzen (EMI) und Übersprechen.
3. Leistungsverteilung optimieren: Mehrere Leistungs- und Masseebenen verwenden, um ein niederimpedantes Leistungsverteilungsnetzwerk (PDN) aufzubauen. In Bezug auf die Materialauswahl sind Standard-FR-4-Materialien zwar kostengünstig, ihr höherer Verlustfaktor (Df) kann jedoch bei UPI-Betriebsfrequenzen eine erhebliche Signaldämpfung verursachen. Daher verwendet die Industrie üblicherweise verlustarme oder extrem verlustarme Laminatmaterialien wie Tachyon 100G, Megtron 6/7/8 usw. Obwohl diese Materialien teurer sind, sind sie entscheidend für die Sicherstellung der Signalqualität über große Entfernungen und bei hohen Geschwindigkeiten. Professionelle Leiterplattenlieferanten wie HILPCB empfehlen die optimale Materialkombination basierend auf dem spezifischen Link-Budget und den Kostenzielen des Kunden.

Power Integrity (PI): Bereitstellung von stabilem "Treibstoff" für Hochleistungs-CPUs

Moderne Server-CPUs verbrauchen Hunderte von Watt und erzeugen massive transiente Ströme (dI/dt) während Zustandsübergängen. Das Ziel der Power Integrity (PI) ist es, sicherzustellen, dass die Versorgungsspannung der CPU unter allen Lastbedingungen innerhalb extrem enger Toleranzbereiche (typischerweise ±3%) bleibt.

• Niederimpedantes Power Distribution Network (PDN): Der Kern des Designs besteht darin, einen extrem niederimpedanten Pfad vom Spannungsreglermodul (VRM) zum CPU-Sockel zu konstruieren. Dies wird typischerweise durch die Integration mehrerer großflächiger Strom- und Masseebenen im Leiterplattenaufbau erreicht, die wie massive Parallelplattenkondensatoren wirken und eine lokalisierte Energiespeicherung für hochfrequente transiente Ströme bereitstellen.

• Entkopplungskondensator-Strategie: Eine dichte Platzierung von Entkopplungskondensatoren unterschiedlicher Werte um und auf der Rückseite des CPU-Sockels ist entscheidend für das PI-Design. Hochkapazitive Kondensatoren (im Bereich von mehreren bis zu zehn μF) decken niederfrequente Stromanforderungen ab, während Keramikkondensatoren mit geringer Kapazität und niedrigem ESL (im nF-pF-Bereich) hochfrequentes Rauschen filtern. Das Layout, der Typ und die Anzahl der Kondensatoren müssen durch PI-Simulationen präzise bestimmt werden.

• VRM-Layout: Das VRM sollte so nah wie möglich am CPU-Sockel platziert werden, um den Strompfad zu verkürzen und dadurch Widerstand und Induktivität entlang des Pfades zu reduzieren. Dies ist auch eine wichtige Designüberlegung für die OMI-Schnittstellen-Leiterplatte, die eine stabile Hochstromversorgung erfordert.

Ein robustes PI-Design gewährleistet nicht nur einen stabilen CPU-Betrieb, sondern minimiert auch effektiv die Störung von Hochgeschwindigkeits-UPI-Signalen durch Stromversorgungsrauschen, wodurch es im Design von UPI-Schnittstellen-Leiterplatten ebenso wichtig ist wie SI.

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Präzises Wärmemanagement: Bewältigung von Kühlherausforderungen durch steigende TDP

Da die CPU-Kernzahlen und -Frequenzen steigen, ist ihre Thermal Design Power (TDP) auf über 400W angestiegen, wobei in Zukunft noch höhere Werte erwartet werden. UPI-Interface-PCBs müssen nicht nur die CPU mit Strom versorgen, sondern auch ein integraler Bestandteil der gesamten thermischen Lösung sein.

• Materialien zur thermischen Verbesserung: Innerhalb der Leiterplatte kann die laterale Wärmeleitfähigkeit durch die Verwendung von verdickten Kupferschichten (Heavy Copper) verbessert werden, um die Wärme aus Hochtemperaturbereichen wie CPU und VRM gleichmäßig zu verteilen. In extremen Fällen können Technologien wie eingebettete Kupfer-Coins (Copper Coin) oder Heatpipes eingesetzt werden, um die Wärme direkt zum Kühlkörper zu leiten.

• Thermal Vias: Dicht angeordnete Thermal Vias unter dem CPU-Sockel und VRM können einen Pfad mit geringem thermischem Widerstand vom Chip zum Kühlkörper auf der anderen Seite der Leiterplatte schaffen.

• Layout-Optimierung und thermische Simulation: Während der Entwurfsphase kann die thermische Simulationsanalyse (CFD) die Hotspot-Verteilung auf der Leiterplatte vorhersagen, was eine optimierte Komponentenplatzierung ermöglicht, um sicherzustellen, dass Komponenten mit hoher Wärmeentwicklung nicht übermäßig konzentriert sind und ein optimaler Kühlluftstrom erreicht wird. Dieser simulationsgesteuerte Entwurfsansatz ist besonders kritisch für aufkommende Co-packaged Optics PCBs, da Laser und photonische Chips sehr temperaturempfindlich sind.

Design for Manufacturability (DFM): Die Brücke vom Design zur Massenproduktion

Ein theoretisch perfektes UPI Interface PCB-Design ist wertlos, wenn es nicht kostengünstig hergestellt werden kann. Die Design for Manufacturability (DFM)-Analyse ist das entscheidende Bindeglied zwischen Design und realer Produktion.

Wichtige Fertigungsparameter für UPI Interface PCBs

Parameter	Typische Industriefähigkeit	HILPCB Erweiterte Fähigkeit

Auswirkungen auf die Leistung Minimale Leiterbahnbreite/-abstand 3/3 mil (75/75 µm) Bis zu 2/2 mil (50/50 µm) Unterstützt Routing mit höherer Dichte Minimaler lasergebohrter Lochdurchmesser 75 µm 50 µm Ermöglicht komplexere [HDI-Designs](/products/hdi-pcb) Ausrichtungsgenauigkeit der Laminierung ±3 mil ±2 mil Gewährleistet Durchkontaktierungszuverlässigkeit und Impedanzkonsistenz Oberflächenveredelung ENIG, OSP ENEPIG, Tauchsilber/Zinn Verbessert die Hochfrequenzleistung und Lötbarkeit

Eine frühzeitige Kommunikation mit den Leiterplattenherstellern ist entscheidend. Das Ingenieurteam von HILPCB bietet Kunden professionelle DFM-Überprüfungen an, um potenzielle Fertigungsrisiken wie unterdimensionierte Pads, unvernünftige Via-Layouts und Säurefallen zu identifizieren, die die Ausbeute reduzieren könnten. Dies ermöglicht eine Optimierung vor der Fertigstellung des Designs und vermeidet kostspielige Änderungen zu einem späteren Zeitpunkt.

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Aufkommende Trends bei Verbindungstechnologien und die Entwicklung von UPI

Die technologische Entwicklung in Rechenzentren hört nie auf. Während UPI den Bereich der CPU-Verbindungen dominiert, entwickeln sich andere Hochgeschwindigkeits-Schnittstellentechnologien rasant weiter und prägen gemeinsam die zukünftige Designlandschaft von Server-Leiterplatten.

• PCIe Gen6 Leiterplatte: Da der PCI Express 6.0-Standard die PAM4-Signalisierung (4-stufige Pulsamplitudenmodulation) übernimmt, verdoppelt sich seine Datenrate auf 64 GT/s. Dies stellt höhere Anforderungen an das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und das Kanalentzerrungsdesign der Leiterplatte im Vergleich zur NRZ-Signalisierung und erfordert geringere Verluste und eine präzisere Impedanzkontrolle.
• NVLink PCB: Als Hochgeschwindigkeits-Verbindungsbus zwischen NVIDIA GPUs liefert seine neueste Version eine erstaunliche Bandbreite. Das Design von NVLink PCB erfordert die Handhabung Hunderter von Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaaren bei extrem hohen Dichten, was erhebliche Herausforderungen für das Routing und die Planung des Lagenaufbaus darstellt.
• Optische Verbindungen: Wenn Übertragungsentfernungen den Bereich von Servergehäusen überschreiten, werden Kupferdrahtverluste unüberwindbar. Technologien wie Co-packaged Optics PCB (CPO) und Linear Optics PCB (LPO) entstehen. CPO integriert optische Engines mit ASICs, wodurch elektrische Signalwege drastisch verkürzt werden, aber komplexe optoelektronische Integration und thermische Managementherausforderungen entstehen. Inzwischen zielt Linear Optics PCB darauf ab, den Stromverbrauch und die Kosten durch die Vereinfachung des optischen Moduldesigns zu reduzieren.
• OMI Interface PCB: Die Open Memory Interface (OMI) bietet eine weitere Option zur Verbindung von CPUs mit Hochgeschwindigkeitsspeicher und stützt sich gleichermaßen auf Hochleistungs-PCBs, um niedrige Latenz und hohe Bandbreite zu gewährleisten.

Obwohl diese aufkommenden Technologien unterschiedlichen Anwendungen dienen, stimmen ihre Kernanforderungen an PCBs - geringe Verluste, hohe Präzision und hohe Zuverlässigkeit - mit denen von UPI Interface PCB überein. Die aus UPI-Projekten gewonnenen Erfahrungen und technischen Fähigkeiten können nahtlos auf die Entwicklung dieser Produkte der nächsten Generation übertragen werden.

Wie HILPCB Ihr UPI Interface PCB Projekt unterstützt

Als führender Anbieter von Leiterplattenlösungen versteht HILPCB die Komplexität und Herausforderungen von UPI Interface PCB zutiefst. Wir bieten End-to-End-Dienstleistungen vom Prototyping bis zur Massenproduktion und gewährleisten die erfolgreiche Realisierung Ihres Designs.

• Fortschrittliche Materialbibliothek und Expertise: Wir führen branchenführende Materialien mit extrem geringen Verlusten und verfügen über umfangreiche Materialeigenschaftsdaten, um Ihnen bei der Auswahl der kostengünstigsten Optionen zu helfen.
• Modernste Fertigungsprozesse: Unsere Fabriken sind mit fortschrittlichen Maschinen ausgestattet, die eine Impedanzkontrolle von ±5%, eine präzise Tiefenkontrolle beim Rückbohren und Feinleiterfertigungskapazitäten von 2/2 mil erreichen können, um die strengsten Designanforderungen zu erfüllen.
• Umfassende technische Unterstützung: Wir bieten kostenlose DFM/DFA-Analysen und professionelle SI/PI-Simulationsdienste an, um Ihr Design zu optimieren und Risiken vor der Produktion zu mindern. Ob es sich um die PAM4-Herausforderungen von PCIe Gen6 PCB oder die NRZ-Präzisionsanforderungen von UPI Interface PCB handelt, unser Team liefert fachkundige Beratung.
• Strenge Qualitätskontrolle: Wir setzen Zeitbereichsreflektometrie (TDR) für Impedanztests ein, nutzen die automatische optische Inspektion (AOI) und Röntgeninspektion, um die Qualität jeder Leiterplatte zu gewährleisten, und können auf Kundenwunsch umfassende Zuverlässigkeitstestberichte liefern. Wir bieten auch umfassende schlüsselfertige Bestückungsdienstleistungen an, um Konsistenz und hohe Qualität von der Rohplatine bis zum fertigen Produkt zu gewährleisten.

Fazit

Die UPI-Schnittstellen-Leiterplatte dient als Herzstück moderner Rechenzentrumsserver, und ihr Design- und Fertigungserfolg wirkt sich direkt auf die Leistung, Stabilität und Energieeffizienz des gesamten Computersystems aus. Sie ist nicht nur eine Leiterplatte, sondern eine Kulmination aus Materialwissenschaft, elektromagnetischer Feldtheorie, Thermodynamik und Präzisionsfertigungsprozessen. Von der Hochgeschwindigkeitssignalintegrität und Stromverteilungsnetzen bis hin zum Wärmemanagement und der Fertigbarkeit stellt jeder Aspekt Herausforderungen dar, die tiefgreifendes Fachwissen und umfassende praktische Erfahrung erfordern. Angesichts ständig steigender Datenraten und zunehmender Systemkomplexität ist die Wahl eines technisch versierten und erfahrenen Partners entscheidend. HILPCB, mit seiner langjährigen Expertise in Hochgeschwindigkeits- und hochdichten Leiterplatten, ist bestrebt, Produkte und Dienstleistungen nach höchsten Standards zu liefern, um Sie bei der Bewältigung von Herausforderungen und dem erfolgreichen Aufbau von Hochleistungs-Computing-Plattformen der nächsten Generation zu unterstützen. Wenn Sie ein Projekt planen oder entwickeln, das eine UPI-Schnittstellen-Leiterplatte betrifft, kontaktieren Sie noch heute unser technisches Team, und lassen Sie uns gemeinsam Ihre Designvision Wirklichkeit werden lassen.

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