Visitor Location Register: Die Herausforderungen von Hochgeschwindigkeit und hoher Dichte bei Datencenter-Server-PCBs meistern

In der großen Vision der 5G- und zukünftigen Kommunikationsnetze ist jede Millisekunde Latenz und jedes übertragene Bit entscheidend. Als Kernkomponente des Nervensystems des Mobilfunknetzes ist das Visitor Location Register (VLR) und seine Weiterentwicklung im 5G-Zeitalter – die Access and Mobility Management Function (AMF) – entscheidend für die nahtlose Konnektivität und das Roaming von Billionen von Geräten weltweit. Die Umsetzung dieser Funktionalität hat sich jedoch von traditioneller dedizierter Telekommunikationshardware zu virtualisierter Software auf Hochleistungs-Datencenter-Servern verlagert. Diese grundlegende Transformation verlagert den Fokus der Herausforderungen direkt auf die Leiterplatten (PCBs), die diese komplexen Berechnungen tragen – sie sind die physische Grundlage, die Netzwerkleistung, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit bestimmt.

Kernfunktionen des VLR und seine Entwicklung in der 5G-Architektur

In der 2G/3G/4G-Ära war das Visitor Location Register eine Datenbank, die eng mit dem Mobile Switching Center (MSC) integriert war. Seine Hauptaufgabe bestand darin, Abonnementinformationen, Standortdaten und Authentifizierungsparameter von Roaming-Nutzern temporär zu speichern. Wenn ein Nutzer in einen neuen MSC-Servicebereich eintrat, holte das VLR Daten vom Home Location Register (HLR) des Nutzers, um lokale Anrufverarbeitung und Mobilitätsmanagement zu ermöglichen und häufige Remote-Abfragen der Kernnetzwerkdatenbank zu vermeiden. In diesem Prozess musste das VLR mit der Authentication Center PCB zusammenarbeiten, um die Legitimität der Nutzeridentitäten zu überprüfen; es fragte auch das Equipment Identity Register (EIR) ab, um die Gültigkeit der Mobilgeräte zu bestätigen und den Zugriff gestohlener oder nicht autorisierter Geräte auf das Netzwerk zu verhindern.

Im 5G-Zeitalter, da Netzwerkarchitekturen sich zu servicebasierten (SBA) und cloud-nativen Designs entwickeln, ist die eigenständige physische Form des VLR verschwunden. Seine Kernfunktionen – Mobilitätsmanagement, Registrierung und Erreichbarkeitsmanagement – wurden in die AMF (Access and Mobility Management Function) innerhalb des 5G Core (5GC) integriert. Diese Verschiebung bedeutet, dass Aufgaben, die einst von dedizierter Hardware erledigt wurden, nun von hochkomplexer Software auf kommerziellen Standard-Servern (COTS) ausgeführt werden. Daher bezieht sich der heutige Begriff „VLR-Hardware“ tatsächlich auf die Hochleistungs-Packet Core PCB, die das gesamte 5G-Core-Netzwerk unterstützt. Diese PCBs müssen beispiellosen Datendurchsatz und Signalisierungsstürme bewältigen und so eine solide Grundlage für einen stabilen Netzwerkbetrieb bieten.

Von dedizierten Knoten zu Cloud-Native: Eine grundlegende Transformation für PCB-Hardware

Der Wechsel von dedizierter Telekommunikationshardware zu cloud-nativen Servern hat disruptive Anforderungen an PCB-Designkonzepte und -Technologien gestellt. Traditionelle Telekommunikationshardware verwendet typischerweise maßgeschneiderte ASICs und Netzwerkprozessoren, bei denen PCB-Designs zwar komplex, aber relativ festgelegt mit klaren Optimierungszielen sind. In einer cloud-nativen Architektur müssen die Server-PCBs, die die AMF (ehemals VLR-Funktionalität) hosten, extreme Vielseitigkeit, Skalierbarkeit und Rechendichte erreichen.

Diese Transformation bringt mehrere Schlüsselherausforderungen mit sich:

1. Explosionsartige Zunahme der Rechendichte: Moderne Server-CPUs verfügen über Hunderte von Kernen, ergänzt durch FPGAs und Smart Network Interface Cards (SmartNICs) zur Beschleunigung des Datenverkehrs, alles auf einem einzigen Motherboard integriert. Dies erfordert eine extrem hohe Verdrahtungsdichte der PCBs, oft mit mehr als 20 Lagen, um Zehntausende von Verbindungspunkten und komplexe Stromversorgungsnetze unterzubringen.
2. Explosives Wachstum der I/O-Bandbreite: Die AMF erfordert Hochgeschwindigkeitskommunikation mit anderen Funktionen im Kernnetzwerk (z.B. SMF, UDM, AUSF) und einer Vielzahl von Radio Access Network (RAN)-Geräten. Das bedeutet, dass Server-PCBs mehrere 100/200/400 Gbps Ethernet-Verbindungen unterstützen und Hochgeschwindigkeitsbusse wie PCIe 5.0/6.0 für die interne Verbindung von Komponenten nutzen müssen.
3. Unveränderte Zuverlässigkeitsanforderungen: Trotz des Wechsels zu universellen Servern als Hardwareplattform bleibt die telekommunikationsspezifische "Five Nines" (99,999%) Zuverlässigkeitsanforderung unverändert. Dies stellt hohe Anforderungen an die Materialauswahl, Fertigungsprozesse und Langzeitstabilität von Leiterplatten. Selbst wenn Verbindungsprobleme bei Small Cell PCBs am Netzrand auftreten, darf die Stabilität des Kernnetzwerks nicht im Geringsten beeinträchtigt werden.

Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität (SI): PCB-Design im 224-Gbps-Zeitalter meistern

Auf Server-Motherboards mit VLR/AMF-Funktionalität bewegen sich Daten mit atemberaubender Geschwindigkeit. Die 224-Gbps-PAM4-Signaltechnologie wird bereits in der Branche diskutiert und schrittweise eingesetzt, was die Signalintegrität (SI) von Leiterplatten vor nie dagewesene Herausforderungen stellt. Selbst kleinste Designfehler wie Impedanzunregelmäßigkeiten, Via-Stubs oder Materialverluste können zu erheblichen Signalverzerrungen führen, die massive Bitfehler und letztlich Netzwerkausfälle verursachen.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, müssen PCB-Designs eine Reihe fortschrittlicher Techniken einsetzen:

• Ultra-niedrigverlustmaterialien: Herkömmliche FR-4-Materialien weisen bei hohen Frequenzen zu hohe Verluste auf und erfüllen die Anforderungen nicht mehr. Designer müssen auf Ultra-Low-Loss- oder Extremely-Low-Loss-Laminatmaterialien wie Megtron 7 und Tachyon 100G zurückgreifen. Diese Materialien reduzieren die Signaldämpfung während der Übertragung erheblich. Für Hochgeschwindigkeits-PCBs, die Höchstleistung anstreben, ist die Materialauswahl der erste Schritt zum Erfolg.
• Präzises Routing und Simulation: Die Länge, der Abstand und die Biegung von Differenzialpaaren sowie das Via-Design müssen mit professioneller SI-Simulationssoftware (z. B. Ansys HFSS, Cadence Clarity) präzise modelliert und optimiert werden. Back-Drilling wird häufig eingesetzt, um überschüssige Stubs in Hochgeschwindigkeits-Vias zu entfernen und Signalreflexionen zu vermeiden.
• High-Density-Interconnect (HDI)-Technologie: Um die Länge kritischer Signalleitungen zu verkürzen und die Verdrahtungsdichte zu erhöhen, sind HDI-PCB-Technologien wie Mikrovias und gestapelte Vias zum Standard geworden. Dies ermöglicht kompakte und effiziente Layouts um CPUs und Hochgeschwindigkeitsschnittstellen.

Stromversorgungsintegrität (PI): Die Kunst der Versorgung tausender Kerne

Moderne Serverprozessoren und KI-Beschleuniger verbrauchen Hunderte von Watt, mit Spitzenströmen von Hunderten von Ampere, und der Strombedarf schwankt innerhalb von Nanosekunden erheblich. Die Bereitstellung einer stabilen, sauberen Stromversorgung für diese "Stromfresser" ist die Hauptaufgabe des Stromversorgungsintegritätsdesigns (PI). Ein schlecht konzipiertes Stromverteilungsnetz (PDN) kann zu Spannungseinbrüchen (Vdroop) und Stromversorgungsrauschen führen, was im besten Fall die Systemleistung beeinträchtigt und im schlimmsten Fall zu Systemabstürzen führt.

Der Schlüssel zum PI-Design liegt im Aufbau eines ultra-niederohmigen Pfads vom Spannungsreglermodul (VRM) zu den Chip-Pins:

• Mehrschichtige Stromversorgungs-/Masse-Ebenen: Verwenden Sie Mehrschicht-PCBs mit mehreren vollständigen Kupferebenen für Stromversorgung und Masse. Diese Ebenen wirken wie riesige Kondensatoren und bieten niederohmige Pfade für Hochgeschwindigkeits-Stromtransienten.
• Präzises Entkopplungskondensatornetzwerk: Hunderte bis Tausende von Entkopplungskondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitätswerten müssen sorgfältig um den Chip und über die gesamte Leiterplatte platziert werden. Diese Kondensatoren dienen als lokale Energiespeicher in verschiedenen Frequenzbereichen und reagieren schnell auf die transienten Stromanforderungen des Chips.
• Co-Simulation und Optimierung: PI und SI sind keine isolierten Probleme mehr, sie beeinflussen sich gegenseitig. Hochgeschwindigkeitssignalschaltungen können Stromversorgungsrauschen (d.h. Simultaneous Switching Noise, SSN) verursachen, was wiederum das Signalreferenzniveau beeinflusst und Jitter erhöht. Daher ist eine SI/PI-Co-Simulation unerlässlich, um die Robustheit des gesamten Systems sicherzustellen. Diese Komplexität zeigt sich auch bei der Migration traditioneller Mobile Switching Centers zu virtualisierten Plattformen, was höhere Anforderungen an die Stromstabilität der zugrunde liegenden Hardware stellt.

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Thermomanagement-Herausforderungen: Kühl bleiben bei kW-Leistung

Stromverbrauch und Wärmeentwicklung sind zwei Seiten derselben Medaille. Ein voll ausgelastetes Hochleistungs-Server-Rack kann mehrere Kilowatt verbrauchen, wobei fast die gesamte Energie letztlich in Wärme umgewandelt wird. Wenn die Wärme nicht effektiv abgeführt wird, steigen die Chiptemperaturen stark an, was zu Drosselung oder sogar dauerhaften Schäden führt. Die Leiterplatte spielt eine entscheidende Rolle in der gesamten Wärmemanagement-Kette.

Thermomanagement-Strategien auf PCB-Ebene umfassen:

• Hochleitfähige Materialien und dicke Kupferschichten: Die Verwendung von High-Tg-PCB-Materialien mit höheren Glasübergangstemperaturen gewährleistet mechanische und elektrische Stabilität bei hohen Temperaturen. Dickere Kupferebenen (z.B. 3-4 oz Kupfer) oder Heavy-Copper-PCB-Technologie können Wärme effektiv von leistungsstarken Bauteilen ableiten.
• Wärmeleitungen (Thermal Vias): Dichte Anordnungen von Wärmeleitungen unter Hochleistungschips wie CPUs und FPGAs leiten Wärme schnell auf die gegenüberliegende Seite der Leiterplatte, wo sie durch Kühlkörper abgeführt wird.
• Eingebettete Kühltechnologien: Fortgeschrittenere Techniken umfassen eingebettete Kupfermünzen oder Heatpipes, die direkt mit wärmeerzeugenden Komponenten in Kontakt stehen und extrem niedrige Wärmewiderstände bieten.
• Layout-Optimierung: Beim PCB-Layout muss das Luftstromdesign im Servergehäuse berücksichtigt werden, wobei Hochtemperaturkomponenten in Bereichen mit maximalem Luftstrom platziert und "Hot Spots" vermieden werden sollten.

Entwicklung von PCB-Materialien und Fertigungsprozessen

Um den gleichzeitigen Anforderungen an hohe Geschwindigkeit, hohe Leistung und hohe Zuverlässigkeit gerecht zu werden, stoßen Server-PCBs für VLR/AMF-Funktionen die Grenzen von Materialien und Fertigungsprozessen vor.

Leistungsvergleich von Server-PCB-Materialien

Parameter	Standard FR-4	Mittelverlustmaterialien	Ultra-Niedrigverlust-Material
Dielektrizitätskonstante (Dk @10GHz)	~4.5	~3.8	~3.2
Verlustfaktor (Df @10GHz)	~0.020	~0.008	<0.003
Glasübergangstemperatur (Tg)	130-140 °C	170-180 °C	>200 °C
Anwendungsszenarien	Niedriggeschwindigkeits-Steuerplatinen	PCIe 3.0/4.0, 10GbE	5G-Kernnetze, 112G+ SerDes

In der Fertigungstechnik ist die Schichtausrichtung bei komplexen Leiterplatten mit mehr als 20 Lagen eine der größten Herausforderungen. Selbst kleinste Abweichungen können zu fehlerhaften Bohrungen führen, was Kurzschlüsse oder Unterbrechungen verursacht. Zudem erfordern Durchkontaktierungen mit hohem Aspektverhältnis (Plattendicke/Bohrungsdurchmesser), die Ebenheitskontrolle von BGA-Pads (Via-in-Pad Planarization) und ähnliche Prozesse hochwertige Ausrüstung und strenge Prozesskontrolle. Die Zuverlässigkeit dieser Fertigungsprozesse beeinflusst direkt die Stabilität kritischer Sicherheitsfunktionen wie der **Authentication Center PCB** und des **Equipment Identity Register**.

Die Rolle von VLR/AMF bei Network Slicing und Edge Computing

Eine revolutionäre Fähigkeit von 5G ist Network Slicing – die Erstellung mehrerer virtueller End-to-End-Netze auf derselben physischen Infrastruktur, um unterschiedliche Anwendungsanforderungen (z.B. eMBB, URLLC, mMTC) zu erfüllen. Die AMF (Nachfolger der VLR) spielt eine zentrale Rolle bei Benutzerzugriff und Slice-Auswahl. Sie muss den Slice des Benutzers identifizieren und Mobilität sowie Sitzungskontinuität über Slices hinweg gewährleisten.

Darüber hinaus verlagern sich Netzwerkfunktionen für ultra-latenzkritische Anwendungen wie URLLC von zentralisierten Rechenzentren an den Netzwerkrand (MEC). Dies bedeutet, dass einige AMF-Funktionen ebenfalls verteilt bereitgestellt werden können. Diese Architektur stellt neue Anforderungen an das PCB-Design:

• Vielfältige Hardware-Formfaktoren: Edge-Server folgen möglicherweise nicht mehr dem Standard-19-Zoll-Rack-Design, sondern nutzen kleinere, robustere Formen für unterschiedliche Umgebungen.
• Umweltanpassungsfähigkeit: Edge-PCBs müssen möglicherweise größere Temperaturbereiche, Feuchtigkeit und Vibrationen aushalten, was höhere Zuverlässigkeit und Haltbarkeit erfordert.
• Synchronisierung und Koordination: Verteilte AMF-Knoten erfordern eine präzise Zeitsynchronisierung und Zustandskoordination, was neue Herausforderungen für die Taktkreiskonstruktion und Hochgeschwindigkeitsverbindungen auf Leiterplatten darstellt. Diese Komplexität verteilter Kernnetzwerke übertrifft bei weitem die traditionelle zentralisierte Mobile Switching Center-Architektur und hat tiefgreifende Auswirkungen auf das gesamte Packet Core PCB-Ökosystem.

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Ausblick auf 6G: KI-native Kernnetzwerke und die Zukunft von Leiterplatten

In der 6G-Ära werden Netzwerke intelligenter, endogener und konvergenter werden. Das Kernnetzwerk wird voraussichtlich "KI-nativ" sein und prädiktive Ressourcenplanung, intelligente Fehlerbehebung und kontextbewusstes Mobilitätsmanagement ermöglichen. Die zukünftige Form von VLR/AMF wird eine hochintelligente kognitive Mobilitätsmanagementfunktion sein.

Dies wird tiefgreifende Auswirkungen auf die zugrundeliegenden Leiterplattentechnologien haben:

• Tiefe Integration von Rechenleistung und Verbindung: KI/ML-Beschleuniger (z.B. TPU, NPU) werden enger mit CPUs und Netzwerkschnittstellen auf demselben Substrat integriert sein, sogar unter Verwendung von Chiplet- und Co-Packaged-Optics (CPO)-Technologien. Leiterplatten werden sich zu hochintegrierten System-in-Package (SiP)-Substraten entwickeln.
• Co-Packaged-Optik: Da Datenraten Tbps-Niveaus erreichen, stoßen traditionelle elektrische Verbindungen an Grenzen. Optische Verbindungstechnologien werden auf Leiterplattenebene eingeführt, um ultraschnelle, energieeffiziente Datenübertragung zwischen Chips, Platinen und sogar Racks zu ermöglichen.
• Intelligentes Wärme- und Strommanagement: Leiterplatten werden mehr Sensoren integrieren, um Temperatur und Spannung in Echtzeit zu überwachen und Lüftergeschwindigkeiten sowie VRM-Ausgaben durch KI-Algorithmen dynamisch anzupassen, um präzises intelligentes Strom- und Wärmemanagement zu ermöglichen.
• Anwendung neuer Materialien: Zur Unterstützung von THz-Kommunikation und höheren digitalen Signalgeschwindigkeiten müssen neue Leiterplattenmaterialien wie Keramik, Glas und Flüssigkristallpolymere (LCP) erforscht werden.

Fazit

Die Entwicklung des Visitor Location Register ist ein Mikrokosmos des gesamten mobilen Kommunikationsnetzwerks, das sich von dedizierter Hardware zu offenen, cloud-nativen und intelligenten Systemen entwickelt. Heute wird diese kritische Funktion nicht mehr von isolierten Leiterplatten unterstützt, sondern von hochleistungsfähigen Server-PCBs in globalen Rechenzentren und Netzwerkrandbereichen, die technologisch hoch entwickelt sind. Die Beherrschung der drei großen Herausforderungen – Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität, Stromintegrität und Wärmemanagement – ist entscheidend für die Leistung von 5G-Netzwerken und die Machbarkeit zukünftiger 6G-Netzwerke. Für PCB-Hersteller, Netzwerkausrüster und Betreiber sind kontinuierliche Innovation und Investitionen in Materialwissenschaften, Designmethoden und Fertigungsprozesse nicht nur notwendig, um aktuelle Herausforderungen zu bewältigen, sondern auch die strategische Grundlage, um den Kommunikationstechnologiewettbewerb im nächsten Jahrzehnt zu gewinnen.

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