Dans le monde actuel axé sur les données, les centres de données servent de moteurs à l'économie numérique, les serveurs agissant comme leurs unités de puissance centrales. Au cœur de chaque serveur se trouve la carte de circuit imprimé (PCB) du chipset du serveur, qui supporte des composants critiques tels que les CPU, la mémoire et les E/S. La qualité de sa conception et de sa fabrication détermine directement les performances, la stabilité et l'efficacité énergétique de l'ensemble du système. Avec le développement rapide de l'intelligence artificielle, du cloud computing et de l'analyse des mégadonnées, la densité de calcul et les taux de transfert de données des chipsets de serveurs ont atteint des sommets sans précédent, posant des défis importants à la conception et à la fabrication des PCB.

En tant que fournisseur leader de solutions de cartes de circuits imprimés, Highleap PCB Factory (HILPCB) met à profit des années d'expertise pour fournir des PCB de serveurs hautes performances et hautement fiables à ses clients de centres de données mondiaux. Cet article explore les défis techniques fondamentaux des PCB de chipsets de serveurs et démontre comment HILPCB relève ces complexités grâce à des processus de fabrication avancés et des services tout-en-un, permettant la création de matériel de centre de données exceptionnel. Comprendre comment HILPCB peut optimiser la conception de votre serveur est une étape cruciale vers le succès.

Pourquoi la conception de l'empilement est-elle essentielle pour les PCB de serveurs ?

La conception de l'empilement (stack-up) d'une carte PCB de serveur constitue le fondement de l'ensemble du projet - c'est bien plus que la simple superposition de cuivre et de matériaux isolants. Une structure d'empilement méticuleusement optimisée est une condition préalable pour garantir l'intégrité du signal (SI), l'intégrité de l'alimentation (PI) et la compatibilité électromagnétique (CEM). Pour les cartes système de serveur complexes, la conception de l'empilement a un impact direct sur la stabilité et la fiabilité de la transmission des données.

Un empilement typique de PCB de serveur multicouche se compose des composants clés suivants :

• Couches de signal: Utilisées pour le routage des paires différentielles à haute vitesse telles que PCIe, DDR et CXL. Ces couches sont généralement prises en sandwich entre des plans de masse ou d'alimentation pour former des structures microstrip ou stripline, permettant un contrôle précis de l'impédance.
• Plans de masse: Fournissent un plan de référence stable, offrant le chemin de retour le plus court pour les signaux à haute vitesse et supprimant efficacement la diaphonie et les interférences électromagnétiques (EMI). Des plans de masse continus sont essentiels pour maintenir la qualité du signal.
• Plans d'alimentation: Fournissent des chemins de courant à faible impédance pour les composants de haute puissance tels que les CPU, les GPU et la mémoire. Plusieurs domaines d'alimentation indépendants sont souvent conçus pour s'adapter aux différentes exigences de tension et de courant. Pour la sélection des matériaux, les PCB de serveurs utilisent couramment des matériaux à faible perte ou à très faible perte tels que Megtron 6 ou Tachyon 100G. Ces matériaux présentent de faibles constantes diélectriques (Dk) et facteurs de dissipation (Df), réduisant considérablement l'atténuation du signal lors de la transmission à haute vitesse. HILPCB possède une vaste expérience dans l'utilisation de divers matériaux pour PCB haute vitesse et peut recommander la solution d'empilement optimale en fonction des exigences spécifiques de performance et de coût des clients.

Comment relever les défis de l'intégrité du signal haute vitesse dans les cartes mères de serveurs ?

Avec l'adoption généralisée des technologies PCIe 5.0/6.0, de la mémoire DDR5 et des interconnexions CXL, les débits de signal sur les cartes mères de serveurs ont atteint le domaine de 32 GT/s et au-delà. À de si hautes fréquences, même des défauts de conception mineurs peuvent entraîner une distorsion du signal, des erreurs de données ou des défaillances du système. Ainsi, garantir l'intégrité du signal (SI) est devenu l'une des tâches les plus exigeantes dans la conception de PCB de chipset de serveur.

Les principaux défis de l'intégrité du signal et les stratégies d'atténuation comprennent :

1. Contrôle précis de l'impédance : Les pistes de signal haute vitesse nécessitent une adaptation d'impédance stricte (généralement une impédance différentielle de 90Ω ou 100Ω). Cela exige des fabricants de PCB un contrôle extrêmement précis de la largeur des pistes, de l'épaisseur du diélectrique et du poids du cuivre. HILPCB utilise des équipements avancés d'AOI (Inspection Optique Automatisée) et de test d'impédance pour garantir que les tolérances d'impédance sont maintenues à ±5%.
2. Suppression de la diaphonie: Dans le câblage haute densité, le couplage électromagnétique entre les lignes de signal adjacentes peut provoquer de la diaphonie. L'augmentation de l'espacement des lignes, l'optimisation des chemins de routage et l'utilisation de fils de blindage de masse sont des méthodes efficaces pour réduire la diaphonie.
3. Réduction de la perte d'insertion: La perte d'énergie des signaux le long du chemin de transmission est appelée perte d'insertion. Le choix de matériaux de PCB à faible perte et l'optimisation de la conception des vias (par exemple, en utilisant le contre-perçage pour éliminer les stubs de via excédentaires) sont essentiels pour minimiser les pertes.
4. Optimisation de la conception des vias: Les vias sont des canaux reliant les signaux à travers différentes couches dans les cartes multicouches, mais ils introduisent également des discontinuités dans le chemin du signal. Pour une carte PCB de socket de serveur complexe, où des milliers de connexions existent entre le CPU et la mémoire DDR, l'optimisation des dimensions des vias, des pastilles et des conceptions anti-pastilles est essentielle pour maintenir l'intégrité du signal.

Quelles sont les stratégies avancées de conception de réseau de distribution d'énergie (PDN) ?

Les CPU et GPU de serveurs modernes peuvent consommer des centaines de watts de puissance, avec des courants de crête atteignant des centaines d'ampères, et générer de sévères courants transitoires lors des variations de charge. Un réseau de distribution d'énergie (PDN) robuste est la bouée de sauvetage qui garantit le fonctionnement stable de ces "bêtes gourmandes en énergie". L'objectif de la conception PDN est de fournir une tension stable et propre à la puce dans toutes les conditions de fonctionnement.

Les stratégies clés pour la conception PDN incluent :

• Chemins à faible impédance : Construire des chemins de courant à faible impédance du module régulateur de tension (VRM) aux broches de la puce en utilisant de larges plans d'alimentation et de masse, ainsi qu'un nombre adéquat de vias. Cela minimise la chute de tension (chute IR).
• Découplage en couches: Placer stratégiquement un grand nombre de condensateurs de découplage avec des valeurs de capacité variables sur le PCB. Les condensateurs de grande capacité (généralement électrolytiques ou au tantale) sont placés près du VRM pour répondre aux fluctuations de courant à basse fréquence, tandis que les petits condensateurs céramiques sont placés aussi près que possible des broches de la puce pour filtrer le bruit haute fréquence et répondre aux demandes de courant transitoire.
• Optimisation de l'agencement des VRM: Placer les VRM aussi près que possible des puces qu'ils alimentent peut raccourcir le chemin du courant, réduisant ainsi l'inductance et la résistance, améliorant l'efficacité de l'alimentation et la vitesse de réponse. Dans les PCB de serveurs 2U à espace contraint, l'agencement des VRM est particulièrement difficile.

L'équipe DFM (Design for Manufacturability) de HILPCB travaille en étroite collaboration avec les clients pour identifier les risques potentiels d'intégrité de l'alimentation par le biais d'analyses de simulation PI avant la fabrication et fournit des recommandations d'optimisation pour garantir les performances électriques du produit final.

Comment optimiser les performances de gestion thermique pour les PCB de centres de données ?

La chaleur est l'ennemi juré des centres de données. Les puces de serveur génèrent une chaleur importante à pleine charge, et si elle n'est pas efficacement dissipée, cela peut entraîner un étranglement, une dégradation des performances, voire des dommages permanents. La carte PCB du chipset du serveur elle-même est un maillon critique dans la génération et la conduction de la chaleur, rendant sa conception de gestion thermique indispensable.

Les stratégies efficaces de gestion thermique des PCB incluent :

• Utilisation de matériaux à haute conductivité thermique: Lorsque les matériaux FR-4 standard ne peuvent pas répondre aux exigences de refroidissement, des matériaux à haute conductivité thermique (High-Tg) peuvent être adoptés, ou des PCB à âme métallique (MCPCB) ou la technologie de blocs de cuivre intégrés peuvent être utilisés dans des zones spécifiques.
• Optimisation de la disposition des feuilles de cuivre: Le placement de feuilles de cuivre de grande surface sur la surface et les couches internes du PCB peut agir comme des dissipateurs de chaleur efficaces, distribuant uniformément la chaleur de la source à d'autres zones du PCB. L'utilisation de la technologie PCB en cuivre épais (3oz ou plus) peut améliorer considérablement les capacités de transport de courant et de dissipation thermique.
• Conception de vias thermiques: L'agencement dense de vias thermiques sous les pastilles des composants générateurs de chaleur (par exemple, CPU, VRM) peut rapidement transférer la chaleur vers le dissipateur thermique arrière ou le plan de masse du PCB.
• Analyse de Simulation Thermique: La réalisation de simulations thermiques pendant la phase de conception peut prédire la distribution des points chauds sur le PCB, permettant une optimisation précoce de l'agencement des composants et de la conception du refroidissement. Pour les plateformes comme les PCB Threadripper, conçues pour le calcul haute performance, la gestion thermique est particulièrement critique en raison de leur consommation d'énergie CPU extrêmement élevée.