Visitor Location Register : Relever les défis de haute vitesse et haute densité des PCB des serveurs de data centers

Dans le grand schéma des réseaux de communication 5G et futurs, chaque milliseconde de latence et chaque bit transmis sont cruciaux. En tant que composant central du système nerveux des réseaux mobiles, le Visitor Location Register (VLR) et sa forme évoluée à l'ère de la 5G—la fonction de gestion de l'accès et de la mobilité (AMF)—sont essentiels pour assurer une connectivité et un roaming sans faille pour des billions d'appareils dans le monde. Cependant, la mise en œuvre de cette fonctionnalité est passée des équipements télécoms dédiés traditionnels à des logiciels virtualisés fonctionnant sur des serveurs haute performance dans les data centers. Cette transformation fondamentale a déplacé le centre des défis directement vers les circuits imprimés (PCB) qui supportent ces calculs complexes—ils sont la fondation physique déterminant les performances, la fiabilité et l'évolutivité du réseau.

Fonctions principales du VLR et son évolution dans l'architecture 5G

À l'époque des réseaux 2G/3G/4G, le Visitor Location Register était une base de données étroitement intégrée au Mobile Switching Center (MSC), dont la responsabilité principale était de stocker temporairement les informations d'abonnement, les données de localisation et les paramètres d'authentification des utilisateurs en itinérance. Lorsqu'un utilisateur entrait dans une nouvelle zone de service MSC, le VLR récupérait les données depuis le Home Location Register (HLR) de l'utilisateur, permettant ainsi un traitement local des appels et une gestion de la mobilité, évitant des requêtes fréquentes et distantes vers la base de données centrale du réseau. Dans ce processus, le VLR devait collaborer avec le PCB du Centre d'Authentification pour vérifier la légitimité des identités utilisateurs ; il interrogeait également le Registre des Identités des Équipements (EIR) pour confirmer la validité des appareils mobiles, empêchant ainsi l'accès au réseau d'appareils volés ou non autorisés.

À l'ère de la 5G, avec l'évolution des architectures réseau vers des modèles basés sur les services (SBA) et cloud-native, la forme physique indépendante du VLR a disparu. Ses fonctions principales—gestion de la mobilité, enregistrement et gestion de l'accessibilité—ont été intégrées dans la AMF (Access and Mobility Management Function) au sein du cœur de réseau 5G (5GC). Ce changement signifie que les tâches autrefois gérées par du matériel dédié sont maintenant exécutées par des logiciels hautement complexes fonctionnant sur des serveurs commerciaux standards (COTS). Par conséquent, ce que nous appelons aujourd'hui « matériel VLR » fait en réalité référence aux PCB Packet Core haute performance qui soutiennent l'ensemble du réseau cœur 5G. Ces PCB doivent gérer des débits de données et des tempêtes de signalisation sans précédent, fournissant une base solide pour un fonctionnement stable du réseau.

Des nœuds dédiés au cloud-native : une transformation radicale pour le matériel PCB

Le passage des équipements télécoms dédiés aux serveurs cloud-native a introduit des exigences disruptives pour les concepts et technologies de conception des PCB. Le matériel télécom traditionnel utilise généralement des ASIC sur mesure et des processeurs réseau, avec des conceptions PCB complexes mais relativement fixes et des objectifs d'optimisation clairs. Dans une architecture cloud-native, les PCB des serveurs hébergeant la AMF (anciennement fonction VLR) doivent atteindre une versatilité, une évolutivité et une densité de calcul extrêmes.

Cette transformation apporte plusieurs défis majeurs :

1. Augmentation exponentielle de la densité de calcul : Les CPU modernes des serveurs possèdent des centaines de cœurs, complétés par des FPGA et des cartes réseau intelligentes (SmartNICs) pour l'accélération du trafic, le tout intégré sur une seule carte mère. Cela exige une densité de câblage PCB extrêmement élevée, souvent supérieure à 20 couches, pour accueillir des dizaines de milliers de points de connexion et des réseaux d'alimentation complexes.
2. Croissance explosive de la bande passante I/O : La AMF nécessite une communication à haute vitesse avec d'autres fonctions du réseau cœur (par exemple SMF, UDM, AUSF) et avec un nombre massif d'équipements Radio Access Network (RAN). Cela signifie que les PCB des serveurs doivent supporter plusieurs liaisons Ethernet 100/200/400 Gbps et utiliser des bus haute vitesse comme PCIe 5.0/6.0 pour connecter les composants internes.
3. Exigences de fiabilité inchangées : Malgré le passage à des serveurs universels comme plateforme matérielle, l'exigence de fiabilité "five nines" (99,999 %) de niveau télécom reste inchangée. Cela impose des normes strictes sur le choix des matériaux des PCB, les procédés de fabrication et la stabilité à long terme. Même en cas de problèmes de connectivité dans les PCB Small Cell en périphérie, la stabilité du cœur de réseau ne doit pas être affectée le moins du monde.

Intégrité du signal haute vitesse (SI) : Maîtriser la conception PCB à l'ère du 224 Gbps

Sur les cartes mères de serveurs supportant les fonctionnalités VLR/AMF, les données circulent à des vitesses impressionnantes. La technologie de signalisation PAM4 à 224 Gbps est déjà discutée et progressivement adoptée dans l'industrie, posant des défis sans précédent à l'intégrité du signal (SI) des PCB. Les moindres défauts de conception, tels que les désadaptations d'impédance, les souches de vias ou les pertes de matériau, peuvent provoquer de graves distorsions du signal, entraînant des erreurs de bits importantes et, finalement, des interruptions de service réseau.

Pour relever ces défis, la conception des PCB doit employer une série de techniques avancées :

• Matériaux à pertes ultra-faibles : Les matériaux FR-4 traditionnels présentent des pertes excessives à haute fréquence et ne répondent plus aux exigences. Les concepteurs doivent se tourner vers des matériaux stratifiés à pertes ultra-faibles (Very Low Loss) ou extrêmement faibles (Extremely Low Loss) comme le Megtron 7 et le Tachyon 100G. Ces matériaux réduisent considérablement l'atténuation du signal lors de la transmission. Pour les PCB haute vitesse recherchant des performances ultimes, le choix des matériaux est la première étape vers le succès.
• Routage et simulation de précision : La longueur, l'espacement, les courbes des paires différentielles et la conception des vias doivent être modélisés et optimisés avec précision à l'aide de logiciels de simulation SI professionnels (comme Ansys HFSS, Cadence Clarity). La technique de perçage arrière (back-drilling) est largement utilisée pour éliminer les souches superflues dans les vias des signaux haute vitesse, supprimant ainsi les réflexions du signal.
• Technologie d'interconnexion à haute densité (HDI) : Pour raccourcir la longueur des trajets des signaux critiques et augmenter la densité de routage, les technologies HDI PCB, comme les microvias et les vias empilés, sont devenues la norme. Cela permet des agencements compacts et efficaces autour des CPU et des interfaces haute vitesse.

Intégrité de l'alimentation (PI) : L'art d'alimenter des milliers de cœurs

Les processeurs de serveurs modernes et les accélérateurs d'IA consomment des centaines de watts, avec des pics de courant atteignant des centaines d'ampères, et la demande de courant varie considérablement en quelques nanosecondes. Fournir une alimentation stable et propre à ces "monstres énergivores" est la tâche principale de la conception de l'intégrité de l'alimentation (PI). Un réseau de distribution d'alimentation (PDN) mal conçu peut provoquer des chutes de tension (Vdroop) et du bruit d'alimentation, affectant au mieux les performances du système et provoquant au pire des plantages.

La clé de la conception PI réside dans la construction d'un chemin à très faible impédance du module de régulation de tension (VRM) aux broches de la puce :

• Plans d'alimentation/masse multicouches : Utilisez des conceptions PCB multicouches avec plusieurs plans de cuivre complets dédiés à l'alimentation et à la masse. Ces plans agissent comme des condensateurs géants, fournissant des chemins à faible impédance pour les transitoires de courant à haute vitesse.
• Réseau de condensateurs de découplage précis : Des centaines à des milliers de condensateurs de découplage avec différentes valeurs de capacité doivent être soigneusement placés autour de la puce et sur l'ensemble du PCB. Ces condensateurs servent de réservoirs d'énergie locaux à différentes plages de fréquences, répondant rapidement aux demandes de courant transitoire de la puce.
• Co-simulation et optimisation: PI et SI ne sont plus des problèmes isolés ; ils s'influencent mutuellement. La commutation de signaux à haute vitesse peut provoquer du bruit d'alimentation (c'est-à-dire Simultaneous Switching Noise, SSN), qui à son tour affecte le niveau de référence du signal et augmente le jitter. Par conséquent, une co-simulation SI/PI est essentielle pour garantir la robustesse de l'ensemble du système. Cette complexité se reflète également dans la migration des Mobile Switching Centers traditionnels vers des plates-formes virtualisées, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de stabilité de l'alimentation électrique du matériel sous-jacent.

Obtenir un devis PCB

Défis de gestion thermique : Maintenir le refroidissement sous une consommation de puissance en kW

La consommation d'énergie et la génération de chaleur sont deux faces d'une même pièce. Un rack serveur haute performance pleinement chargé peut consommer plusieurs kilowatts, cette énergie étant presque entièrement convertie en chaleur. Si la chaleur n'est pas efficacement évacuée, les températures des puces augmenteront rapidement, entraînant une réduction des performances ou des dommages permanents. Le PCB joue un rôle crucial dans toute la chaîne de gestion thermique.

Les stratégies de gestion thermique au niveau PCB comprennent :

• Matériaux à haute conductivité thermique et couches de cuivre épaisses : L'utilisation de matériaux PCB à haut Tg avec des températures de transition vitreuse plus élevées garantit une stabilité mécanique et électrique à haute température. L'intégration de plans de cuivre plus épais (par exemple 3-4 oz) ou l'utilisation de la technologie PCB à cuivre épais peut efficacement dissiper la chaleur des composants haute puissance.
• Vias thermiques : Des réseaux denses de vias thermiques sous les puces haute puissance comme les CPU et FPGA transfèrent rapidement la chaleur vers l'autre face du PCB, où elle peut être dissipée par des dissipateurs.
• Technologies de refroidissement intégrées : Des techniques plus avancées incluent l'intégration de pièces de cuivre ou de caloducs en contact direct avec les composants générateurs de chaleur, offrant des chemins de dissipation à très faible résistance thermique.
• Optimisation de la disposition : Lors de la conception du PCB, il faut tenir compte de la circulation d'air dans le châssis du serveur, en plaçant les composants à haute température dans les zones de flux d'air maximal et en évitant les "points chauds" concentrés.

Évolution des matériaux et procédés de fabrication des PCB

Pour répondre simultanément aux exigences de haute vitesse, haute puissance et haute fiabilité, les PCB serveur hébergeant des fonctions VLR/AMF repoussent les limites des matériaux et des procédés de fabrication.

Comparaison des performances des matériaux PCB pour serveurs

Paramètre	FR-4 standard	Matériaux à pertes moyennes	Matériau à perte ultra-faible
Constante diélectrique (Dk @10GHz)	~4.5	~3.8	~3.2
Facteur de perte (Df @10GHz)	~0.020	~0.008	<0.003
Température de transition vitreuse (Tg)	130-140 °C	170-180 °C	>200 °C
Scénarios d'application	Cartes de contrôle basse vitesse	PCIe 3.0/4.0, 10GbE	Cœurs de réseau 5G, 112G+ SerDes

En termes de procédés de fabrication, pour les circuits imprimés complexes de plus de 20 couches, la précision d'alignement intercouches est l'un des plus grands défis. Toute légère déviation peut entraîner un désalignement des trous de via, provoquant des circuits ouverts ou des courts-circuits. De plus, la galvanoplastie des trous traversants à rapport d'aspect élevé (épaisseur de la carte/diamètre du trou), le contrôle de la planéité des pastilles BGA (Via-in-Pad Planarization) et d'autres facteurs nécessitent des équipements de pointe et un contrôle strict des procédés. La fiabilité de ces procédés de fabrication a un impact direct sur la stabilité des fonctions de sécurité critiques telles que le **PCB du Centre d'Authentification** et le **Registre d'Identité des Équipements**.

Rôle du VLR/AMF dans le Network Slicing et l'Edge Computing

L'une des capacités révolutionnaires de la 5G est le network slicing : la création de multiples réseaux virtuels bout-en-bout sur la même infrastructure physique pour répondre à des besoins applicatifs divers (p. ex. eMBB, URLLC, mMTC). L'AMF (successeur du VLR) joue un rôle clé dans l'accès utilisateur et la sélection des slices. Il doit identifier le slice de l'utilisateur et assurer la mobilité et la continuité de session entre slices.

De plus, pour supporter des applications à ultra-faible latence comme l'URLLC, les fonctions réseau migrent des centres de données centralisés vers la périphérie (MEC). Ainsi, certaines fonctionnalités de l'AMF pourraient être déployées de manière distribuée. Cette architecture impose de nouvelles exigences pour la conception des PCB :

• Formes matérielles diversifiées : les serveurs en périphérie pourraient abandonner le format rack 19 pouces standard pour des formes plus compactes et robustes, adaptées à divers environnements.
• Adaptabilité environnementale : les PCB des nœuds périphériques pourraient devoir supporter des plages de température, humidité et vibrations plus larges, nécessitant une fiabilité et durabilité accrues.
• Synchronisation et coordination: Les nœuds AMF distribués nécessitent une synchronisation temporelle précise et une coordination d'état, ce qui pose de nouveaux défis pour la conception des circuits d'horloge et des interconnexions haute vitesse sur les PCB. Cette complexité des réseaux cœur distribués dépasse de loin l'architecture centralisée traditionnelle du Mobile Switching Center, ayant un impact profond sur tout l'écosystème Packet Core PCB.

Obtenir un devis PCB

Perspective pour la 6G : Réseaux cœur IA-natifs et avenir des PCB

À l'ère de la 6G, les réseaux deviendront plus intelligents, endogènes et convergents. Le réseau cœur devrait être "IA-natif", capable de planification prédictive des ressources, d'auto-réparation intelligente des pannes et de gestion de mobilité contextuelle. La forme future de VLR/AMF sera une fonction cognitive de gestion de mobilité hautement intelligente.

Cela aura des implications profondes sur les technologies PCB sous-jacentes :

• Intégration profonde du calcul et de l'interconnexion: Les accélérateurs IA/ML (par ex. TPU, NPU) seront plus étroitement intégrés avec les CPU et interfaces réseau sur le même substrat, adoptant même des technologies de puces (Chiplet) et d'optique co-emballée (CPO). Les PCB évolueront vers des substrats system-in-package (SiP) hautement intégrés.
• Optique co-emballée: Avec des débits de données approchant les niveaux Tbps, les interconnexions électriques traditionnelles rencontreront des limites. Les technologies d'interconnexion optique seront introduites au niveau PCB, permettant des transmissions de données ultra-rapides et à faible consommation entre puces, cartes et même racks.
• Refroidissement et alimentation intelligents: Les PCB intégreront plus de capteurs pour surveiller en temps réel la température et la tension, ajustant dynamiquement les vitesses des ventilateurs et les sorties VRM via des algorithmes IA pour une gestion intelligente et précise de l'alimentation et de la chaleur.
• Application de nouveaux matériaux: Pour supporter les communications en bande THz et des signaux numériques plus rapides, il faudra explorer de nouveaux matériaux de substrat PCB comme la céramique, le verre et les polymères à cristaux liquides (LCP).

Conclusion

L'évolution du Visitor Location Register est un microcosme de l'ensemble du réseau de communication mobile, passant d'un matériel dédié à des systèmes ouverts, cloud-native et intelligents. Aujourd'hui, cette fonction critique n'est plus supportée par des cartes de circuits isolées, mais par des PCB de serveurs haute performance situés dans des centres de données mondiaux et en périphérie du réseau, technologiquement très avancés. Maîtriser les trois principaux défis que sont l'intégrité du signal à haute vitesse, l'intégrité de l'alimentation et la gestion thermique est devenu essentiel pour déterminer les performances des réseaux 5G et la faisabilité des futurs réseaux 6G. Pour les fabricants de PCB, les équipementiers réseau et les opérateurs, l'innovation et les investissements continus dans les sciences des matériaux, les méthodologies de conception et les procédés de fabrication ne sont pas seulement nécessaires pour relever les défis actuels, mais aussi la pierre angulaire stratégique pour gagner la course technologique des communications dans la prochaine décennie.

Related links

• PCB haute vitesse
• HDI PCB
• PCB multicouches
• PCB à haut Tg
• PCB à cuivre épais