Nel mondo odierno basato sui dati, i data center fungono da motori dell'economia digitale, con i server che agiscono come le loro unità di potenza principali. Al centro di ogni server si trova la PCB del Chipset del Server, che ospita componenti critici come CPU, memoria e I/O. La qualità del suo design e della sua fabbricazione determina direttamente le prestazioni, la stabilità e l'efficienza energetica dell'intero sistema. Con il rapido sviluppo dell'intelligenza artificiale, del cloud computing e dell'analisi dei big data, la densità computazionale e le velocità di trasferimento dati dei chipset dei server hanno raggiunto livelli senza precedenti, ponendo sfide significative alla progettazione e alla fabbricazione delle PCB.

In qualità di fornitore leader di soluzioni per circuiti stampati, Highleap PCB Factory (HILPCB) sfrutta anni di esperienza per fornire PCB per server ad alte prestazioni e altamente affidabili ai clienti globali di data center. Questo articolo approfondisce le sfide tecniche fondamentali delle PCB del Chipset del Server e dimostra come HILPCB affronta queste complessità attraverso processi di produzione avanzati e servizi one-stop, consentendo la creazione di hardware eccezionale per data center. Comprendere come HILPCB può ottimizzare il design del vostro server è un passo cruciale verso il successo.

Perché il design dello stack-up è fondamentale per le PCB dei server?

Il design dello stack-up di una PCB per server funge da fondamento dell'intero progetto-è molto più che semplicemente stratificare rame e materiali isolanti. Una struttura di stack-up meticolosamente ottimizzata è un prerequisito per garantire l'integrità del segnale (SI), l'integrità dell'alimentazione (PI) e la compatibilità elettromagnetica (EMC). Per le complesse schede di sistema per server, il design dello stack-up influisce direttamente sulla stabilità e l'affidabilità della trasmissione dei dati.

Uno stack-up tipico di una PCB multistrato per server è costituito dai seguenti componenti chiave:

• Strati di segnale: Utilizzati per il routing di coppie differenziali ad alta velocità come PCIe, DDR e CXL. Questi strati sono tipicamente interposti tra piani di massa o di alimentazione per formare strutture a microstriscia o stripline, consentendo un controllo preciso dell'impedenza.
• Piani di massa: Forniscono un piano di riferimento stabile, offrendo il percorso di ritorno più breve per i segnali ad alta velocità e sopprimendo efficacemente il crosstalk e le interferenze elettromagnetiche (EMI). I piani di massa continui sono essenziali per mantenere la qualità del segnale.
• Piani di alimentazione: Forniscono percorsi di corrente a bassa impedenza per componenti ad alta potenza come CPU, GPU e memoria. Spesso vengono progettati più domini di alimentazione indipendenti per soddisfare diverse esigenze di tensione e corrente. Per la selezione dei materiali, i PCB per server utilizzano comunemente materiali a bassa o ultra-bassa perdita come Megtron 6 o Tachyon 100G. Questi materiali presentano basse costanti dielettriche (Dk) e fattori di dissipazione (Df), riducendo significativamente l'attenuazione del segnale durante la trasmissione ad alta velocità. HILPCB vanta una vasta esperienza nella lavorazione di vari materiali per PCB ad alta velocità e può raccomandare la soluzione di stack-up ottimale in base alle specifiche esigenze di prestazioni e costi dei clienti.

Come affrontare le sfide dell'integrità del segnale ad alta velocità nelle schede madri dei server?

Con l'adozione diffusa di PCIe 5.0/6.0, memoria DDR5 e tecnologie di interconnessione CXL, le velocità del segnale sulle schede madri dei server sono entrate nel regno dei 32 GT/s e oltre. A frequenze così elevate, anche difetti di progettazione minori possono portare a distorsioni del segnale, errori di dati o guasti del sistema. Pertanto, garantire l'integrità del segnale (SI) è diventato uno dei compiti più impegnativi nella progettazione di PCB per chipset server.

Le principali sfide SI e le strategie di mitigazione includono:

1. Controllo preciso dell'impedenza: Le tracce di segnale ad alta velocità richiedono un'accurata corrispondenza dell'impedenza (tipicamente impedenza differenziale di 90Ω o 100Ω). Ciò richiede un controllo estremamente preciso della larghezza della traccia, dello spessore del dielettrico e del peso del rame da parte dei produttori di PCB. HILPCB impiega apparecchiature avanzate di AOI (Ispezione Ottica Automatica) e test di impedenza per garantire che le tolleranze di impedenza siano mantenute entro ±5%.
2. Soppressione del Crosstalk: Nel cablaggio ad alta densità, l'accoppiamento elettromagnetico tra linee di segnale adiacenti può causare crosstalk. Aumentare la spaziatura delle linee, ottimizzare i percorsi di routing e utilizzare fili di schermatura di massa sono metodi efficaci per ridurre il crosstalk.
3. Riduzione della Perdita di Inserzione: La perdita di energia dei segnali lungo il percorso di trasmissione è definita perdita di inserzione. La selezione di materiali PCB a bassa perdita e l'ottimizzazione del design dei via (ad esempio, utilizzando la retro-foratura per rimuovere gli stub dei via in eccesso) sono fondamentali per minimizzare le perdite.
4. Ottimizzazione del Design dei Via: I via sono canali che collegano i segnali tra diversi strati nelle schede multistrato, ma introducono anche discontinuità nel percorso del segnale. Per una complessa PCB per socket server, dove esistono migliaia di connessioni tra CPU e memoria DDR, l'ottimizzazione delle dimensioni dei via, dei pad e dei design anti-pad è fondamentale per mantenere l'integrità del segnale.

Quali sono le strategie avanzate di progettazione della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN)?

Le moderne CPU e GPU dei server possono consumare centinaia di watt di potenza, con correnti di picco che raggiungono centinaia di ampere, e generare forti correnti transitorie durante le variazioni di carico. Una robusta rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) è la linfa vitale che garantisce il funzionamento stabile di queste "bestie affamate di energia". L'obiettivo della progettazione PDN è fornire una tensione stabile e pulita al chip in tutte le condizioni operative.

Le strategie principali per la progettazione PDN includono:

• Percorsi a bassa impedenza: Costruire percorsi di corrente a bassa impedenza dal modulo regolatore di tensione (VRM) ai pin del chip utilizzando piani di alimentazione e di massa ampi, insieme a un numero adeguato di vie. Ciò minimizza la caduta di tensione (IR Drop).
• Disaccoppiamento a strati: Posizionare strategicamente un gran numero di condensatori di disaccoppiamento con valori di capacità variabili sul PCB. I condensatori ad alta capacità (tipicamente elettrolitici o al tantalio) sono posizionati vicino al VRM per rispondere alle fluttuazioni di corrente a bassa frequenza, mentre i piccoli condensatori ceramici sono posizionati il più vicino possibile ai pin del chip per filtrare il rumore ad alta frequenza e soddisfare le richieste di corrente transitoria.
• Ottimizzazione del layout VRM: Posizionare i VRM il più vicino possibile ai chip che alimentano può accorciare il percorso della corrente, riducendo così induttanza e resistenza, migliorando l'efficienza dell'alimentazione e la velocità di risposta. Nei PCB per server 2U con spazio limitato, il layout del VRM è particolarmente impegnativo.

Il team DFM (Design for Manufacturability) di HILPCB lavora a stretto contatto con i clienti per identificare potenziali rischi di integrità dell'alimentazione attraverso l'analisi di simulazione PI prima della produzione e fornisce raccomandazioni di ottimizzazione per garantire le prestazioni elettriche del prodotto finale.

Come ottimizzare le prestazioni di gestione termica per i PCB dei data center?

Il calore è il nemico dei data center. I chip dei server generano un calore significativo a pieno carico e, se non dissipato efficacemente, può portare a throttling, degrado delle prestazioni o persino danni permanenti. La PCB del chipset del server stessa è un anello critico nella generazione e conduzione del calore, rendendo il suo design di gestione termica indispensabile.

Le strategie efficaci di gestione termica delle PCB includono:

• Utilizzo di materiali ad alta conducibilità termica: Quando i materiali FR-4 standard non possono soddisfare i requisiti di raffreddamento, possono essere adottati materiali ad alta conducibilità termica (High-Tg), oppure PCB a nucleo metallico (MCPCB) o la tecnologia a blocchi di rame incorporati possono essere utilizzati in aree specifiche.
• Ottimizzazione del layout della lamina di rame: Il posizionamento di lamine di rame di grandi dimensioni sulla superficie e sugli strati interni della PCB può fungere da dissipatori di calore efficaci, distribuendo uniformemente il calore dalla sorgente ad altre aree della PCB. L'utilizzo della tecnologia PCB in rame pesante (3oz o superiore) può migliorare significativamente le capacità di trasporto di corrente e di dissipazione del calore.
• Progettazione di vie termiche: La disposizione densa di vie termiche sotto i pad dei componenti che generano calore (ad esempio, CPU, VRM) può trasferire rapidamente il calore al dissipatore di calore posteriore o al piano di massa della PCB.
• Analisi di Simulazione Termica: L'esecuzione di simulazioni termiche durante la fase di progettazione può prevedere la distribuzione degli hotspot sulla PCB, consentendo un'ottimizzazione precoce del layout dei componenti e del design di raffreddamento. Per piattaforme come le PCB Threadripper, progettate per il calcolo ad alte prestazioni, la gestione termica è particolarmente critica a causa del loro consumo energetico della CPU estremamente elevato.