PCB UFS: Affrontare le sfide di alta velocità e alta densità delle PCB per server di data center

In un'era in cui i dati vengono generati, elaborati e archiviati a velocità senza precedenti, i colli di bottiglia delle prestazioni dell'hardware dei data center e dei server si stanno spostando dal calcolo all'archiviazione e alle interconnessioni. Universal Flash Storage (UFS), come interfaccia di archiviazione ad alte prestazioni di nuova generazione, sta rapidamente sostituendo la tradizionale eMMC per diventare la scelta preferita per i drive di avvio dei server, i livelli di cache e i dispositivi di edge computing. Tuttavia, per liberare appieno il potenziale di UFS, la sua base fisica – la PCB UFS – deve affrontare sfide di progettazione ad alta velocità e alta densità senza precedenti. Una PCB UFS ben progettata è la chiave per garantire l'integrità dei dati, la stabilità del sistema e l'affidabilità a lungo termine.

Questo articolo funge da guida tecnica, approfondendo i principi ingegneristici fondamentali necessari per costruire PCB UFS ad alte prestazioni. Dal punto di vista di un architetto di data center, analizzeremo l'integrità del segnale ad alta velocità, le reti di distribuzione dell'energia (PDN), la gestione termica e le tecnologie di produzione avanzate. Inoltre, mostreremo come Highleap PCB Factory (HILPCB) sfrutta la sua profonda esperienza tecnica per aiutare i clienti a superare queste complessità e fornire soluzioni di archiviazione eccezionali.

Cos'è una PCB UFS e il suo ruolo fondamentale nei moderni data center?

Una PCB UFS è una scheda a circuito stampato specificamente progettata per ospitare dispositivi di archiviazione UFS e i loro controller. A differenza delle PCB generiche, è altamente ottimizzata per soddisfare l'interfaccia seriale ad alta velocità, a bassa potenza e full-duplex (basata su MIPI M-PHY) definita dagli standard UFS come UFS 3.1 e UFS 4.0. Queste PCB non sono solo portanti per connessioni fisiche, ma anche sistemi ingegnerizzati con precisione che garantiscono la qualità del segnale, la stabilità dell'alimentazione e un'efficace dissipazione del calore.

Nei moderni data center, le PCB UFS sono onnipresenti e i loro ruoli principali si riflettono nei seguenti aspetti:

1. Unità di avvio del server: UFS offre tempi di avvio più rapidi e un consumo energetico inferiore rispetto agli SSD SATA. L'affidabilità delle PCB UFS influisce direttamente sulla disponibilità dell'intero server.
2. Livelli di cache ad alta velocità: Nelle architetture di archiviazione a più livelli, i dispositivi UFS vengono utilizzati come cache veloci per i dati "caldi". Una PCB UFS ad alte prestazioni riduce al minimo la latenza e migliora la reattività dei database e delle applicazioni di virtualizzazione.
3. Controller di array di archiviazione: Nei sistemi di archiviazione centralizzati come Network-Attached Storage (NAS) e Storage Area Networks (SAN), UFS può essere utilizzato per l'archiviazione di metadati o la registrazione. Pertanto, sia che si progettino PCB per l'archiviazione di file o PCB per l'archiviazione a blocchi, l'integrazione dei moduli UFS è un passo fondamentale per aumentare le prestazioni complessive.
4. Nodi di Edge Computing: Nei dispositivi edge, spazio ed energia sono preziosi. I design compatti ed efficienti delle PCB UFS li rendono ideali per l'elaborazione di dati in tempo reale.

In sostanza, il limite di prestazioni di qualsiasi sistema che richiede una memoria flash veloce e affidabile è vincolato dalla qualità della sua PCB UFS sottostante.

Quali sfide uniche affronta l'integrità del segnale ad alta velocità delle PCB UFS?

Con lo standard UFS 4.0 che spinge le velocità di trasmissione dati su singola corsia a un sorprendente 23,2 Gbps, l'integrità del segnale (SI) è diventata la sfida più formidabile nella progettazione di PCB UFS. A queste velocità, le tracce delle PCB non sono più semplici conduttori ma complessi sistemi di linee di trasmissione dove anche difetti minori possono portare a errori di dati e crash di sistema.

Le sfide chiave includono:

• Controllo rigoroso dell'impedenza differenziale: UFS utilizza coppie differenziali ad alta velocità (TX/RX) per la trasmissione dei dati. Per minimizzare riflessioni e distorsioni, l'impedenza di queste tracce deve essere controllata con precisione intorno ai 100 ohm (o altri valori specificati dallo standard), con tolleranze tipicamente richieste entro ±7%. Ciò richiede una progettazione meticolosa dello stack-up, la selezione dei materiali e il controllo del processo di produzione.
• Perdita di Inserzione: Quando i segnali si propagano attraverso le linee di trasmissione, la loro energia si attenua a causa della perdita dielettrica e della perdita del conduttore. Per segnali a lunga distanza o ad alta frequenza, la perdita di inserzione può comportare ampiezze di segnale troppo basse per essere correttamente identificate dal ricevitore. La scelta di Materiali PCB ad Alta Velocità a Bassissima Perdita è fondamentale per affrontare questa sfida.
• Diafonia: I segnali ad alta velocità generano accoppiamento di campo elettromagnetico tra tracce adiacenti, portando a interferenze di rumore. Su PCB UFS densamente impacchettati, la diafonia deve essere rigorosamente controllata ottimizzando la spaziatura delle tracce, utilizzando strutture stripline e pianificando la schermatura di massa.
• Timing e Skew: Le lunghezze delle due tracce in una coppia differenziale devono essere abbinate con precisione per garantire che i segnali arrivino al ricevitore contemporaneamente. Qualsiasi disallineamento di lunghezza (skew) può interrompere la capacità di reiezione di modo comune dei segnali differenziali, introducendo jitter.

Affrontare queste sfide richiede una profonda esperienza nell'ingegneria RF e a microonde, nonché strumenti di simulazione avanzati. Presso la Highleap PCB Factory (HILPCB), i nostri ingegneri utilizzano strumenti come Ansys HFSS e Keysight ADS per simulazioni pre-produzione al fine di garantire che i progetti raggiungano prestazioni ottimali prima della produzione.

Perché la progettazione avanzata dello stack-up è la pietra angolare delle prestazioni dei PCB UFS?

Se i materiali sono la "carne e il sangue" di un PCB UFS, allora la progettazione dello stack-up è il suo "scheletro". Uno stack-up ben progettato è un prerequisito per ottenere una buona integrità del segnale, integrità dell'alimentazione e controllo EMI. Determina l'impedenza delle tracce, i percorsi di propagazione del segnale e la distribuzione dell'alimentazione e della massa.

Un tipico design dello stack-up di PCB multistrato UFS segue questi principi:

• Simmetria ed Equilibrio: Per prevenire la deformazione durante la produzione e l'assemblaggio del PCB, la struttura dello stack-up dovrebbe rimanere simmetrica.
• Accoppiamento stretto tra strati di segnale e piani di riferimento: Gli strati di segnale ad alta velocità dovrebbero essere adiacenti a un piano di massa (GND) o di alimentazione (PWR) completo e ininterrotto. Ciò fornisce un percorso di ritorno chiaro e a bassa induttanza per i segnali, che è fondamentale per controllare l'impedenza e ridurre il crosstalk.
• Accoppiamento degli strati di alimentazione e massa: Posizionare gli strati di alimentazione e massa vicini tra loro forma un condensatore a piastre parallele naturale, fornendo alimentazione a bassa impedenza all'intera PCB e contribuendo a sopprimere il rumore ad alta frequenza.
• Isolamento dei segnali sensibili: I segnali UFS ad alta velocità, i segnali di clock e i segnali di controllo a bassa velocità dovrebbero essere posizionati su strati di segnale diversi e isolati con piani di massa per prevenire interferenze reciproche.
• Selezione del materiale del nucleo: Scegliere materiali con costante dielettrica (Dk) e fattore di dissipazione (Df) appropriati in base al grado di velocità e agli obiettivi di costo di UFS. Ad esempio, UFS 4.0 richiede tipicamente materiali a bassissima perdita come Tachyon 100G o Megtron 6.

Un design dello stackup scadente può compromettere fondamentalmente le prestazioni della PCB ed è difficile da rimediare in seguito. Pertanto, collaborare con un produttore esperto come HILPCB all'inizio del progetto per determinare lo stackup ottimale è un passo fondamentale per il successo.

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Come progettare una rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) efficiente per UFS?

I dispositivi UFS, in particolare i loro controller, sono estremamente sensibili alla qualità dell'alimentazione. Operano a basse tensioni (ad esempio, 1,2V o 1,8V), ma la commutazione ad alta velocità dei loro gate logici interni genera significative richieste di corrente transitoria. Una rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) mal progettata può portare a cadute di tensione (IR Drop) e rumore sulla linea di alimentazione, causando errori di dati o persino blocchi del dispositivo.

Le strategie efficaci di progettazione del PDN includono:

1. Analisi dell'impedenza target: L'obiettivo principale della progettazione del PDN è mantenere l'impedenza della rete di alimentazione al di sotto di un valore target estremamente basso su un'ampia gamma di frequenze (da DC a diversi GHz). Ciò si ottiene tipicamente utilizzando strumenti di simulazione PDN.
2. Rete gerarchica di condensatori di disaccoppiamento: Nessun singolo condensatore è efficace su tutte le frequenze. Pertanto, è necessaria una combinazione di condensatori con valori e package diversi:
   • Condensatori di massa (da decine a centinaia di μF): Posizionati vicino al VRM per fornire corrente a bassa frequenza.
   • Condensatori ceramici a media capacità (1-10μF): Distribuiti sulla PCB per affrontare il rumore a media frequenza.
   • Condensatori ceramici a piccola capacità (0,1μF-1nF): Posizionati il più vicino possibile ai pin di alimentazione del chip UFS per filtrare il rumore ad alta frequenza.
3. Piani di alimentazione e massa ampi e continui: L'utilizzo di strati di piano solidi per la distribuzione dell'alimentazione e della massa fornisce il percorso di induttanza più basso, formando la base per un PDN a bassa impedenza.
4. Posizionamento VRM ottimizzato: Posizionare il modulo regolatore di tensione (VRM) il più vicino possibile al dispositivo UFS accorcia i percorsi ad alta corrente, riducendo la caduta IR.

Sia per le PCB SAN nello storage aziendale che per le PCB NAS per uso domestico e in piccoli uffici, un'alimentazione stabile è la linfa vitale per un funzionamento affidabile. I servizi professionali di progettazione e analisi PDN assicurano che il vostro prodotto rimanga stabile sotto vari carichi di lavoro.

Quali sono le strategie di gestione termica per i PCB UFS?

Prestazioni e calore sono gemelli inseparabili. I dispositivi UFS generano un calore significativo durante le operazioni di lettura/scrittura ad alta velocità, concentrato principalmente nel controller e nei chip flash NAND. Se il calore non può essere dissipato efficacemente, la temperatura del chip aumenterà rapidamente, portando a due gravi conseguenze:

• Throttling delle prestazioni: Per prevenire danni da surriscaldamento, il controller UFS ridurrà automaticamente la sua frequenza operativa, causando un calo significativo delle velocità di lettura/scrittura.
• Ridotta ritenzione dei dati: Il funzionamento prolungato a temperature elevate accelera la dispersione di carica nelle celle flash NAND, accorciando il tempo di ritenzione dei dati e la durata del dispositivo.

Pertanto, strategie efficaci di gestione termica devono essere integrate durante la fase di progettazione del PCB UFS:

• Vias termici: Disporre densamente i vias nell'array di pad sotto i chip che generano calore per condurre rapidamente il calore ai piani di massa o di alimentazione interni del PCB. Questi strati di rame di ampia superficie possono agire come dissipatori di calore per favorire la dissipazione del calore.
• Utilizzo di materiali ad alta conducibilità termica: Selezionare materiali per substrati PCB con maggiore conducibilità termica (TC) o impiegare tecnologie PCB ad alta conducibilità termica, come le monete di rame incorporate, in aree specifiche.
• Ottimizzazione del layout dei componenti: Posizionare i dispositivi UFS in aree del telaio con un buon flusso d'aria, evitando il posizionamento a valle di altri componenti ad alto calore (ad es. CPU o GPU).
• Trattamento superficiale: Utilizzare processi di trattamento superficiale che facilitano la dissipazione del calore e assicurano che la superficie di contatto con i dissipatori di calore sia liscia e piatta.

Attraverso l'analisi di simulazione termica, è possibile prevedere la distribuzione degli hotspot sul PCB, consentendo un'ottimizzazione precoce del design termico per garantire che i dispositivi UFS operino nel loro intervallo di temperatura ottimale.

Applicazioni e differenze dei PCB UFS in varie architetture di archiviazione

Sebbene i principi di progettazione fondamentali dei PCB UFS siano coerenti, il loro focus di progettazione varia a seconda delle diverse architetture di sistemi di archiviazione.

• NAS PCB (Network-Attached Storage): I dispositivi NAS sono tipicamente utilizzati per la condivisione e il backup di file e sono sensibili ai costi. Il design della PCB per l'archiviazione di file enfatizza il controllo dei costi attraverso una stratificazione ottimizzata e la selezione dei materiali, pur soddisfacendo i requisiti di prestazione. L'affidabilità è una priorità assoluta, rendendo il design PDN e la gestione termica particolarmente critici.
• SAN PCB (Storage Area Network): SAN fornisce archiviazione a livello di blocco, principalmente per applicazioni ad alte prestazioni come database e virtualizzazione, con rigorose esigenze di latenza e larghezza di banda. Pertanto, i design delle PCB SAN non badano a spese, impiegando materiali a bassissima perdita e una stratificazione più complessa per garantire un'eccezionale integrità del segnale.
• Storage Fabric PCB (Rete di archiviazione): Questo è un prodotto dei moderni data center che si evolvono verso il pooling delle risorse e architetture disaggregate. Come backplane o schede switch che collegano nodi di calcolo e di archiviazione, le PCB Storage Fabric devono gestire enormi quantità di traffico UFS e NVMe-oF (NVMe over Fabrics) ad alta velocità. Queste PCB sono più grandi, con tracce più lunghe, ponendo le maggiori sfide all'integrità del segnale. Sono spesso richiesti re-timer avanzati e chip di condizionamento del segnale.

Indipendentemente dall'applicazione – dalle PCB per l'archiviazione a blocchi autonome alle complesse matrici di commutazione di archiviazione – HILPCB offre un supporto completo dalla prototipazione alla produzione di massa, garantendo che il vostro design soddisfi le esigenze uniche di casi d'uso specifici.

Revisione DFM precoce: Comunicare tempestivamente con i produttori per garantire che il design abbia una buona producibilità.