Волна искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения перестраивает всю технологическую отрасль, при этом ее основная движущая сила исходит от мощного вычислительного оборудования. В основе этой аппаратной революции лежит критически важный, но часто упускаемый из виду компонент: печатная плата чипа ИИ. Это не просто печатная плата, а сложный инженерный шедевр, который несет передовые ускорители ИИ (такие как GPU, TPU и NPU), служащий нейронным центром, обеспечивающим бесперебойный поток данных между процессорами, памятью и сетевыми интерфейсами на поразительных скоростях. По мере того как модели ИИ становятся все более крупными и сложными, спрос на вычислительную мощность растет экспоненциально. Это напрямую приводит к экстремальным требованиям к проектированию печатных плат: беспрецедентные скорости сигнала, массивное энергопотребление и, как следствие, ошеломляющее выделение тепла. Традиционные подходы к проектированию серверных печатных плат больше не могут справиться с этими задачами. Поэтому проектирование и производство высокопроизводительной печатной платы для чипов ИИ требует тонкого баланса между тремя столпами: целостностью высокоскоростного сигнала, целостностью питания и тепловым менеджментом. Являясь ведущим производителем печатных плат, Highleap PCB Factory (HILPCB) использует свой глубокий технический опыт для предоставления глобальным клиентам передовых решений этих проблем.

Что определяет печатную плату для чипов ИИ в современных центрах обработки данных?

Печатная плата для чипов ИИ — это далеко не стандартная многослойная плата. Это высокоинтегрированная системная платформа, специально разработанная для поддержки высокомощных и высокопроизводительных чипов ИИ. Ее основные характеристики отличают ее от традиционных серверных материнских плат:

• Чрезвычайно большое количество слоев и высокая плотность: Чипы ИИ часто имеют тысячи контактов ввода-вывода, что требует печатных плат с 20, 30 или даже более слоями. Для выполнения трассировки в ограниченном пространстве в проектах обычно используется технология межсоединений высокой плотности (HDI), включающая многослойные микропереходы и скрытые переходы.
• Сложные комбинации материалов: Для обработки сигналов со скоростью до 112 Гбит/с на канал необходимы диэлектрические материалы со сверхнизкими потерями, хотя они и дороги. Разработчики часто используют гибридные стеки материалов, применяя дорогие материалы для высокоскоростных сигнальных слоев и более экономичные материалы для других слоев.
• Массивные требования к подаче питания: Один ускоритель ИИ может потреблять более 1000 ватт, что требует исключительно надежной сети распределения питания (PDN). Это обычно достигается за счет использования нескольких слоев чрезвычайно толстых силовых и заземляющих плоскостей печатных плат с толстой медью для передачи сотен ампер тока.
• Интеграция на системном уровне: Эти печатные платы часто являются частью более крупных систем, таких как полноценные печатные платы модулей ИИ, которые могут включать несколько чипов ИИ, память с высокой пропускной способностью (HBM) и сетевые интерфейсы. Эти модули в конечном итоге интегрируются в печатные платы облачных серверов ИИ, формируя вычислительную основу центров обработки данных.

Почему целостность высокоскоростного сигнала имеет первостепенное значение?

В разработке печатных плат для чипов ИИ скорость передачи данных является ключевым показателем производительности. Когда сигналы распространяются по трассам печатной платы со скоростью миллиардов циклов в секунду, законы физики становятся исключительно строгими. Любой незначительный дефект конструкции может привести к ошибкам данных, влияя на производительность и стабильность всей системы.

Целостность сигнала (SI) — это наука, обеспечивающая сохранение качества сигналов от передатчика до приемника. Основные проблемы включают:

1. Точный контроль импеданса: Высокоскоростные трассы должны рассматриваться как высокочастотные линии передачи. Их характеристическое сопротивление (обычно 50 Ом несимметричное или 100 Ом дифференциальное) должно оставаться постоянным на протяжении всего пути. Несоответствия импеданса вызывают отражения сигнала, приводящие к "звону" и закрытию глазковой диаграммы, что может привести к сбоям в передаче данных. HILPCB использует передовые производственные процессы и TDR-тестирование для обеспечения контроля допусков импеданса в пределах ±5%.
2. Минимизация перекрестных помех: При трассировке высокой плотности параллельные трассы действуют как миниатюрные антенны, связываясь друг с другом и вызывая помехи сигналам на одной линии с соседними линиями. Это особенно серьезно на высокопараллельных вычислительных платформах, таких как TPU Server PCBs. Перекрестные помехи могут быть эффективно подавлены путем оптимизации расстояния между трассами, использования экранированных заземляющих линий и тщательного проектирования стека.
3. Контроль вносимых потерь: Сигналы ослабляются из-за диэлектрических и проводниковых потерь во время передачи. Для дальних, высокочастотных сигналов эти потери особенно значительны. Выбор подложек с ультранизкими потерями является фундаментальным решением этой проблемы.

Получить предложение по печатным платам

Как мы управляем экстремальными тепловыми нагрузками?

Тепло — враг номер один высокопроизводительных вычислений. Полностью функционирующая печатная плата чипа ИИ может генерировать тепло, сравнимое с небольшим электрическим обогревателем. Если тепло не рассеивается эффективно, температура чипа быстро повысится, что приведет к снижению производительности (термическому троттлингу) или даже к необратимому повреждению. Поэтому стратегии терморегулирования должны быть реализованы уже на этапе проектирования печатной платы.

Традиционные решения для воздушного охлаждения недостаточны при таких высоких плотностях теплового потока. Передовые методы терморегулирования включают:

• Улучшенные тепловые пути: Благодаря плотному расположению тепловых переходных отверстий под чипами тепло быстро отводится на противоположную сторону печатной платы, где обычно крепятся большие радиаторы или холодные пластины.
• Встроенные решения для охлаждения: Высокотеплопроводные компоненты, такие как медные монеты или тепловые трубки, встраиваются в печатную плату, непосредственно совмещаясь с источниками тепла для обеспечения эффективного локализованного охлаждения.
• Передовая технология Liquid Cooling PCB: Это идеальное решение для будущих чипов с более высокой мощностью. Один из подходов включает проектирование печатных плат для взаимодействия с жидкостными охлаждающими пластинами, где циркулирующий хладагент отводит тепло. Более передовые методы интегрируют микрофлюидные каналы внутри печатной платы, позволяя хладагенту течь непосредственно внутри платы для наиболее эффективного теплообмена. Эта технология критически важна для создания компактных, но мощных Machine Learning Server PCBs.

Каковы проблемы сетей распределения питания (PDN)?

Питание чипов ИИ — сложная задача. Они требуют сотни или даже тысячи ампер тока при чрезвычайно низких напряжениях (обычно ниже 1В). Сеть распределения питания (PDN) должна подавать стабильное, чистое питание от модуля регулятора напряжения (VRM) на каждый вывод чипа с минимальным импедансом.

Основные проблемы в проектировании PDN — минимизация падения напряжения (IR Drop) и подавление шума питания.

• Минимизация падения ИК: Когда высокие токи протекают через резистивные медные дорожки и плоскости, возникают падения напряжения. Если падение слишком велико, чип не может работать при номинальном напряжении. Решение состоит в использовании максимально широких и толстых плоскостей питания и заземления, обеспечивая при этом кратчайшие и наиболее прямые пути тока от VRM к чипу.
• Подавление шума питания: Высокоскоростное переключение в чипах создает переходные токовые нагрузки, вызывая колебания напряжения или шум в PDN. Тщательное размещение развязывающих конденсаторов различных номиналов вокруг чипа позволяет создать локальный энергетический резервуар с низким импедансом для стабилизации напряжения питания.

Надежная PDN является основой для обеспечения стабильной работы TPU Server PCBs или любой другой AI Chip PCB. Профессиональное моделирование и анализ PDN имеют решающее значение для выявления потенциальных проблем на этапе проектирования.

Какова роль продвинутого дизайна стека слоев печатной платы?

Проектирование стека слоев печатной платы (PCB stack-up) является архитектурным планом печатной платы для чипа ИИ, определяющим материал, толщину и функцию каждого слоя. Хорошо спроектированный стек слоев является основой для достижения хорошей целостности сигнала, целостности питания и контроля электромагнитных помех (EMI).

Для типичной многослойной печатной платы для чипа ИИ соображения по проектированию стека слоев включают:

• Тесная связь между сигнальными слоями и опорными плоскостями: Высокоскоростные сигнальные слои должны прилегать к непрерывным плоскостям заземления (GND) или питания (PWR). Это обеспечивает четкие обратные пути для сигналов, помогая контролировать импеданс и уменьшать электромагнитное излучение.
• Ортогональное расположение плоскостей питания и заземления: Размещение соседних слоев питания и заземления близко друг к другу образует естественный планарный конденсатор, способствующий высокочастотной развязке.
• Симметричная структура: Чтобы предотвратить деформацию печатной платы во время производства и сборки из-за неравномерного теплового напряжения, конструкция стека слоев должна быть максимально симметричной.
• Выбор материала: Выбирайте подходящие материалы в зависимости от функциональности слоя. Например, материалы со сверхнизкими потерями используются для критически важных высокоскоростных сигнальных слоев, в то время как стандартные материалы FR-4 могут использоваться для слоев питания для балансировки затрат.

Инженерная команда HILPCB тесно сотрудничает с клиентами, используя передовые инструменты моделирования для оптимизации конструкций стека слоев, обеспечивая выполнение всех требований к электрическим характеристикам при балансировании производственных затрат и надежности.

Как технологичность (DFM) влияет на печатные платы для чипов ИИ?

Теоретически идеальная конструкция печатной платы для чипа ИИ бесполезна, если ее невозможно изготовить экономически эффективно. Проектирование с учетом технологичности (DFM) устраняет разрыв между проектированием и реальным производством, особенно для таких чрезвычайно сложных плат.

Основные проблемы DFM включают:

• Чрезвычайно высокие соотношения сторон: Отношение толщины печатной платы к минимальному диаметру сверления. Переходные отверстия с высоким соотношением сторон чрезвычайно трудно металлизировать, что часто приводит к пустотам или неравномерной толщине, влияя на надежность.
• Точность выравнивания слоев: Обеспечение точного выравнивания более чем 30 слоев является серьезной проблемой. Незначительные отклонения могут привести к тому, что сверла пропустят контактные площадки, что приведет к обрывам или коротким замыканиям.
• Обратное сверление (Back-drilling): Для устранения влияния неиспользуемых заглушек переходных отверстий на целостность сигнала требуется обратное сверление. Это требует чрезвычайно точного контроля глубины сверления.
• Паяемость и сборка: Большие размеры, тяжелые печатные платы и плотные корпуса BGA создают проблемы для SMT-монтажа, требуя профессиональных услуг по сборке под ключ для обеспечения выхода годных изделий.

Раннее общение с опытными производителями, такими как HILPCB, на этапе проектирования может помочь разработчикам избежать производственных ловушек, оптимизировать конструкции и сократить время выхода на рынок и общие затраты.

Какие стандарты надежности регулируют эти сложные печатные платы?

Оборудование центров обработки данных требует круглосуточной бесперебойной работы, что делает надежность не подлежащей обсуждению. Являясь ядром печатных плат облачных серверов с ИИ, печатные платы чипов ИИ должны соответствовать самым строгим отраслевым стандартам.

IPC (Association Connecting Electronics Industries) установила ряд стандартов, причем IPC-6012 Class 3 является спецификацией для высокопроизводительной, высоконадежной электроники, обычно используемой в аэрокосмической, медицинской и критически важных серверных приложениях. Класс 3 предъявляет более строгие требования к ширине проводника, расстоянию, толщине покрытия и выравниванию слоев. Для более передовых приложений могут даже потребоваться стандарты IPC-6012 Class 3A.

Для обеспечения соответствия производители должны внедрить комплексные процессы контроля качества и тестирования, включая:

• Автоматизированная оптическая инспекция (AOI): Проверяет каждый слой на наличие дефектов проводки.
• Рентгеновская инспекция (AXI): Исследует выравнивание внутренних слоев и качество сверления.
• Микрошлифовка: Физически разрезает образцы печатных плат для проверки качества металлизации переходных отверстий под микроскопом.
• Тестирование надежности: Например, тесты на термоциклирование, имитирующие изменения температуры в течение жизненного цикла продукта для оценки долгосрочной надежности.

Как HILPCB позиционируется для решения проблем с печатными платами чипов ИИ?

Освоение сложности печатных плат чипов ИИ требует глубоких технических знаний и первоклассных производственных возможностей. Благодаря многолетнему опыту работы в отрасли, HILPCB полностью готова к решению задач эпохи ИИ. Наши преимущества включают:

• Экспертиза в материаловедении: Мы сотрудничаем с ведущими мировыми поставщиками материалов и обладаем обширным опытом работы с различными высокоскоростными материалами для печатных плат, что позволяет нам рекомендовать наиболее экономически эффективные материальные решения для ваших проектов.
• Передовые производственные процессы: Наши заводы оснащены современным лазерным сверлением, высокоточным выравниванием и оборудованием для нанесения покрытий, что обеспечивает стабильное производство сложных плат с большим количеством слоев, высокой плотностью и высоким соотношением сторон.
• Интегрированные решения: Мы предлагаем комплексные услуги от анализа DFM, прототипирования, серийного производства до окончательной сборки, обеспечивая плавный переход проектов в надежные продукты. Будь то автономные печатные платы модулей ИИ или полные системы печатных плат серверов машинного обучения, мы предоставляем всестороннюю поддержку.
• Инженерная поддержка: Наша инженерная команда — ваш партнер. Мы участвуем на ранних этапах проектирования, предлагая профессиональный дизайн стека, расчеты импеданса и рекомендации DFM для оптимизации проектов и снижения рисков.

Получить предложение по печатным платам

Заключение: Создание прочной основы для будущего ИИ

Печатная плата для чипов ИИ — настоящий невоспетый герой современных центров обработки данных. Работая за кулисами, она несет основную мощь, движущую прогресс ИИ. От точной высокоскоростной передачи сигналов до стабильной подачи энергии киловаттного уровня и эффективного управления экстремальным теплом — каждый аспект представляет собой инженерные проблемы.

Успешное производство этих передовых печатных плат требует идеальной интеграции проектирования, материалов и производственных процессов. По мере развития технологий ИИ требования к печатным платам будут только расти, а такие инновации, как печатные платы с жидкостным охлаждением, станут мейнстримом. Выбор партнера, который разбирается как в технологиях, так и в производстве, имеет решающее значение. HILPCB стремится быть вашим самым надежным союзником в разработке аппаратного обеспечения ИИ, закладывая прочную основу для более умного будущего.

Если вы разрабатываете аппаратное обеспечение ИИ следующего поколения и ищете производителя, способного справиться с самыми строгими задачами печатных плат для чипов ИИ, свяжитесь с нашей технической командой сегодня для проведения технико-экономического обоснования.

Related links

• технология межсоединений высокой плотности (HDI)
• печатных плат с толстой медью
• многослойной печатной платы для чипа ИИ
• сборке под ключ
• высокоскоростными материалами для печатных плат