AI Cooling PCB: Решение проблем высокой скорости и высокой плотности серверных печатных плат для центров обработки данных

Печатные платы для охлаждения ИИ: Решение проблем высокой скорости и высокой плотности серверных печатных плат центров обработки данных

С экспоненциальным ростом моделей искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) центры обработки данных сталкиваются с беспрецедентными проблемами в области вычислительной плотности и энергопотребления. Новейшие чипы ИИ от таких компаний, как NVIDIA, AMD и Intel, имеют показатели тепловой проектной мощности (TDP), которые легко превышают 700 Вт и движутся к 1000 Вт или даже выше. Эта массивная концентрация энергии на крошечном кремниевом кристалле создает серьезные проблемы для охлаждения системы и подачи питания. В основе этой проблемы печатная плата для охлаждения ИИ больше не является просто подложкой для монтажа компонентов, а представляет собой сложную инженерную систему, объединяющую высокоскоростную связь, стабильную подачу питания и эффективное управление температурным режимом. Она служит основой всех высокопроизводительных вычислений, определяя потолок производительности и долгосрочную надежность всей серверной печатной платы ИИ.

С точки зрения эксперта по архитектуре центров обработки данных, эта статья углубится в основные принципы проектирования печатных плат для охлаждения ИИ, охватывая целостность высокоскоростных сигналов, передовые стратегии управления температурным режимом, целостность питания и технологичность производства. Цель состоит в том, чтобы показать, как решать проблемы высокой скорости и высокой плотности оборудования центров обработки данных в эпоху ИИ.

Что такое печатная плата для охлаждения ИИ? Почему это критически важно?

Традиционная конструкция печатных плат в основном сосредоточена на электрической связности, тогда как печатная плата с ИИ-охлаждением представляет собой философию проектирования на системном уровне. Она ставит тепловое управление на один уровень с электрическими характеристиками, используя передовые материалы, инновационные структуры и точные производственные процессы для обеспечения стабильной работы ИИ-процессоров при экстремальных нагрузках, избегая снижения производительности или необратимых повреждений из-за перегрева.

В современных центрах обработки данных, будь то отдельная печатная плата ИИ-ускорителя или печатная плата GPU-кластера, состоящая из сотен или тысяч узлов, узкие места в производительности часто в первую очередь возникают в тепловом управлении. Когда температура чипов превышает пороговые значения, системы автоматически активируют защитные механизмы, снижая тактовые частоты (т.е. «терморегулирование» или «троттлинг»), что препятствует полному использованию дорогостоящей вычислительной мощности ИИ. Что еще более важно, длительная работа при высоких температурах ускоряет старение компонентов, сокращает срок службы оборудования и увеличивает затраты на обслуживание.

Таким образом, хорошо спроектированная печатная плата с ИИ-охлаждением должна решать три основных противоречия:

Высокая скорость против теплового управления: Передача высокоскоростных сигналов требует материалов с низкими потерями, которым часто не хватает оптимальной теплопроводности.
Высокая плотность против подачи питания: Подача сотен или даже тысяч ампер мгновенного тока на ИИ-чипы в ограниченном пространстве при одновременном контроле падения напряжения и шума.
Сложность против надежности: Сложные многослойные структуры, превышающие 30 слоев, точность трассировки на микронном уровне и использование новых материалов предъявляют экстремальные требования к производству и долгосрочной надежности.

Целостность высокоскоростного сигнала (SI): Обеспечение нулевого искажения данных при высоких температурах

Внутренняя пропускная способность данных систем ИИ поразительна. Например, печатные платы памяти ИИ, соединяющие графические процессоры с высокоскоростной памятью (HBM), и печатные платы ИИ-фабрики, обеспечивающие высокоскоростные соединения между ускорителями, уже достигают скорости сигнала 112 Гбит/с и развиваются в сторону 224 Гбит/с. При таких высоких скоростях даже незначительные искажения сигнала могут вызывать ошибки данных. Температура является критически важной переменной, влияющей на целостность сигнала, поскольку она изменяет диэлектрическую проницаемость (Dk) и тангенс угла диэлектрических потерь (Df) материалов печатных плат, тем самым влияя на импеданс и затухание сигнала.

Стратегии проектирования печатных плат охлаждения ИИ для обеспечения целостности сигнала включают:

Выбор материалов со сверхнизкими потерями: Высококачественные материалы, такие как Tachyon 100G и Megtron 7/8, выбираются за их стабильные значения Dk/Df в широких диапазонах температур и высокочастотных диапазонах. Узнайте больше о выборе материалов для высокоскоростных печатных плат.
Точный контроль импеданса: Моделирование и проектирование на основе свойств материалов при целевых рабочих температурах, поддержание дифференциального импеданса в строгих допусках ±7% или даже ±5%.
Оптимизированная топология проводки: Используйте технологию обратного сверления для устранения отражений сигнала, вызванных заглушками, и контролируйте временной перекос путем оптимизации согласования длины трасс и минимизации изгибов.
Подавление перекрестных помех: Добавляйте соединительные переходные отверстия и защитные трассы между высокоскоростными дифференциальными парами и правильно планируйте стек слоев для использования заземляющих плоскостей для эффективного экранирования. Это особенно важно для высокоплотных конструкций AI Fabric PCB.

Сравнение характеристик материалов для высокоскоростных печатных плат

Показатель производительности	Стандартный FR-4	Материал со средними потерями (например, S1000-2M)	Материал со сверхнизкими потерями (например, Megtron 6)
Диэлектрическая проницаемость (Dk @ 10GHz)	~4.5	~3.8	~3.3
Тангенс угла диэлектрических потерь (Df @ 10ГГц)	~0.020	~0.009	~0.002
Температура стеклования (Tg)	130-170°C	180-200°C	>220°C
Теплопроводность (Вт/м·К)	~0.3	~0.4	~0.6

Выбор правильного материала — это первый шаг к балансировке производительности сигнала и теплового режима. Консультации с профессиональными поставщиками печатных плат помогут вам принять наилучшее решение.

Передовые стратегии теплового управления: Системное рассеивание тепла от материалов до архитектуры

Это основная ценность AI Cooling PCB. Опираться исключительно на внешние вентиляторы или жидкостные охлаждающие пластины уже недостаточно для решения проблем с горячими точками на уровне чипов. Тепло должно сначала эффективно отводиться от чипа к печатной плате, а затем рассеиваться через печатную плату к охлаждающему модулю.

Ключевые технологии терморегулирования включают:

Процессы с толстой и ультратолстой медью: Использование медной фольги толщиной от 3 до 10 унций или даже толще в слоях питания и заземления может значительно улучшить боковую теплопроводность, быстро распределяя тепло от чипа по всей поверхности печатной платы. Это особенно важно для печатных плат AI-серверов, которые работают с высокими токами. Узнайте, как печатные платы с толстой медью улучшают рассеивание тепла и токонесущую способность.
Термовиасы: Массивы термовиасов, расположенные под чипом, вертикально отводят тепло к заднему радиатору печатной платы или к внутренним тепловым плоскостям. Апертура, расстояние и толщина покрытия этих виасов должны быть оптимизированы с помощью теплового моделирования.
Встроенная технология охлаждения (Embedded Coin): Металлические блоки с высокой теплопроводностью, такие как медные монеты или тепловые трубки, непосредственно встраиваются в печатную плату, обеспечивая прямой контакт с нижней стороной чипа для создания наиболее эффективного пути теплопроводности. Эта технология обычно используется в высококлассных конструкциях AI Cooling PCB.
Материалы подложки с высокой теплопроводностью: Помимо традиционного FR-4, такие варианты, как изолированные металлические подложки (IMS) или керамические подложки, обеспечивают теплопроводность в десятки или даже сотни раз выше, чем у FR-4, что делает их идеальными для модулей с экстремальными требованиями к охлаждению. Узнайте больше о применении печатных плат с высокой теплопроводностью.

Получить предложение по печатной плате

Целостность питания (PI): Обеспечение стабильного и чистого «кровоснабжения» для чипов ИИ

Чипы ИИ имеют чрезвычайно строгие требования к питанию: низкое напряжение (обычно ниже 1В), высокий ток (пиковое значение более 1500А) и быстрый переходный процесс (ток резко колеблется в течение наносекунд). Любой шум питания или падение напряжения могут вызвать вычислительные ошибки или сбои системы. Проектирование сети распределения питания (PDN) для охлаждающих печатных плат ИИ имеет решающее значение для обеспечения целостности питания.

Основные проблемы и решения в проектировании PI:

Снижение импеданса PDN: На всем пути от модуля регулятора напряжения (VRM) до выводов чипа импеданс PDN минимизируется до миллиом или даже микроом за счет использования широких и толстых силовых слоев, добавления емкости слоев и оптимизации конструкции переходных отверстий.
Многослойная сеть развязывающих конденсаторов: Развязывающие конденсаторы различных номиналов емкости и корпусов располагаются вокруг чипа от ближнего к дальнему. Малогабаритные конденсаторы с низким ESL размещаются близко к чипу для обработки высокочастотных переходных токов, в то время как конденсаторы большой емкости обеспечивают низкочастотные запасы заряда.
Оптимизация размещения VRM: VRM размещаются как можно ближе к чипу ИИ для сокращения путей с высоким током, тем самым уменьшая падения напряжения (IR Drop), вызванные сопротивлением и индуктивностью. Это представляет собой значительную проблему в сложных компоновках печатных плат кластеров GPU.
Анализ плотности тока и теплового эффекта: Инструменты моделирования используются для анализа распределения плотности тока на печатной плате, избегая узких мест по току и локализованных горячих точек. Это снова подчеркивает важность совместного теплового и электрического проектирования в печатных платах для охлаждения ИИ.

Ключевые показатели эффективности (KPI) печатных плат для охлаждения ИИ

⤵ Импеданс PDN

< 1 mΩ

Целевой частотный диапазон

∼ Пульсация напряжения

< 3%

Максимальная переходная нагрузка

♨ Тепловое сопротивление

< 0.1 °C/W

Переход к радиатору

⚡ Потеря сигнала

< 1 dB/inch

На частоте Найквиста

Сложный дизайн стека: Искусство балансировки сигналов, питания и теплового управления

Типичная печатная плата для охлаждения ИИ обычно состоит из 20-40 слоев или даже больше. Распределение функций этих слоев является ключом к балансировке электрических характеристик, теплового управления и технологичности. Хорошо спроектированный стек — это половина успеха.

Основные принципы проектирования стека:

Симметрия и Баланс: Структура стека должна оставаться симметричной, чтобы предотвратить деформацию или скручивание в процессе ламинирования из-за неравномерного теплового расширения материалов.
Сигнальные Слои и Опорные Плоскости: Высокоскоростные сигнальные слои должны прилегать к сплошным земляным или силовым плоскостям для обеспечения четких обратных путей и хорошего контроля импеданса. Для оптимального экранирования обычно используются стриплайновые структуры.
Силовые и Земляные Плоскости: Множественные пары силовых/земляных плоскостей не только снижают импеданс PDN, но также обеспечивают экранирование и рассеивание тепла. Для высокоплотных печатных плат памяти ИИ особенно важны разделение и изоляция силовых плоскостей.
Сердечник и Препрег (PP): Правильный выбор материалов сердечника и препрега различной толщины позволяет точно контролировать расстояние между слоями, достигая целевого импеданса, влияя при этом на общую толщину печатной платы и механическую прочность.

Для многослойных печатных плат такой сложности крайне важно раннее общение с опытными производителями печатных плат.

Получить предложение по печатным платам

Проектирование для Технологичности (DFM): Превращение передовых разработок в надежные продукты

Даже самый совершенный дизайн бесполезен, если его невозможно изготовить экономично и надежно. Конструкции печатных плат для охлаждения ИИ часто расширяют границы современных производственных процессов печатных плат. Анализ DFM служит мостом, соединяющим проектирование и производство. Ключевые аспекты DFM:

Высокое соотношение сторон: Отношение толщины печатной платы к минимальному диаметру сверления. Конструкции с большим количеством слоев и толстой медью обычно приводят к соотношению сторон, превышающему 15:1, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к точности сверления и равномерности покрытия.
Тонкие линии и зазоры: Для удовлетворения требований к трассировке высокой плотности ширина/зазор линий может достигать 2,5/2,5 мил (~65/65 микрон) или меньше, что требует передовой технологии mSAP (модифицированный полуаддитивный процесс) для обеспечения выхода годных изделий.
Точность выравнивания ламинации: При укладке десятков слоев ошибки межслойного выравнивания должны поддерживаться с микронной точностью, чтобы предотвратить сбои в соединении переходных отверстий.
Совместимость материалов: При комбинировании различных типов материалов (например, высокочастотных материалов со стандартным FR-4) необходимо учитывать их совместимость во время термического прессования, чтобы избежать расслоения или проблем с надежностью.

Профессиональная инженерная команда HILPCB может предоставить раннюю обратную связь по DFM на этапе проектирования, помогая клиентам оптимизировать конструкции, чтобы такие сложные продукты, как печатные платы ускорителей ИИ, могли беспрепятственно поступать в производство.

Критические контрольные точки DFM

Проверка конструкции переходных отверстий: Проверить соотношение сторон, требования к процессу Via-in-Pad и допуск на глубину обратного сверления.
Анализ баланса меди: Обеспечить равномерное распределение меди по слоям для предотвращения коробления после ламинирования.
Открытие паяльной маски: Для корпусов BGA высокой плотности проверить минимальную ширину перемычки паяльной маски для предотвращения паяльных мостов.
Согласование коэффициента теплового расширения (КТР): Оценивает напряжение в различных комбинациях материалов при термоциклировании для предотвращения растрескивания переходных отверстий.

### Надежность и тестирование: Обеспечение круглосуточной работы в суровых условиях

Оборудование центров обработки данных требует исключительно высокой надежности, поскольку любой непредвиденный простой может привести к значительным потерям. Печатные платы для ИИ-охлаждения должны соответствовать стандартам IPC-6012 Класс 3 или выше, что подразумевает более строгие производственные допуски и более комплексные процедуры тестирования.

Ключевые тесты для обеспечения надежности включают:

Автоматическая оптическая инспекция (AOI) и рентгеновская инспекция (AXI): Используются для обнаружения дефектов во внутренних и внешних слоях цепей, выравнивания межслойных соединений и целостности переходных отверстий.
Тестирование методом рефлектометрии во временной области (TDR): Точно измеряет характеристический импеданс, чтобы убедиться в его соответствии проектным спецификациям.
Тесты на термоудар и термоциклирование: Имитируют изменения температуры во время фактической эксплуатации для выявления потенциальных рисков надежности, таких как расслоение материала или растрескивание переходных отверстий.
Тестирование на ионное загрязнение: Обеспечивает чистоту поверхности печатной платы для предотвращения токов утечки или электрохимической миграции при длительной эксплуатации.

Эти строгие процедуры тестирования гарантируют, что каждая печатная плата для ИИ-охлаждения может стабильно работать в течение длительных периодов в требовательной среде центров обработки данных.

Как HILPCB поддерживает ваш проект печатных плат для ИИ-охлаждения

В условиях конкурентного рынка аппаратного обеспечения для ИИ выбор партнера по печатным платам с сильным техническим опытом и обширными знаниями имеет решающее значение. HILPCB — это не просто производитель, но и технический консультант на протяжении всего процесса проектирования и внедрения высокопроизводительных печатных плат для охлаждения ИИ.

Наши преимущества включают:

Экспертная инженерная поддержка: Наша команда инженеров специализируется на высокоскоростном, высокочастотном проектировании и управлении тепловыми режимами, предлагая профессиональные консультации по DFM, выбору материалов и проектированию стека с самого начала проекта.
Библиотека премиальных материалов: Мы поддерживаем тесное сотрудничество с ведущими мировыми поставщиками подложек (например, Isola, Rogers, Panasonic), чтобы предоставлять материалы, отвечающие самым строгим требованиям к производительности.
Передовые производственные возможности: Оснащенные высокоточным сверлением, передовой технологией ламинирования и комплексными инструментами контроля, мы можем производить сложные печатные платы с количеством слоев до 40 и соотношением сторон, превышающим 20:1.
Бесперебойное обслуживание от прототипирования до массового производства: Независимо от того, нужна ли вам быстрая проверка прототипа или крупномасштабная производственная поставка, мы предлагаем гибкие и надежные услуги для ускорения вывода вашей продукции на рынок.

Получить предложение по печатным платам ### Заключение: Платы охлаждения ИИ как краеугольный камень будущих вычислений

Таким образом, плата охлаждения ИИ является критически важной технологией для решения проблем тепловыделения и энергопотребления, вызванных взрывным ростом вычислительной мощности в эпоху ИИ. Она представляет собой сложную инженерную задачу, требующую от разработчиков соблюдения тонкого баланса между целостностью сигнала, целостностью питания и тепловым управлением. От платы ИИ-ускорителя до крупномасштабной платы кластера GPU — стабильная работа зависит от тщательно спроектированной и точно изготовленной платы охлаждения ИИ в качестве основы.

По мере развития технологий требования к печатным платам будут только расти. Сотрудничество со специализированным партнером, таким как HILPCB, даст вам конкурентное преимущество на жестком рыночном ландшафте. Если вы разрабатываете аппаратное обеспечение ИИ следующего поколения и сталкиваетесь с проблемами теплового управления, высокоскоростной или высокоплотной проводки, пожалуйста, немедленно свяжитесь с нашей технической командой. Мы с нетерпением ждем сотрудничества с вами, чтобы предоставить лучшие решения для печатных плат для вашего проекта.