С взрывным ростом генеративного ИИ и больших языковых моделей спрос на вычислительную мощность в центрах обработки данных вырос экспоненциально. Являясь ядром этой экосистемы, производительность, стабильность и надежность AI-серверов напрямую определяют верхние пределы всей системы. В этих рамках материнские платы серверов и объединительные платы (PCB) играют критически важную роль, подобную нейронной сети, обеспечивая обмен триллионами байтов данных в секунду между CPU, GPU, ускорителями и хранилищем. Поэтому достижение строгого соответствия печатных плат материнских плат AI-серверов больше не является необязательным - это краеугольный камень успеха системы. Это сложная инженерная дисциплина, которая сочетает в себе целостность высокоскоростных сигналов, целостность питания, термодинамику и прецизионное производство, обеспечивая стабильную работу этих «электронных артерий» при экстремальных нагрузках в течение длительных периодов.
Как инженеры по соответствию и надежности, мы понимаем, что несоответствующая объединительная плата (PCB) может привести к ошибкам передачи данных, сбоям системы или даже необратимому повреждению оборудования. Эта статья углубится в основные проблемы и ключевые технологии достижения соответствия объединительных плат AI-серверов с профессиональной точки зрения, охватывая весь рабочий процесс от целостности сигнала (SI) до целостности питания (PI), от теплового управления до проектирования для технологичности (DFM), помогая вам ориентироваться в этой высокотехнологичной области с множеством барьеров.
Целостность сигнала (SI): Освоение высокоскоростных каналов для PCIe 6.0 и CXL
Узкое место производительности серверов ИИ часто заключается в скорости передачи данных. С принятием протоколов межсоединений следующего поколения, таких как PCIe 6.0 (64 ГТ/с) и CXL 3.0, частоты сигналов вошли в СВЧ-диапазон десятков ГГц. На таких скоростях трассы печатных плат перестают быть простыми проводниками и становятся сложными системами линий передачи. Обеспечение целостности сигнала является главным приоритетом для соответствия печатных плат материнских плат серверов ИИ.
1. Точный контроль импеданса: В высокоскоростных дифференциальных парах даже незначительные рассогласования импеданса могут вызывать отражения сигнала, увеличивая частоту битовых ошибок (BER). Соответствие требует поддержания дифференциального импеданса в пределах ±5% или более жестких допусков. Это зависит не только от точной AI server motherboard PCB routing, но и от опыта производителя печатных плат в контроле ширины трасс, диэлектрической проницаемости (Dk) и процессов ламинирования.
2. Минимизация вносимых потерь: Энергия сигнала ослабляется во время передачи, особенно на высоких частотах. Для борьбы с этим необходимо использовать сверхнизкопотерные материалы, такие как Megtron 7 или Tachyon 100G. Кроме того, шероховатость поверхности медной фольги влияет на скин-эффект - гладкая медная фольга (VLP/HVLP) является ключом к снижению потерь. 3. Оптимизация переходных отверстий: В толстых многослойных объединительных платах переходные отверстия являются основными источниками разрывов сигнала. Остатки переходных отверстий могут действовать как антенны, вызывая резонанс и серьезно ухудшая качество сигнала. Обратное сверление для удаления неиспользуемых остатков или использование глухих/скрытых переходных отверстий (технология HDI) в конструкции необходимо для обеспечения беспрепятственных высокоскоростных каналов.
Целостность питания (PI): Создание стабильной основы для сотен ампер
Продвинутый ускоритель ИИ (например, GPU) может потреблять более 1000 Вт при полной нагрузке, требуя сотни ампер тока. Обеспечение стабильного, чистого питания для этих "энергоемких монстров" является основной целью проектирования целостности питания (PI) и критически важным показателем для оценки надежности печатных плат материнских плат AI-серверов.
1. Сеть распределения питания (PDN) с низким импедансом: Соответствующая конструкция PDN направлена на обеспечение сверхнизкоимпедансного пути питания для чипов во всех частотных диапазонах. Это обычно достигается за счет больших плоскостей питания и заземления, использования печатных плат с толстой медью (Heavy Copper) и тщательно расположенных развязывающих конденсаторов между VRM (модулем регулятора напряжения) и чипом. Цель состоит в подавлении пульсаций напряжения и переходных шумов, предотвращая помехи высокоскоростным сигналам. 2. Контроль падения IR: Когда высокие рабочие токи протекают через плоскости и дорожки печатной платы, возникают падения напряжения из-за присущего меди сопротивления. Чрезмерное падение IR может привести к недостаточному питанию микросхем, вызывая троттлинг или ошибки. Путем оптимизации путей подачи питания, увеличения толщины меди и правильного размещения VRM падение напряжения можно контролировать в пределах приемлемого диапазона 2-3%.
3. Электротермическое совместное проектирование: Высокие токи также означают значительное выделение тепла. Проектирование целостности питания (PI) должно быть скоординировано с тепловым управлением, чтобы гарантировать, что области с высоким током вдоль путей подачи питания не создают горячих точек, которые могут поставить под угрозу долгосрочную надежность платы. Это особенно важно для требовательных приложений, таких как data-center AI server motherboard PCBs.
Эволюция требований стандартов высокоскоростных межсоединений к проектированию печатных плат
| Стандарт | Скорость передачи данных (GT/s) | Частота Найквиста (ГГц) | Типичный бюджет потерь канала (дБ) | Рекомендуемый класс материала печатной платы |
|---|---|---|---|---|
| PCIe 4.0 | 16 | 8 | ~28 @ 8 GHz | Средние потери / Низкие потери |
| PCIe 5.0 | 32 | 16 | ~36 @ 16 GHz | Низкие потери / Сверхнизкие потери |
| PCIe 6.0 | 64 (PAM4) | 16 | ~32 при 16 ГГц | Сверхнизкие потери / Супернизкие потери |
Усовершенствованный дизайн стека слоев и выбор материалов
Стек слоев печатной платы служит "скелетом" всей конструкции, определяя электрические характеристики сигнальных и силовых трактов. Тщательно оптимизированный стек слоев является основой для достижения соответствия печатных плат материнских плат серверов ИИ.
Для объединительных плат серверов ИИ, обычно превышающих 20 слоев, проектирование стека слоев требует балансировки целостности сигнала, целостности питания, контроля электромагнитных помех и производственных затрат. Распространенная стратегия включает в себя принятие симметричной, сбалансированной структуры, маршрутизацию высокоскоростных дифференциальных пар во внутренних слоях, окруженных непрерывными опорными плоскостями (GND или PWR), для обеспечения четких обратных путей и эффективного экранирования. Выбор материала не менее важен. Традиционные материалы FR-4 демонстрируют чрезмерные потери на высоких частотах и больше не могут соответствовать требованиям PCIe 5.0+. Разработчики должны перейти на высокоскоростные материалы для печатных плат с более низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) и коэффициентом рассеяния (Df), сохраняя при этом стабильность при изменениях частоты и температуры. Завод Highleap PCB (HILPCB) обладает обширным опытом работы с этими передовыми материалами и может рекомендовать оптимальные решения по соотношению цена-качество, адаптированные к вашим конкретным приложениям, обеспечивая соответствие требованиям с самого начала проектирования.
Терморегулирование: Решение проблем рассеивания мощности на уровне киловатт
Тепло - главный враг надежности электронных систем. Объединительные платы AI-серверов не только сами потребляют значительную мощность, но и расположены рядом с процессорами и графическими процессорами, которые выделяют поразительное количество тепла. Эффективные стратегии терморегулирования являются жизненно важными для обеспечения надежности печатных плат материнских плат AI-серверов, особенно в плотно упакованных стойках печатных плат материнских плат AI-серверов центров обработки данных.
Сама печатная плата является частью пути рассеивания тепла. Соответствующие конструкции терморегулирования включают:
- Оптимизация путей теплопроводности: Путем плотного расположения тепловых переходных отверстий под тепловыделяющими компонентами тепло быстро передается на внутренние слои заземления или питания, которые затем рассеиваются через шасси или радиаторы.
- Встроенные технологии охлаждения: Для локализованных горячих точек могут быть применены передовые методы, такие как встроенные медные монеты или тепловые трубки, для непосредственного отвода тепла от нижней стороны чипа, что обеспечивает значительно превосходящую эффективность охлаждения по сравнению с традиционными тепловыми переходными отверстиями.
- Материалы с высоким Tg: Выбор материалов для печатных плат с высоким Tg с высокой температурой стеклования (Tg) гарантирует, что печатная плата сохраняет механическую и электрическую стабильность при длительной работе в условиях высоких температур. Это обязательное требование для
печатных плат материнских плат серверов ИИ промышленного класса, требующих исключительной надежности.
Ключевые показатели производительности для печатных плат объединительных панелей серверов ИИ
Максимальная токовая нагрузка
400A+
Целевой импеданс PDN
< 0.5 mΩ
Потери сигнала при 16 ГГц
-36 dB
Максимальная рабочая температура
105°C
Проектирование для технологичности (DFM): Мост от проектирования к массовому производству
Теоретически идеальная конструкция печатной платы является неудачной, если ее невозможно изготовить экономично и надежно. Проектирование для технологичности (DFM) служит мостом, соединяющим проектирование с реальностью, особенно для сложных объединительных плат AI-серверов.
Ключевые соображения DFM включают:
- Высокое соотношение сторон: Объединительные платы AI-серверов обычно толстые с малыми диаметрами переходных отверстий, что приводит к чрезвычайно высоким соотношениям сторон, создающим значительные проблемы для процессов металлизации.
- Точность выравнивания ламинации: Для плат с более чем 20 слоями даже незначительное смещение межслойных соединений может привести к отклонению сверленых отверстий от контактных площадок, что вызывает обрывы или короткие замыкания.
- Контроль коробления: Неравномерное распределение меди или неправильные процессы ламинации могут вызвать коробление печатной платы во время пайки оплавлением, влияя на качество пайки компонентов высокой плотности, таких как BGA.
Проведение DFM-анализов на ранних этапах проектирования с опытными производителями, такими как HILPCB, помогает заранее выявить и избежать этих производственных ловушек. Это особенно ценно для проектов малосерийных печатных плат материнских плат AI-серверов, поскольку значительно снижает риск дорогостоящих доработок и перепроектирования.
Тестирование и валидация надежности: Обеспечение долгосрочной стабильной работы
Заключительный и наиболее важный шаг в достижении соответствия печатных плат материнских плат AI-серверов - это демонстрация долгосрочной надежности посредством тщательного тестирования и валидации, что выходит за рамки простых тестов электрической проводимости.
- Стандарты IPC-6012 Класс 3/3A: Это критерии приемки производства для высоконадежных электронных изделий, широко используемые в аэрокосмической, медицинской отраслях и центрах обработки данных. Они предъявляют чрезвычайно строгие требования к ширине проводника, толщине покрытия, выравниванию межслойных соединений и многому другому.
- Тестирование целостности сигнала: Использование рефлектометрии во временной области (TDR) для измерения характеристического импеданса и векторных анализаторов цепей (VNA) для измерения вносимых потерь и возвратных потерь, что гарантирует соответствие фактической производительности результатам моделирования.
- Ускоренные ресурсные испытания: С помощью высокоускоренных ресурсных испытаний (HALT) и высокоускоренного стрессового скрининга (HASS) выявляются потенциальные дефекты при экстремальных температурах, вибрации и напряжениях, тем самым повышая
надежность печатных плат материнских плат серверов ИИ.
Производственные возможности HILPCB для высокоскоростных объединительных плат
| Параметр | Возможность |
|---|---|
| Максимальное количество слоев | 64 слоя |
| Максимальная толщина платы | 12 мм |
| Максимальное соотношение сторон |