С экспоненциальным ростом сложности моделей искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) мировой спрос на вычислительную мощность в центрах обработки данных достиг беспрецедентных высот. Графические процессоры (GPU) и ускорители ИИ следующего поколения от полупроводниковых гигантов, таких как NVIDIA, AMD и Intel, используют передовые высокоскоростные шины, такие как PCIe Gen5/Gen6, CXL и NVLink, для массивных межсоединений данных, при этом скорость передачи данных по одной линии возрастает с 32 ГТ/с до 64 ГТ/с и продвигается к 128 ГТ/с и выше. В этой технологической волне роль стека слоев печатной платы материнской платы AI-сервера претерпела фундаментальные изменения. Это больше не просто простая подложка для компонентов, а техническое ядро, которое определяет производительность, качество передачи сигнала, стабильность питания и долгосрочную надежность всей системы с триллионами вычислений. Тщательно рассчитанная и оптимизированная структура стека слоев является прочной основой для обеспечения эффективной и точной работы кластеров ИИ. Эта статья представляет собой всеобъемлющее руководство по печатным платам материнских плат для ИИ-серверов, углубляясь в основные проблемы и передовые решения в проектировании стека слоев для материнских плат и объединительных плат ИИ-серверов с точки зрения опытных инженеров. Мы систематически рассмотрим каждый критический аспект, включая целостность сигнала (SI), целостность питания (PI), тепловое управление, электромагнитную совместимость (EMC) и проектирование для технологичности (DFM), стремясь предоставить четкую дорожную карту для навигации в этой высокосложной инженерной области.

Почему проектирование стека слоев является решающим фактором для объединительных плат ИИ-серверов?

В ИИ-серверах, которые объединяют десятки центральных процессоров (CPU), модули графических ускорителей (GPU) (такие как платформа NVIDIA HGX или OAM), высокоскоростную память (HBM), высокоскоростные сетевые интерфейсные карты (NIC) и массивы хранения NVMe, материнская плата или объединительная плата служит «центральной магистралью» для потока данных между всеми критически важными блоками. Качество проектирования стека слоев напрямую и глубоко влияет на следующие четыре ключевых аспекта производительности:

1. Целостность сигнала (SI): Когда скорость передачи сигнала достигает поразительных 128 Гбит/с на линию, каждый миллиметр передачи сигнала на печатной плате сопряжен с трудностями. Затухание сигнала (вносимые потери), отражение (возвратные потери) и перекрестные помехи значительно усиливаются. Диэлектрическая проницаемость (Dk), коэффициент рассеяния (Df), шероховатость медной фольги, геометрия трасс и структура переходных отверстий в стеке совместно определяют, смогут ли сигналы поддерживать достаточно четкую "глазковую диаграмму" после передачи на большие расстояния, обеспечивая точное декодирование приемником на дальнем конце. Даже малейший дефект конструкции может привести к сбою обучения канала связи или неприемлемым показателям битовых ошибок (BER).

2. Целостность питания (PI): Пиковое энергопотребление одного ускорителя ИИ превысило 1000 Вт, и при напряжении ядра ниже 1 В это приводит к мгновенным токовым нагрузкам до 1000 ампер и более. Такие массивные переходные изменения тока (di/dt) предъявляют экстремальные требования к сети распределения питания (PDN). Плоскости питания и заземления в стеке должны образовывать PDN со сверхнизким импедансом в широком частотном диапазоне, чтобы минимизировать падение напряжения (IR Drop) и подавлять высокочастотный коммутационный шум. Надежная PDN является жизненно важной для обеспечения стабильной работы дорогих чипов и предотвращения неожиданных перезагрузок или снижения производительности.

3. Тепловое управление: Десятки киловатт системной мощности неизбежно генерируют огромное количество тепла. Сама печатная плата является не только носителем источников тепла, но и критическим путем для теплопроводности. Хорошо спланированный стек может интегрировать толстые медные слои, разрабатывать эффективные массивы тепловых переходных отверстий и выбирать материалы с высокой теплопроводностью для создания пути с низким тепловым сопротивлением от нижней части чипа к радиатору или модулю жидкостного охлаждения, эффективно предотвращая локальный перегрев, который может привести к дросселированию устройства или необратимым повреждениям.

4. Электромагнитная совместимость (ЭМС): Высокоплотное, высокоскоростное переключение цифровых сигналов является мощным источником электромагнитных помех (ЭМП). Если их не контролировать, эти излучения могут не только нарушить работу других чувствительных цепей на плате, но и привести к тому, что весь сервер не пройдет обязательную нормативную сертификацию, такую как FCC и CE. Оптимизированная конструкция стека - например, путем создания эффекта «клетки Фарадея» через плотно связанные, непрерывные плоскости питания/заземления - может обеспечить естественное экранирование для высокоскоростных сигналов, подавляя излучения ЭМП на источнике.

Целостность высокоскоростных сигналов: Преодоление физических ограничений на частотах ГГц

Для каналов PCIe Gen6 или CXL 3.0 с более высокой скоростью частота Найквиста сигналов вошла в СВЧ-диапазон десятков ГГц. В этом частотном диапазоне трассы печатных плат ведут себя скорее как сложные волноводы, чем как простые проводники. Плохо спроектированный стек печатной платы материнской платы AI-сервера может быстро рассеивать энергию сигнала во время передачи, что приводит к полному разрушению «глазковой диаграммы».

Среди этих проблем контроль импеданса печатных плат материнских плат AI-серверов является отправной точкой и ядром всех усилий по проектированию SI. Любое отклонение от целевого дифференциального импеданса (обычно 85, 90 или 100 Ом) может вызвать отражения сигнала. Эти отраженные волны накладываются на основной сигнал, что приводит к серьезным межсимвольным помехам (ISI) и, в конечном итоге, к повреждению данных. Достижение микронной точности в контроле импеданса требует глубокого сотрудничества между проектированием и производством:

• Выбирайте материалы со сверхнизкими потерями: Традиционные материалы FR-4 демонстрируют чрезмерно высокие коэффициенты рассеяния (Df) на ГГц-частотах, поглощая энергию сигнала как губка. Поэтому необходимо использовать передовые материалы, такие как серия Megtron от Panasonic (Megtron 6, 7, 8), Tachyon 100G от TUC или Astra MT77 от Isola. Эти материалы обеспечивают более низкие и стабильные значения Dk и Df на целевых частотах.
• Строгий контроль геометрических допусков: Значения импеданса очень чувствительны к ширине трассы, расстоянию между трассами, толщине диэлектрического слоя и толщине меди. Успешный производитель печатных плат для AI-серверов должен быть способен контролировать производственные допуски для этих физических параметров в пределах ±5% или даже более жестких диапазонов. Это зависит от передовых процессов, таких как перенос рисунка, ламинирование и травление.
• Оптимизация каждого вертикального соединения - переходные отверстия (Vias): В объединительных платах (backplanes) с 20 или более слоями сигналы должны проходить между слоями через переходные отверстия. Традиционные сквозные переходные отверстия оставляют бесполезные "пеньки" (stubs), которые действуют как антенны и резонируют на определенных частотах, разрушая целостность сигнала. Обратное сверление (Back-drilling) - процесс точного удаления избыточных "пеньков" с обратной стороны печатной платы - является критически важной техникой для обеспечения плавных переходов сигнала между слоями. Для более плотных областей, стекированные или смещенные микропереходные отверстия с использованием технологии HDI (High-Density Interconnect) могут обеспечить более короткие и высокопроизводительные вертикальные пути.

Точный контроль импеданса и стратегия выбора материалов: Искусство балансировки производительности и стоимости

Достижение строгого контроля импеданса печатных плат материнских плат ИИ-серверов является систематической инженерной задачей. Выбор материалов - это первый шаг, но это не означает слепое использование самых дорогих материалов со сверхнизкими потерями. Истинное искусство заключается в реализации дифференцированных, утонченных компоновок материалов - известных как конструкции "Hybrid Stackup" - основанных на длине, скорости и критичности сигнального тракта в системе. Например, области, соединяющие ЦП с встроенными модулями расширения памяти CXL, могут иметь длину всего несколько дюймов. Здесь могут быть достаточными материалы со средними и низкими потерями, такие как Megtron 4, обеспечивающие баланс производительности и стоимости. Однако для больших объединительных плат, связывающих несколько модулей графических ускорителей, где сигналы проходят десятки дюймов, даже незначительные потери накапливаются и усиливаются. В таких случаях бескомпромиссное использование флагманских материалов со сверхнизкими потерями, таких как Megtron 7 или Tachyon 100G, становится обязательным. Как профессиональный производитель высокоскоростных печатных плат, Highleap PCB Factory (HILPCB) обладает обширным опытом работы с передовыми материалами и предлагает экспертные консультации по проектированию гибридных стекапов. Это гарантирует, что каждый шаг - от закупки материалов, контроля параметров ламинирования до окончательного тестирования импеданса - соответствует самым строгим стандартам.

Совместное проектирование сети распределения питания (PDN) и теплового менеджмента

Проектирование PDN серверов ИИ неразрывно связано с тепловым менеджментом и требует совместной оптимизации. Проектирование стека (stackup) служит основной платформой для достижения этой синергии.

• Создание PDN с низким импедансом: Для работы с мгновенными токами в тысячи ампер, VRM (модули регуляторов напряжения) должны быть расположены как можно ближе к GPU/CPU. Проектирование стека должно способствовать этому:

• Максимизация планарной емкости: В стеке, крупноплощадные плоскости питания и земли должны быть тесно связаны с ультратонкими диэлектрическими слоями (например, 1-2 мил сердечника или препрега). Это создает естественную, распределенную "планарную емкость", служащую критически важной первой линией защиты от высокочастотных переходных шумов.

• Планирование "Супермагистралей": Проектируйте непрерывные, широкие медные плоскости для сильноточных путей, часто используя медь толщиной 4 унции или толще. Избегайте фрагментации этих критически важных плоскостей питания или земли из-за других потребностей трассировки, так как это создает узкие места для тока и значительно увеличивает падение IR.

• Резервирование "Золотых мест" для развязывающих конденсаторов: Во время планирования стека выделите физическое пространство и каналы трассировки рядом или на обратной стороне компонентов BGA для высокочастотных развязывающих конденсаторов, обеспечивая их подключение к сети питания/земли по кратчайшим путям.

• Соображения по термоэлектрическим эффектам связи: Удельное сопротивление меди увеличивается с температурой (~0,4%/°C). Плохое тепловое управление, приводящее к повышению температуры плоскости питания, усугубляет падение IR, создавая порочный круг. Кроме того, значение Dk диэлектрических материалов дрейфует с температурой, влияя на точность импеданса. Таким образом, конструкция стека должна:

• Интеграция тепловых путей: Стратегически размещайте несколько непрерывных слоев заземляющей меди в стеке, дополненных плотными массивами тепловых переходных отверстий, чтобы эффективно отводить тепло от высокомощных компонентов на противоположную сторону печатной платы для рассеивания радиатором. Для сценариев, таких как объединительные платы (backplane PCBs), которые обрабатывают сотни ампер, управляя при этом теплом, процессы с толстой или сверхтолстой медью являются стандартной практикой.

• Повышение долгосрочной надежности: Среды центров обработки данных сложны, потенциально содержат пыль, влагу или даже коррозионные газы. Нанесение высококачественного конформного покрытия (Conformal coating), такого как акрил или уретан, может обеспечить прочную защитную пленку для печатных плат, эффективно изолируя их от воздействия окружающей среды и обеспечивая стабильную электрическую и тепловую производительность на протяжении многих лет службы.

Производство и валидация: Критический замкнутый цикл для точного воспроизведения проектных чертежей

Идеальная конструкция стека в программном обеспечении для моделирования бесполезна, если ее невозможно экономично изготовить с высокой производительностью. Поэтому глубокое общение по DFM (Design for Manufacturability) с производителями печатных плат (например, HILPCB) на ранней стадии проектирования является обязательным условием успеха проекта.

Валидация печатных плат материнских плат AI-серверов является последней и наиболее критической линией защиты для обеспечения качества продукции. Это многомерный, сквозной процесс:

1. Валидация в процессе:

• TDR-тестирование: Специальные тестовые купоны изготавливаются по краям каждой производственной панели. Точные измерения с использованием рефлектометра временной области (TDR) служат золотым стандартом для проверки того, строго ли контролируется дифференциальный импеданс в пределах спецификаций.
• Рентгеновский контроль после ламинирования: Для сложных печатных плат с более чем 20 слоями рентгеновский контроль точности выравнивания межслойных соединений имеет решающее значение. Даже незначительные смещения могут нарушить контроль импеданса или вызвать короткие замыкания.

2. Электрическое тестирование голой платы:

   • Тестирование летающими щупами или высокоплотные тестовые приспособления используются для проведения 100% тестирования на обрывы/короткие замыкания каждой голой платы, обеспечивая физическую целостность всех сетевых соединений.

3. Валидация после сборки:

   • Boundary-Scan/JTAG: Материнские платы AI-серверов плотно заселены BGA-корпусами с большим количеством выводов и малым шагом, что делает традиционное внутрисхемное тестирование (ICT) неэффективным. Технология Boundary-Scan/JTAG (стандарт IEEE 1149.1) заполняет этот пробел. Используя порт доступа к тесту (TAP), встроенный в чипы, она соединяет каждый вывод ввода/вывода с внутренней цепочкой сдвиговых регистров. Инженеры могут использовать этот «цифровой бэкдор» для точного обнаружения дефектов пайки (например, обрывов, коротких замыканий, перемычек) в выводах BGA и проверки межкомпонентной связи - без физических щупов. Это основной, высокоэффективный инструмент для валидации межсоединений после сборки на сложных материнских платах.

• Функциональное и системное тестирование: Наконец, плата помещается в реальную или симулированную системную среду для запуска диагностических программ и стресс-тестов, проверяя ее фактическую производительность при полной нагрузке.

Получить предложение по печатным платам

Заключение: Системное инженерное мышление - единственный способ укротить сложность

Разработка стека печатной платы материнской платы AI-сервера является одной из самых сложных задач в современном развитии высокопроизводительного вычислительного оборудования. Она давно вышла за рамки традиционного проектирования печатных плат, превратившись в комплексную дисциплину системной инженерии, глубоко интегрирующую теорию электромагнитного поля, материаловедение, термодинамику и процессы прецизионного производства. По мере того как технология ИИ продолжает развиваться в сторону большей вычислительной мощности, большей энергоэффективности и более высокой пропускной способности межсоединений, требования к проектированию стека печатных плат будут только ужесточаться.

Ключ к успеху заключается в формировании междисциплинарного совместного мышления с самого начала проекта. Применяя современные материалы со сверхнизкими потерями, реализуя контроль импеданса печатной платы материнской платы AI-сервера на микронном уровне, создавая надежные PDN (Power Delivery Network) и эффективные архитектуры теплового управления, а также сочетая их со строгим сквозным процессом валидации печатной платы материнской платы AI-сервера (где незаменимы такие передовые технологии, как Boundary-Scan/JTAG и Конформное покрытие), мы в конечном итоге можем создать надежную аппаратную платформу, способную поддерживать растущие вычислительные потребности будущего ИИ. Выбор партнера, такого как Highleap PCB Factory (HILPCB), который понимает как принципы проектирования, так и производственные процессы, имеет решающее значение. Мы не только предоставляем комплексные производственные услуги от прототипирования до массового производства, но, что более важно, наша инженерная команда может глубоко вовлекаться с ранних стадий проектирования, предлагая профессиональный анализ DFM/DFA, чтобы помочь клиентам оптимизировать стек печатной платы материнской платы AI-сервера, избежать потенциальных производственных ловушек и найти оптимальный баланс между производительностью, стоимостью и надежностью - в конечном итоге ускоряя успешный запуск ваших инновационных продуктов.

Related links

• высокоскоростных печатных плат
• объединительные платы (backplane PCBs)