Печатные платы для рабочих станций ИИ: Решение проблем высокой скорости и высокой плотности печатных плат серверов центров обработки данных

По мере того как волна искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) охватывает весь мир, от автономного вождения до обработки естественного языка, спрос на вычислительную мощность растет беспрецедентными темпами. В основе этой технологической революции лежат ИИ-серверы и рабочие станции, оснащенные мощными графическими процессорами (GPU), нейропроцессорами (NPU) и специализированными интегральными схемами (ASIC). Основой, поддерживающей все это, является высокосложная печатная плата для рабочих станций ИИ. По сравнению с традиционными серверными печатными платами, она сталкивается с множеством экстремальных проблем, таких как высокая скорость, высокая плотность, высокое энергопотребление и высокая плотность теплового потока. Успех или неудача ее проектирования и производства напрямую определяет производительность, стабильность и надежность всей системы ИИ.

Являясь ядром аппаратной архитектуры центров обработки данных, хорошо спроектированная печатная плата для рабочих станций ИИ - это не просто носитель для подключения компонентов, но и нейронная сеть, которая обеспечивает высокоскоростной поток данных без потерь между процессорами, ускорителями и памятью. Она должна идеально сбалансировать три столпа: целостность сигнала, целостность питания и тепловое управление. На заводе Highleap PCB Factory (HILPCB) мы специализируемся в этой области, стремясь предоставлять клиентам передовые решения для печатных плат, способные справиться с этими экстремальными задачами.

Основные проблемы печатных плат для рабочих станций ИИ: За пределами традиционного дизайна серверов

Традиционный дизайн печатных плат серверов ориентирован на надежность и экономичность, в то время как печатные платы для рабочих станций с ИИ доводят производительность до предела. Рабочие нагрузки ИИ характеризуются высоким параллелизмом и интенсивностью данных, требуя от печатной платы поддержки нескольких высокомощных ускорителей ИИ (таких как графические процессоры NVIDIA или TPU Google), работающих одновременно на полной скорости.

Эта архитектура влечет за собой несколько фундаментальных изменений в дизайне:

1. Сверхвысокая плотность межсоединений: Ускорители ИИ часто используют корпуса BGA с тысячами выводов и чрезвычайно малым шагом. Это требует чрезвычайно высокой плотности монтажа и более точных производственных процессов.
2. Огромное энергопотребление: Один чип ИИ может потреблять 700 Вт или даже превышать 1000 Вт. Обеспечение стабильного, чистого тока для этих "энергоемких монстров" предъявляет беспрецедентные требования к сети распределения питания (PDN) печатной платы.
3. Массивная пропускная способность данных: Высокоскоростные шины, такие как PCIe 5.0/6.0, CXL и NVLink, достигли скоростей передачи данных в десятки Гбит/с. Любое незначительное искажение сигнала может привести к сбоям системы.
4. Строгое управление тепловыделением: Концентрация тысяч ватт мощности в компактном пространстве генерирует огромное количество тепла. Сама печатная плата должна стать частью системы охлаждения, а не просто пассивным носителем.

Поэтому, будь то печатная плата Tensor Core для рендеринга графики или печатная плата сервера NPU для ускорения вывода, их философия проектирования должна быть принципиально переосмыслена для решения этих системных задач.

Получить предложение по печатной плате

Целостность высокоскоростного сигнала (SI): Обеспечение чистоты и стабильности потока данных

В печатных платах для рабочих станций с ИИ скорость и пропускная способность передачи данных являются ключевыми показателями производительности. Когда частоты сигнала входят в диапазон ГГц, медные дорожки на печатной плате перестают быть простыми проводниками и становятся сложными линиями передачи, с появлением различных физических эффектов. Обеспечение целостности сигнала (SI) является главным приоритетом при проектировании.

Ключевые аспекты проектирования SI:

• Контроль импеданса: Высокоскоростные сигналы чрезвычайно чувствительны к характеристическому импедансу линий передачи. Несоответствие импеданса может вызывать отражения сигнала, приводящие к звону (ringing) и выбросам (overshoot), которые значительно ухудшают глазковую диаграмму данных. Для таких интерфейсов, как PCIe 5.0 (32 ГТ/с), точность контроля импеданса обычно требует допуска ±7% или даже более строгого ±5%. HILPCB использует передовые инструменты моделирования и строгий контроль процессов для обеспечения согласованности импеданса от внутренних до внешних слоев.
• Трассировка дифференциальных пар: Для сопротивления шумовым помехам высокоскоростные сигналы обычно используют передачу дифференциальными парами. Конструкция должна обеспечивать строго равную длину и расстояние между двумя трассами (P/N) дифференциальной пары, избегая при этом резких поворотов для поддержания способности подавления синфазного сигнала. Это особенно важно для печатных плат Tensor Core, обрабатывающих массивные параллельные вычисления.
• Контроль перекрестных помех: При трассировке высокой плотности соседние сигнальные линии могут генерировать перекрестные помехи через электромагнитную связь, когда сигналы на одной линии мешают другой. Мы минимизируем перекрестные помехи, оптимизируя расстояние между трассами, планируя линии заземления и используя различные слои трассировки для обеспечения независимости каждого канала данных.
• Вносимые потери: Энергия сигнала ослабляется во время передачи из-за диэлектрических и проводниковых потерь. Мы рекомендуем и используем сверхнизкопотерные высокоскоростные материалы для печатных плат, такие как Megtron 6 или Tachyon 100G, чтобы гарантировать, что сигналы сохраняют достаточную амплитуду для правильной идентификации приемником даже после передачи на большие расстояния.

Целостность питания (PI): Обеспечение чипов ИИ неудержимой мощностью

Если целостность сигнала (SI) - это «магистраль», обеспечивающая бесперебойный поток данных, то целостность питания (PI) - это «энергетическая сеть», которая обеспечивает непрерывное питание транспортных средств на этой магистрали. Чипы ИИ работают при низких напряжениях и сверхвысоких токах, при этом потребляемая мощность быстро колеблется в зависимости от вычислительной нагрузки. Надежная система питания ИИ является главным приоритетом при проектировании печатных плат рабочих станций ИИ.

Основные стратегии проектирования PI:

• Низкоимпедансная сеть распределения питания (PDN): Цель PDN - обеспечить низкоимпедансный путь питания для чипа на всех частотах. Это обычно достигается за счет больших плоскостей питания и заземления, а также стратегически расположенных развязывающих конденсаторов. Для основных шин питания, несущих сотни ампер, мы часто используем технологию печатных плат с толстой медью (3 унции или выше), чтобы значительно уменьшить падение напряжения постоянного тока (IR Drop).
• Размещение и развязка VRM: Модули регуляторов напряжения (VRM) должны быть расположены как можно ближе к чипу ИИ, чтобы минимизировать пути с высоким током. Одновременно вокруг чипа должен быть размещен плотный массив развязывающих конденсаторов. Эти конденсаторы различаются по размеру, образуя сеть, которая реагирует на шум на разных частотах, обеспечивая удовлетворение мгновенных потребностей в токе в наносекундном масштабе. Эта тщательная компоновка системы питания ИИ имеет решающее значение для стабильной работы печатных плат серверов NPU.
• Планарная емкость: В некоторых высокопроизводительных конструкциях мы используем близко расположенные плоскости питания и заземления для создания "планарной емкости". Эта встроенная емкость обеспечивает превосходную производительность развязки на высоких частотах, служа мощным дополнением к традиционным дискретным конденсаторам.

Надежная сеть питания ИИ является основой для того, чтобы печатные платы серверов глубокого обучения избегали провалов напряжения и вычислительных ошибок при высоких нагрузках.

Передовые стратегии терморегулирования: Поддержание "холода" ИИ-вычислений у источника

Потребление энергии и тепло - две стороны одной медали. ИИ-ускоритель, потребляющий 1000 Вт, преобразует почти всю эту энергию в тепло. Если это тепло не рассеивается эффективно, температура чипа быстро повысится, что приведет к троттлингу или даже необратимому повреждению. Таким образом, печатные платы ИИ-рабочих станций должны активно участвовать в терморегулировании системы.

Методы терморегулирования на уровне печатной платы:

• Материалы с высокой теплопроводностью: Первым шагом является выбор материалов подложки с высокими температурами стеклования (Tg) и хорошей теплопроводностью. Например, материалы для печатных плат с высоким Tg (Tg > 170°C) сохраняют лучшие механические и электрические свойства при повышенных температурах.
• Тепловые переходные отверстия (Thermal Vias): Плотный массив тепловых переходных отверстий расположен в области печатной платы под чипом. Эти металлизированные отверстия создают путь с низким термическим сопротивлением от чипа к радиатору или опорной плите на противоположной стороне печатной платы.
• Медные заливки большой площади: Обширные медные слои размещаются на поверхности и во внутренних слоях печатной платы, используя превосходную теплопроводность меди для бокового рассеивания тепла из горячих зон и предотвращения локального перегрева. Это критически важно для печатных плат нейронных сетей, требующих долгосрочной стабильной работы.
• Встроенная медная монета (Copper Coin): Для областей с чрезвычайно высокой плотностью теплового потока предварительно изготовленные медные блоки могут быть непосредственно встроены в печатную плату. Эта технология обеспечивает беспрецедентную локализованную охлаждающую способность, передавая тепло непосредственно и эффективно на радиатор.

Используя программное обеспечение для теплового моделирования, мы можем предсказать распределение температуры на печатной плате на этапе проектирования и соответствующим образом оптимизировать компоновку и тепловое управление. Это гарантирует, что конечная печатная плата нейронной сети останется "холодной" даже в сложных условиях эксплуатации.

Сложный дизайн многослойной печатной платы

Для размещения проводки высокой плотности и сложных сетей питания в ограниченном пространстве, печатные платы рабочих станций ИИ почти всегда используют конструкции многослойных печатных плат. Количество слоев обычно варьируется от 16 до 30 и более.

Хорошо спроектированная структура стека является ключом к успеху. Речь идет не просто о простом наслоении меди и изоляционных слоев, а о стратегическом планировании функции каждого слоя:

• Сигнальные слои: Высокоскоростные сигналы обычно проходят по внутренним слоям, расположенным между слоями заземления или питания, известным как структуры "Stripline", для достижения оптимального экранирования и контроля импеданса.
• Плоскости заземления (Ground Planes): Обеспечивают стабильный опорный потенциал 0В и служат основным обратным путем для сигналов. Полная плоскость заземления критически важна для подавления шумов и контроля перекрестных помех.
• Плоскости питания (Power Planes): Выделенные слои отводятся для различных шин напряжения для обеспечения подачи питания с низким импедансом. Хорошо спроектированная печатная плата сервера глубокого обучения может иметь 10 или более независимых шин питания.

Рациональная конструкция стека слоев может оптимизировать производительность SI и PI на источнике, снижая риск поздних модификаций дизайна. Инженерная команда HILPCB тесно сотрудничает с клиентами для разработки оптимального решения по стеку слоев на основе конкретных требований приложения.

Проектирование для технологичности (DFM): Критический мост от чертежа к реальности

Теоретически идеальная конструкция печатной платы рабочей станции ИИ бесполезна, если ее невозможно изготовить экономично, эффективно и с высоким выходом годных изделий. Проектирование для технологичности (DFM) - это ключевой мост, который превращает сложные чертежи в надежные физические продукты.

Ключевые соображения DFM для печатных плат ИИ:

• Возможность тонких линий: Печатные платы, поддерживающие чипы ИИ, часто требуют ширины/расстояния между трассами 3/3 мил (0,075 мм) или тоньше, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к процессам травления и литографии.
• Передовые технологии переходных отверстий: Для повышения плотности трассировки широко применяются технологии HDI (High-Density Interconnect), включая микропереходные отверстия, просверленные лазером, via-in-pad и обратное сверление (back-drilling). Обратное сверление удаляет неиспользуемые части переходных отверстий, уменьшая отражения сигнала - критический фактор для высокоскоростных каналов.
• Ламинирование и выравнивание: Для толстых плат с десятками слоев поддержание точного выравнивания между слоями в процессе многократного ламинирования является серьезной проблемой. Даже незначительные отклонения могут привести к сбоям соединения.
• Стабильность материалов: На протяжении сложных производственных процессов выбранные материалы должны сохранять стабильность размеров для обеспечения точности конечного продукта.

В HILPCB наш процесс DFM-анализа начинается на ранней стадии проектирования клиента. Наши инженеры анализируют проектные файлы, выявляют потенциальные производственные риски и предоставляют рекомендации по оптимизации, чтобы обеспечить бесперебойное производство сложных плат, таких как печатные платы для NPU-серверов, при соблюдении ожидаемых показателей производительности и выхода годных изделий.

Надежность и тестирование: Обеспечение бесперебойной работы 24/7

Центры обработки данных и рабочие станции ИИ требуют круглосуточной работы, что делает надежность оборудования критически важной. Печатные платы для рабочих станций ИИ должны производиться и тестироваться в соответствии с самыми строгими отраслевыми стандартами.

• Стандарты IPC: Мы обычно придерживаемся стандартов IPC-6012 Class 3, самой высокой спецификации для высокопроизводительной и высоконадежной электроники. Она предъявляет чрезвычайно строгие требования к ширине проводников, расстояниям, толщине покрытия и многому другому.
• Комплексное тестирование: Каждая сложная печатная плата проходит серию строгих испытаний, включая:
  • Автоматический оптический контроль (АОИ): Проверяет каждый слой на наличие дефектов цепи.
  • Рентгеновский контроль (AXI): Исследует выравнивание внутренних слоев и качество сверления контактных площадок BGA.
  • Тестирование летающим зондом/тестовым приспособлением: Обеспечивает электрическое соединение и изоляцию.
  • Тестирование методом рефлектометрии во временной области (TDR): Использует тестовые купоны для проверки соответствия характеристического импеданса готовой платы проектным требованиям.

Эти строгие процедуры тестирования являются окончательной гарантией того, что каждая печатная плата Tensor Core или печатная плата сервера глубокого обучения будет стабильно работать в системах клиентов в течение длительного времени.

Получить предложение по печатным платам

Заключение: Сотрудничайте с HILPCB, чтобы формировать будущее аппаратного обеспечения ИИ

Печатные платы для рабочих станций ИИ являются жемчужиной в короне современных компьютерных технологий, объединяя в себе суть материаловедения, теории электромагнитных полей, термодинамики и прецизионного производства. Сложность их проектирования и изготовления требует беспрецедентного сотрудничества между инженерами-разработчиками и производителями печатных плат. От моделирования высокоскоростных сигналов до тщательной компоновки сетей Электропитания ИИ и интеграции стратегий теплового управления - каждый шаг представляет значительные трудности. В HILPCB мы являемся не только вашим производителем, но и вашим техническим партнером на пути к высокопроизводительному аппаратному обеспечению ИИ. Используя наш глубокий опыт и передовые производственные возможности в области высокоскоростных печатных плат, печатных плат с толстым медным слоем и сложных многослойных плат, мы стремимся помочь клиентам воплотить в жизнь их самые сложные проекты. Если вы разрабатываете системы ИИ следующего поколения и ищете партнера, который глубоко понимает и решает сложности печатных плат для рабочих станций ИИ, мы приглашаем вас связаться с нашей технической командой для обсуждения ваших проектных требований.

Related links

• сверхнизкопотерные высокоскоростные материалы для печатных плат
• печатных плат с толстой медью
• материалы для печатных плат с высоким Tg
• многослойных печатных плат