Плата интерфейса CCIX: Преодоление проблем высокой скорости и высокой плотности серверных плат для центров обработки данных

В волне искусственного интеллекта (ИИ), машинного обучения и анализа больших данных современные центры обработки данных переживают беспрецедентную революцию производительности. Скорость и эффективность обмена данными между вычислительными блоками, такими как ЦП, ГП, ППВМ и специализированные СБИС, стали критическими узкими местами, определяющими общую производительность системы. Чтобы преодолеть этот барьер, появились высокоскоростные стандарты межсоединений, такие как CCIX (Cache Coherent Interconnect for Accelerators). Физическая основа, несущая все это — печатная плата интерфейса CCIX — также достигла новых высот в сложности проектирования и производства. Эта статья служит вашим техническим руководством, углубляясь в основные проблемы создания высокопроизводительных печатных плат интерфейса CCIX и демонстрируя, как HILPCB использует свой глубокий технический опыт, чтобы помочь клиентам ориентироваться в этой сложной области.

Что такое печатная плата интерфейса CCIX? Почему это критически важно?

CCIX — это открытый протокол межсоединений, разработанный для обеспечения совместного использования кэш-когерентной памяти между процессорами и ускорителями с различными архитектурами набора команд. Проще говоря, он создает сверхвысокоскоростной канал передачи данных с низкой задержкой между ЦП и сопроцессорами, такими как ППВМ/ГП, значительно повышая эффективность гетерогенных вычислений. Интерфейсная печатная плата CCIX — это физическая печатная плата, реализующая данный протокол. Это не просто носитель для подключения компонентов, но и критически важная инфраструктура, обеспечивающая безпотерьную и стабильную передачу сигналов со скоростью 25 Гбит/с или выше. Плохо спроектированная или изготовленная печатная плата может легко привести к затуханию сигнала, межсимвольным помехам и сбоям системы, делая все дорогостоящие инвестиции в оборудование бесполезными. Ее важность очевидна:

• Гарантия производительности: Она служит "магистралью" для высокоскоростных сигналов, напрямую определяя, сможет ли канал CCIX достичь своей теоретической пропускной способности и целей низкой задержки.
• Основа стабильности системы: Отличные конструкции целостности питания (PI) и теплового управления обеспечивают надежную работу серверов в условиях круглосуточной высокой нагрузки (7x24).
• Двигатель технологической эволюции: Принципы ее проектирования соответствуют новым технологиям, таким как CXL Interface PCB. Освоение ее означает освоение ядра будущих технологий межсоединений центров обработки данных.

Целостность высокоскоростного сигнала (SI): Краеугольный камень проектирования интерфейсной печатной платы CCIX

Когда скорость сигнала достигает 25 Гбит/с, медные дорожки на печатной плате перестают быть простыми проводами и становятся сложными линиями передачи. Каждый изгиб, переходное отверстие и разъем значительно влияют на сигнал. Обеспечение целостности сигнала (SI) является основной задачей проектирования интерфейсной печатной платы CCIX.

1. Дифференциальные пары и контроль импеданса: Сигналы CCIX передаются по дифференциальным парам для подавления шумовых помех. Мы должны точно контролировать дифференциальный импеданс в пределах жесткого допуска 100 Ом (или 90 Ом, в зависимости от спецификаций) ±7%. Это требует точных расчетов и контроля производственного процесса для ширины трасс, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости (Dk) и толщины меди.

2. Вносимые потери и выбор материалов: Энергия сигнала ослабляется во время передачи, что известно как вносимые потери. Для минимизации потерь необходимо использовать сверхнизкопотерные материалы для печатных плат, такие как Tachyon 100G или Megtron 7. Эти материалы имеют значительно меньший коэффициент рассеяния (Df), чем стандартный FR-4, и являются стандартом для высокоскоростных SerDes PCB разработок.

3. Перекрестные помехи и стратегии трассировки: Электромагнитная связь между соседними высокоскоростными трассами может вызывать перекрестные помехи, загрязняя сигналы. Оптимизация расстояния между трассами, использование стриплайновых структур и планирование надежного заземляющего экрана могут эффективно подавлять перекрестные помехи.

4. Оптимизация переходных отверстий (Via): В многослойных платах переходные отверстия необходимы для переходов сигнальных слоев, но также являются основным узким местом для целостности сигнала (SI). Огрызки переходных отверстий (via stubs) могут вызывать отражения сигнала. Для более толстых CCIX Interface PCB необходимо обратное сверление для удаления неиспользуемых огрызков, чтобы обеспечить качество сигнала. Профессиональный анализ и моделирование целостности сигнала (SI) незаменимы на этапе проектирования. Инженерная команда HILPCB использует передовые инструменты моделирования для прогнозирования и устранения потенциальных проблем SI до начала производства, обеспечивая успех с первой попытки.

Расширенный дизайн стека слоев и выбор материалов

Дизайн стека слоев — это душа печатной платы интерфейса CCIX. Оптимизированный стек слоев обеспечивает наилучший баланс между целостностью сигнала, целостностью питания и производственными затратами.

• Симметрия и баланс: Чтобы предотвратить деформацию во время производства и сборки, стек должен оставаться симметричным.
• Сигнальные слои и опорные плоскости: Высокоскоростные сигнальные слои должны прилегать к полным плоскостям заземления (GND) или питания (PWR), образуя микрополосковые или полосковые структуры. Полосковые структуры, расположенные между двумя опорными плоскостями, обеспечивают лучшую производительность SI и экранирование от электромагнитных помех и являются предпочтительным выбором для основных сигналов.
• Точная характеристика материалов: На частотах ГГц значения Dk/Df материалов изменяются в зависимости от частоты. Точные свойства материалов являются основой моделирования. Иногда используются специализированные тестовые платы печатных плат с кольцевым резонатором для точного измерения электрических параметров конкретных партий материалов на целевых частотах, обеспечивая согласованность проектирования и производства.

Выбор правильных материалов имеет решающее значение. HILPCB предлагает обширную библиотеку материалов для высокоскоростных печатных плат, включая ведущие бренды, такие как Isola, Rogers и Panasonic (Megtron), для удовлетворения разнообразных требований к производительности и стоимости.

Целостность питания (PI): Обеспечение стабильного "топлива" для высокоскоростных соединений

Если SI обеспечивает качество сигнала, то целостность питания (PI) обеспечивает стабильную и чистую "кровь" для всей системы. Высокоскоростные приемопередатчики SerDes чрезвычайно чувствительны к шуму источника питания; даже незначительные колебания напряжения могут вызвать резкое увеличение частоты битовых ошибок (BER).

• Низкоимпедансная сеть распределения питания (PDN): Цель PDN — обеспечить низкоимпедансный путь питания для микросхем на всех частотах. Это достигается за счет правильного планирования плоскостей питания/земли, широких медных заливок и оптимизированных топологий VRM (модулей регуляторов напряжения).
• Стратегия развязывающих конденсаторов: Размещение многочисленных развязывающих конденсаторов рядом с выводами питания микросхем является ключом к подавлению шума. Это требует массива конденсаторов с различными значениями и корпусами (от мкФ до нФ) для охвата всего спектра шума от низких до высоких частот.
• Избегание разделения плоскостей питания: Опорные плоскости под высокоскоростными сигнальными трактами должны оставаться нетронутыми. Пересечение разделенных опорных плоскостей вынуждает возвратные токи отклоняться, создавая большую петлевую антенну, которая генерирует серьезные проблемы с ЭМС и целостностью сигнала. Для сложных SerDes печатных плат планирование питания должно быть скоординировано с трассировкой сигналов.

Надежная конструкция PDN гарантирует, что печатные платы с интерфейсом CCIX остаются абсолютно стабильными при полной нагрузке.

Точное управление температурным режимом: Обеспечение долгосрочной надежности интерфейсов CCIX

Высокопроизводительные чипы генерируют значительное количество тепла во время работы. Если тепло не может быть эффективно рассеяно, температура чипа повышается, что приводит к снижению производительности, сокращению срока службы или даже необратимым повреждениям. Для печатных плат с интерфейсом CCIX высокой плотности управление температурным режимом является системной инженерной задачей.

• Тепловые переходные отверстия: Массивы тепловых переходных отверстий размещаются под тепловыделяющими компонентами (например, чипами SerDes, VRM) для быстрого отвода тепла к большим внутренним слоям заземления или питания или к обратной стороне платы.
• Толстые слои меди и теплораспределители: Использование меди толщиной 3 унции или более в слоях питания и заземления значительно улучшает боковую теплопроводность печатной платы, равномерно распределяя тепло от горячих точек.
• Материалы с высоким Tg: Выбор материалов с высокими температурами стеклования (Tg) (например, Tg170°C или Tg180°C) гарантирует, что печатная плата сохраняет механическую и электрическую стабильность в условиях высоких рабочих температур.
• Тепловое моделирование: Проведение теплового моделирования на этапе проектирования предсказывает распределение температуры, выявляет потенциальные горячие точки и направляет оптимизацию решений по охлаждению, таких как корректировка расположения компонентов или добавление медных теплораспределителей.

От CXL к CCIX: Эволюция технологий межсоединений и особенности проектирования печатных плат

Технологии продолжают развиваться. После CCIX протокол CXL (Compute Express Link) с его более широкой отраслевой поддержкой и более надежным набором функций становится основным для центров обработки данных следующего поколения. Будь то для печатных плат с интерфейсом CCIX или для более новых печатных плат с интерфейсом CXL, требования к физическому уровню являются общими. Опыт проектирования этих высокоскоростных межсоединительных печатных плат применим. Например, решения по управлению SI/PI и тепловому режиму, разработанные для каналов CCIX 25 Гбит/с, могут быть адаптированы для каналов CXL 32 ГТ/с (скорость PCIe 5.0) или 64 ГТ/с (скорость PCIe 6.0). Будь то обработка кэш-когерентного трафика CCIX или поддержка сложной семантики памяти печатных плат CXL.cache, точность производственных процессов печатных плат, согласованность материалов и требования к целостности сигнала чрезвычайно строги.

Более того, эти высокоскоростные сигналы в конечном итоге должны подключаться к другим платам или кабелям через разъемы. Таким образом, хорошо спроектированная контактная площадка и область разводки для высокоскоростных разъемов печатных плат имеют решающее значение для обеспечения сквозной производительности канала.

Проектирование для технологичности (DFM) и испытания на надежность

Даже самый совершенный дизайн бесполезен, если его невозможно изготовить экономично и надежно. HILPCB уделяет особое внимание DFM (проектированию для технологичности), чтобы гарантировать соответствие проектов нашим передовым технологическим возможностям.

• Возможности тонких линий: Мы можем изготавливать трассы 3/3 мил (ширина/расстояние линии) или тоньше для удовлетворения потребностей в трассировке высокой плотности.
• Высокоточное выравнивание слоев: Для многослойных печатных плат с более чем 20 слоями критически важно точное выравнивание слоев. Мы используем передовые методы выравнивания для обеспечения надежных соединений через переходные отверстия.
• Стандарты надежности: Наша продукция соответствует стандартам IPC-6012 Класс 2 и по запросу может соответствовать более строгим стандартам IPC Класс 3/A, обеспечивая долгосрочную стабильность в суровых условиях центров обработки данных.
• Комплексное тестирование: Каждая поставляемая печатная плата интерфейса CCIX проходит строгие испытания, включая 100% AOI (автоматический оптический контроль) и тесты электрических характеристик. Для высокоскоростных плат мы также предлагаем тестирование импеданса методом TDR (рефлектометрия во временной области) для обеспечения точного контроля импеданса. Мы можем даже разработать специальные купоны печатных плат с кольцевым резонатором для мониторинга однородности материала при серийном производстве.

Основные преимущества HILPCB в производстве печатных плат интерфейса CCIX

Являясь ведущим поставщиком решений для печатных плат, HILPCB предлагает комплексные услуги от прототипирования до массового производства, особенно в высокопроизводительных приложениях печатных плат интерфейса CCIX. Наши основные преимущества включают:

1. Глубокие инженерные знания: Наша команда инженеров глубоко понимает проблемы проектирования высокоскоростных цифровых схем и предоставляет профессиональные консультации по DFM, выбору материалов и проектированию стека.
2. Первоклассное производственное оборудование: Мы инвестируем в ведущие в отрасли лазерное сверление, плазменное удаление смолы, высокоточную экспозицию и автоматизированные линии гальваники для обеспечения высокого качества производства.
3. Обширный запас материалов: Мы поддерживаем тесные партнерские отношения с ведущими мировыми поставщиками ламинатов, храня на складе различные высокоскоростные и высокочастотные материалы, чтобы быстро реагировать на разнообразные потребности проектов, будь то печатные платы CXL.cache или другие высокоскоростные соединительные платы.
4. Строгий контроль качества: От проверки сырья до окончательной отгрузки мы внедряем сквозной контроль качества, чтобы гарантировать, что каждая печатная плата соответствует или превосходит ожидания клиента.
5. Гибкие модели обслуживания: Будь то для быстрого прототипирования или крупносерийного производства, мы предлагаем гибкие и эффективные услуги комплексной сборки PCBA, включая прецизионную пайку для сложных печатных плат с высокоскоростными разъемами.

Заключение

Интерфейсная печатная плата CCIX является критически важным компонентом современных центров обработки данных и высокопроизводительных вычислительных систем. Ее проектирование и производство объединяют высокоскоростные сигналы, целостность питания, тепловое управление и прецизионные производственные процессы, что делает ее чрезвычайно сложной инженерной задачей. От выбора правильных материалов со сверхнизкими потерями до проведения точных совместных моделирований SI/PI и обеспечения надежного производства и тестирования — каждый шаг имеет решающее значение.

Сотрудничество с опытным и технологически продвинутым производителем, таким как HILPCB, является ключом к успеху вашего проекта. Мы не просто ваш производитель, но и ваш технический консультант, стремящийся помочь вам справиться с самыми сложными задачами проектирования и превратить ваши инновационные идеи в высокопроизводительные, высоконадежные продукты. Если вы разрабатываете серверы следующего поколения, ускорители или любые устройства, требующие высокоскоростных соединений, свяжитесь с нашей технической командой сегодня, чтобы сотрудничать в создании исключительных интерфейсных печатных плат CCIX.