Печатные платы для хранения данных в ЦОД: Решение проблем высокой скорости и высокой плотности печатных плат серверов ЦОД

technology18 октября 2025 г. 13 мин чтения

Печатные платы для хранения данных в ЦОДПечатные платы для колокейшн ЦОДПечатные платы для облачных ЦОДМодульные печатные платы для ЦОДПечатные платы для охлаждения ЦОДПечатные платы для периферийных ЦОД

В эпоху технологий, основанных на данных, центры обработки данных служат двигателями цифрового мира, а серверы выступают в качестве их основных силовых агрегатов. Глубоко внутри этих сложных систем, казалось бы, обычная печатная плата — печатная плата хранения данных для ЦОД (Data Center Storage PCB) — незаметно определяет производительность, стабильность и масштабируемость всего центра обработки данных. От массивного хранения данных до вычислений ИИ в реальном времени, каждая операция чтения и записи зависит от этого высокотехнологичного субстрата. Это уже не просто носитель для подключения чипов, а сложная система, объединяющая высокоскоростные каналы, стабильное электропитание и эффективное управление температурным режимом.

С широким распространением технологий шин нового поколения, таких как PCIe 5.0/6.0 и CXL, скорости передачи данных растут экспоненциально, что создает беспрецедентные проблемы для проектирования и производства печатных плат. Проблемы, такие как затухание сигнала, перекрестные помехи, шумы питания и накопление тепла, могут привести к узким местам в производительности или даже к сбоям системы, если их упустить из виду. Как эксперты с многолетним опытом в производстве сложных печатных плат, Highleap PCB Factory (HILPCB) стремится раскрыть основные технологии, лежащие в основе печатных плат хранения данных для ЦОД, помогая вам справляться с проблемами высокоскоростных и высокоплотных требований.

Почему печатная плата хранения данных для ЦОД является краеугольным камнем производительности?

Высокопроизводительная печатная плата для хранения данных в ЦОД (Data Center Storage PCB) является основой для максимизации потенциала подсистем хранения данных серверов. Она размещает процессоры (CPU), память, NVMe SSD, сетевые интерфейсные карты (NIC) и различные управляющие чипы, соединяя их в единое целое посредством тысяч точно проложенных дорожек. Качество ее конструкции напрямую влияет на следующие ключевые показатели производительности:

Пропускная способность передачи данных: Сигнальные тракты печатной платы должны функционировать как гладкие, широкие магистрали, обеспечивая без потерь высокоскоростную передачу данных от источника к месту назначения. Любое несоответствие импеданса или потери материала могут ограничивать эффективную пропускную способность.
Задержка доступа: В таких приложениях, как финансовый трейдинг или аналитика в реальном времени, важны даже задержки на уровне наносекунд. Оптимизированные компоновки печатных плат могут сократить пути прохождения сигнала, уменьшить задержки передачи и повысить отзывчивость системы хранения.
Надежность системы: Центры обработки данных требуют круглосуточной бесперебойной работы. Целостность питания и конструкции теплового управления печатной платы напрямую влияют на срок службы компонентов и стабильность системы. Будь то крупномасштабные печатные платы для облачных ЦОД или компактные печатные платы для периферийных ЦОД, надежность не подлежит обсуждению.
Масштабируемость: Хорошо спроектированная печатная плата должна предусматривать будущие обновления, такие как более высокоскоростные интерфейсы или дополнительные устройства хранения, что особенно важно для гибких модульных печатных плат для ЦОД. По сути, качество проектирования печатной платы хранения данных для центров обработки данных определяет потолок производительности всей системы хранения данных сервера.

Как решать проблемы целостности высокоскоростных сигналов в эпоху PCIe 5.0/6.0?

С внедрением PCIe 5.0 (32 ГТ/с) и появлением PCIe 6.0 (64 ГТ/с) частоты сигналов вошли в диапазон ГГц. На этих частотах трассы печатных плат перестают быть простыми проводами и становятся сложными системами линий передачи. Обеспечение целостности сигнала (SI) стало главным приоритетом в проектировании.

Точный контроль импеданса: Импеданс, с которым сталкиваются сигналы во время передачи, должен оставаться постоянным (обычно 85 Ом или 100 Ом дифференциального импеданса). Любые резкие изменения импеданса могут вызвать отражения сигнала, приводящие к джиттеру и битовым ошибкам. Это требует чрезвычайно жесткого контроля над шириной трассы, диэлектрической проницаемостью (Dk) и процессами ламинирования. Профессиональные возможности производства высокоскоростных печатных плат являются предпосылками для достижения этой цели.
Применение материалов с низкими потерями: Традиционные материалы FR-4 демонстрируют значительные диэлектрические потери (Df) на высоких частотах, что приводит к существенному затуханию сигнала. Поэтому в печатных платах для центров обработки данных обычно используются специальные материалы, такие как ламинаты Mid-Loss, Low-Loss или даже Ultra-Low Loss, например Megtron 6 и Tachyon 100G, чтобы обеспечить распространение сигналов на большие расстояния.
Подавление перекрестных помех: При трассировке высокой плотности соседние сигнальные линии мешают друг другу, генерируя шум перекрестных помех. Оптимизируя расстояние между трассами, планируя линии заземления и используя стриплайновые структуры, можно эффективно подавлять перекрестные помехи для поддержания целостности сигнала. Это особенно важно для печатных плат центров обработки данных с колокацией в многопользовательских средах, поскольку стабильная производительность является гарантией качества обслуживания.
Оптимизация переходных отверстий: Переходные отверстия являются ключевыми структурами в многослойных печатных платах для соединения трасс между слоями, но они также вносят разрывы в высокоскоростные сигнальные тракты. Такие методы, как обратное сверление для удаления избыточных заглушек переходных отверстий или применение конструкций HDI (скрытые/заглубленные переходные отверстия), могут значительно улучшить производительность переходных отверстий и уменьшить отражения сигнала.

Сравнение характеристик высокоскоростных материалов для печатных плат

Стандартный FR-4

Диэлектрическая проницаемость (Dk): ~4.5

Коэффициент рассеяния (Df): ~0.020

Применимая частота: < 3 ГГц

Стоимость: Низкая

Материал со средними потерями

Диэлектрическая проницаемость (Dk): ~3.8

Тангенс угла диэлектрических потерь (Df): ~0.008

Применимая частота: 3-10 ГГц

Стоимость: Средняя

Материал со сверхнизкими потерями

Диэлектрическая проницаемость (Dk): ~3.2

Тангенс угла диэлектрических потерь (Df): < 0.002

Применимая частота: > 25 ГГц

Стоимость: Высокая

Как усовершенствованный дизайн стека слоев печатной платы балансирует сигнал и питание?

Дизайн стека слоев печатной платы — это сердце дизайна печатных плат для хранения данных в центрах обработки данных. Хорошо спроектированный стек слоев обеспечивает оптимальный баланс между целостностью сигнала, целостностью питания и электромагнитной совместимостью (ЭМС).

Материнские платы серверов обычно используют от 12 до 24 слоев или даже больше в конструкциях многослойных печатных плат. Типичная структура стека слоев включает:

Сигнальные слои: Используются для трассировки высокоскоростных дифференциальных пар и низкоскоростных управляющих сигналов. Высокоскоростные сигнальные слои обычно размещаются между земляными или силовыми плоскостями для формирования стриплайновых или микрополосковых структур, обеспечивая четкие обратные пути и эффективное экранирование.
Земляные плоскости: Обеспечивают стабильный опорный потенциал 0В и служат обратными путями для всех сигналов. Сплошные земляные плоскости эффективно подавляют шум и перекрестные помехи, одновременно уменьшая излучение электромагнитных помех (EMI).
Силовые плоскости: Обеспечивают низкоимпедансные токовые пути для высокомощных компонентов, таких как ЦП, память и ASIC. Часто разделяются несколько доменов питания (например, +12В, +5В, +3.3В, +1.8В).

Отличный стек-ап следует принципу "зеркального отображения" — симметричной структуре — чтобы предотвратить деформацию печатной платы во время пайки оплавлением из-за неравномерного теплового напряжения. Как опытный производитель, HILPCB тесно сотрудничает с командами разработчиков клиентов, чтобы предоставить профессиональные рекомендации по стек-апу, снижая потенциальные производственные риски и риски производительности на ранней стадии.

Каковы основные стратегии проектирования целостности питания (PDN)?

Цель сети распределения питания (PDN) — обеспечить стабильное, чистое питание для микросхем. В серверах центров обработки данных такие компоненты, как ЦП и FPGA, могут потреблять сотни ватт с переходными токовыми нагрузками. Плохое проектирование PDN приводит к падению напряжения (IR Drop) и шуму питания, что потенциально может вызвать сбои в работе системы.

Основные стратегии проектирования PDN включают:

Проектирование пути с низким импедансом: Использование широких плоскостей питания и заземления с увеличенной толщиной меди эффективно снижает сопротивление постоянному току. Для областей со сверхвысокой плотностью тока технология печатных плат с толстой медью (например, 3 унции или толще) значительно улучшает подачу питания и снижает тепловыделение.
Иерархическая сеть развязывающих конденсаторов: Стратегическое размещение развязывающих конденсаторов различных номиналов вокруг чипа. Объемные конденсаторы (например, электролитические, танталовые) справляются с низкочастотными колебаниями тока, в то время как небольшие керамические конденсаторы (MLCC) размещаются рядом с выводами чипа для фильтрации высокочастотных шумов.
Разводка VRM (модуля регулятора напряжения): Размещайте VRM как можно ближе к питаемому чипу, чтобы минимизировать пути с высоким током, уменьшая потери при передаче и паразитные индуктивности. Это особенно важно для конструкций печатных плат модульных центров обработки данных с возможностью горячей замены, так как это обеспечивает быстрый отклик и стабильность питания.

Получить предложение по печатным платам

Ключевые показатели производительности целостности питания (PDN)

Пульсация напряжения

< 2%

Цель — оставаться в пределах ±2% от целевого напряжения

Импеданс PDN

< 1 mΩ

Более низкий импеданс лучше в целевом диапазоне частот

Падение напряжения постоянного тока

< 3%

Потеря напряжения от VRM до чипа

Плотность тока

Контролируется

Предотвращает горячие точки и риски электромиграции

Какие существуют инновационные методы терморегулирования печатных плат в центрах обработки данных?

Поскольку плотность мощности серверных стоек продолжает расти, терморегулирование стало решающим фактором в эксплуатационных расходах и надежности центров обработки данных. Сама печатная плата служит как носителем источников тепла, так и каналом для рассеивания тепла. Отличный дизайн печатной платы для хранения данных в ЦОД должен включать терморегулирование.

Сравнение технологий терморегулирования на уровне печатных плат

Технологическое решение	Принцип	Преимущества	Применимые сценарии
Термические переходные отверстия	Массивы металлизированных переходных отверстий, расположенных под тепловыделяющими компонентами для быстрого отвода тепла к обратной стороне печатной платы или внутренним медным слоям.	Низкая стоимость, простота внедрения, совместимость со стандартными процессами.	Устройства малой и средней мощности, такие как VRM и чипсеты.
Толстая медь	Использует медную фольгу толщиной 3 унции или более для слоев питания и заземления, используя отличную теплопроводность меди для бокового распределения тепла.	Улучшает как электрическую, так и тепловую проводимость, обладая прочной структурой.	Высокоточные токовые пути, планарные трансформаторы и мощные модули.
Печатная плата с металлическим основанием (IMS)	Использует алюминиевые или медные подложки вместо традиционного FR-4, изолируя схему от металлического основания изоляционным слоем.	Чрезвычайно высокая эффективность рассеивания тепла и отличная механическая прочность.	Светодиодное освещение, преобразователи мощности и специализированные печатные платы для охлаждения центров обработки данных.
Встроенный радиатор	Встраивает медные или алюминиевые блоки в печатную плату во время ламинирования, непосредственно контактируя с тепловыделяющими компонентами.	Кратчайший путь рассеивания тепла, высокоэффективный и экономящий пространство.	Основные мощные устройства, такие как процессоры и графические процессоры.

На этапе проектирования HILPCB использует инструменты термического моделирования для прогнозирования распределения горячих точек на печатных платах, тем самым помогая инженерам оптимизировать компоновку и тепловой дизайн. Например, компоненты с высоким тепловыделением могут быть распределены для предотвращения концентрированного накопления тепла, или чувствительные к температуре компоненты (такие как кварцевые резонаторы и конденсаторы) могут быть размещены вдали от источников тепла. Эффективное решение для **печатных плат для охлаждения центров обработки данных** часто является результатом комбинации нескольких технологий.

DFM и надежность: Ключевые аспекты от проектирования до производства

Теоретически идеальный дизайн не имеет ценности, если его невозможно изготовить экономично и надежно. Проектирование для технологичности (DFM) служит мостом, соединяющим дизайн с реальностью.

При производстве печатных плат для хранения данных в центрах обработки данных ключевые аспекты DFM включают:

Конструкция переходных отверстий: Соотношение сторон (диаметр переходного отверстия к толщине платы) является критическим показателем производственных возможностей. Чрезмерно высокие соотношения сторон создают проблемы для металлизации.
Минимальная ширина/зазор трассы: По мере увеличения плотности ширина и зазор трасс уменьшаются, что предъявляет более высокие требования к оборудованию для травления и AOI (автоматического оптического контроля).
Конструкция контактных площадок BGA: Конструкция контактных площадок (SMD против NSMD) и точность открытия паяльной маски для корпусов BGA напрямую влияют на выход годных изделий при пайке.
Допуск импеданса: Производители должны быть способны контролировать импеданс в пределах жестких допусков ±7% или даже ±5%.

Что касается надежности, печатные платы для центров обработки данных обычно требуют соответствия стандартам IPC-6012 Class 2, в то время как критически важные приложения требуют более строгих стандартов IPC Class 3. Это накладывает более высокие требования к выбору материалов, контролю производственного процесса и окончательному тестированию (например, испытаниям на термошок, испытаниям CAF). Такие меры необходимы для обеспечения долгосрочной стабильной работы крупномасштабной инфраструктуры печатных плат облачных центров обработки данных.

⚠ Важные напоминания по проверке DFM

Соотношение сторон: Убедитесь, что конструкция переходных отверстий соответствует возможностям производителя, обычно рекомендуется соотношение менее 12:1.
Кольцевой зазор: Гарантируйте, что после сверления останется достаточный медный кольцевой зазор для соответствия стандартам IPC и предотвращения обрывов цепи.
Перемычка паяльной маски: Поддерживайте адекватные перемычки паяльной маски между плотно расположенными выводами для предотвращения образования мостиков при пайке.
Зазор медь-край: Поддерживайте достаточный безопасный зазор для предотвращения обнажения меди или расслоения во время процессов V-образного надреза или фрезерования.
Кислотные ловушки: Избегайте дорожек с острыми углами (менее 90 градусов), которые могут привести к неполному травлению и потенциальным рискам короткого замыкания.

Профессиональный DFM-анализ может выявить и исправить более 90% проектных рисков до начала производства. Сотрудничайте с нами, чтобы ваш проект был успешным с первой попытки.

Будущие Технологические Тенденции для Печатных Плат Центров Обработки Данных

Технологии центров обработки данных продолжают быстро развиваться, что приводит к повышению требований к печатным платам. Будущие печатные платы для хранения данных в ЦОД будут демонстрировать следующие тенденции:

Межсоединения более высокой плотности: По мере увеличения количества входов/выходов чипов, технология HDI (High-Density Interconnect) PCB, в частности, межсоединения любого слоя (Anylayer aHDI), станет мейнстримом. Она позволяет осуществлять более сложную трассировку в ограниченном пространстве с помощью технологий микро-глухих и скрытых переходных отверстий.
Совместно упакованная оптика (CPO): Для преодоления ограничений пропускной способности и расстояния передачи электрических сигналов, промышленность исследует интеграцию оптических двигателей с коммутационными чипами на одной подложке. Это потребует печатных плат с гибридными оптико-электрическими возможностями интеграции.
Исследование новых материалов: Помимо диэлектрических материалов с низкими потерями, разрабатываются материалы с высокой теплопроводностью и низким КТР (коэффициентом теплового расширения) для удовлетворения более высоких требований к плотности мощности и надежности.
Особые потребности граничных вычислений: Печатные платы для граничных центров обработки данных сталкиваются с уникальными проблемами по сравнению с традиционными центрами обработки данных, такими как более широкие диапазоны рабочих температур, устойчивость к вибрации/ударам и меньшие форм-факторы. Это стимулирует спрос на прочные, миниатюрные технологии печатных плат.

Свяжитесь с нашей технической командой для технико-экономического обоснования

Заключение: Выберите профессионального партнера для преодоления сложностей

Печатные платы для хранения данных в центрах обработки данных являются жемчужиной современной технологии центров обработки данных. Они объединяют материаловедение, электромагнитную теорию, термодинамику и процессы точного производства, при этом сложности проектирования и изготовления значительно превосходят таковые у потребительской электроники. От целостности высокоскоростных сигналов и сетей распределения питания до теплового управления и долгосрочной надежности — каждый аспект представляет собой серьезные проблемы. В HILPCB мы глубоко понимаем эти вызовы. Мы не только предлагаем передовые производственные возможности, но, что более важно, предоставляем экспертную техническую поддержку на протяжении всего процесса — от проектирования и моделирования до массового производства. Независимо от того, разрабатываете ли вы печатные платы для облачных центров обработки данных для крупномасштабных облачных сервисов или печатные платы для периферийных центров обработки данных для новых приложений, мы предлагаем индивидуальные решения. Выбор HILPCB означает выбор надежного партнера для совместного преодоления технических сложностей и обеспечения успеха проекта.