С экспоненциальным ростом искусственного интеллекта (ИИ), машинного обучения и аналитики больших данных современные центры обработки данных сталкиваются с беспрецедентными узкими местами в производительности. Традиционные технологии межсоединений больше не могут удовлетворять требованиям к передаче данных с низкой задержкой и высокой пропускной способностью между процессорами, памятью и ускорителями. В этом контексте Gen-Z появился как открытый, семантически-ориентированный на память протокол межсоединений, обещающий построение компонуемой и дезагрегированной вычислительной архитектуры. Однако, чтобы воплотить это революционное видение в реальность, его физическая основа — интерфейсная печатная плата Gen-Z — сталкивается со значительными проблемами в проектировании и производстве.

Будучи ведущим поставщиком решений для печатных плат, Highleap PCB Factory (HILPCB) использует свой глубокий опыт в производстве высокоскоростных печатных плат высокой плотности, чтобы помочь клиентам преодолеть технические препятствия интерфейсов следующего поколения, таких как Gen-Z. Эта статья углубляется в основные принципы проектирования, производственные процессы и системы обеспечения качества интерфейсных печатных плат Gen-Z, раскрывая, как успешно освоить эту передовую технологию.

Что такое интерфейс Gen-Z и его уникальные требования к проектированию печатных плат?

Gen-Z — это открытый, семантический интерфейс памяти, разработанный для подключения вычислительных ресурсов, памяти и хранилищ через высокопроизводительную ткань с низкой задержкой. В отличие от традиционных интерфейсов ввода-вывода (например, PCIe), Gen-Z позволяет центральным процессорам напрямую обращаться к памяти в любой точке ткани, обеспечивая истинное объединение памяти и дезагрегацию ресурсов.

Эта архитектура накладывает уникальные и строгие требования к проектированию печатных плат:

1. Чрезвычайно высокие скорости передачи данных: Спецификация Gen-Z поддерживает скорости сигнала до 112 ГТ/с, что обычно требует сигнализации PAM4 (4-уровневая импульсно-амплитудная модуляция). Это означает, что конструкции печатных плат должны соответствовать самым строгим рекомендациям по целостности высокоскоростных сигналов, значительно превосходящим сложность традиционных конструкций печатных плат NRZ SerDes.
2. Маршрутизация высокой плотности: Для подключения многочисленных компонентов (например, центральных процессоров, модулей памяти, ускорительных карт) в ограниченном пространстве, печатные платы Gen-Z часто имеют чрезвычайно высокую плотность трассировки, что требует передовых технологий HDI (High-Density Interconnect).
3. Пути с низкой задержкой: Семантическая природа памяти требует минимальной задержки передачи сигнала. Каждый миллиметр трассы и каждое переходное отверстие на печатной плате могут влиять на задержку, что требует тщательного планирования топологии и согласования длин.
4. Исключительная целостность питания: Для обеспечения стабильной работы высокоскоростных приемопередатчиков (SerDes) и контроллеров памяти, сеть распределения питания (PDN) должна обеспечивать сверхчистое и стабильное напряжение с очень низкой толерантностью к шуму или просадкам напряжения.

Как достичь превосходной высокоскоростной целостности сигнала в печатных платах Gen-Z?

Целостность сигнала (SI) является краеугольным камнем проектирования печатных плат с интерфейсом Gen-Z. При скоростях 56 Гбит/с или даже 112 Гбит/с даже малейший дефект конструкции может привести к ошибкам передачи данных, делая всю систему неэффективной.

Ключевые стратегии включают:

• Строгий контроль импеданса: Импеданс дифференциальных пар должен строго контролироваться в пределах ±5% от целевого значения (обычно 85 или 100 Ом). Это требует точных расчетов ширины трассы, расстояния между трассами и расстояния до опорных плоскостей, а также выбора передовых материалов со стабильной диэлектрической проницаемостью (Dk) и тангенсом угла диэлектрических потерь (Df) в широком диапазоне частот.
• Выбор материалов с низкими потерями: Традиционные материалы FR-4 демонстрируют чрезмерные потери на высоких частотах и не могут соответствовать требованиям Gen-Z. Должны использоваться материалы со сверхнизкими или чрезвычайно низкими потерями, такие как Megtron 6/7/8, Tachyon 100G или эквивалентные марки.
• Минимизация перекрестных помех: При трассировке высокой плотности электромагнитная связь между параллельными трассами может вызывать перекрестные помехи. Эффективные методы подавления включают увеличение расстояния между трассами (следуя правилу 3W), использование защитных трасс и чередование направлений трассировки (горизонтальное/вертикальное) на разных слоях.
• Оптимизация переходных отверстий: Переходные отверстия на высокоскоростных сигнальных трактах являются основными источниками разрывов импеданса и отражений. Использование технологии обратного сверления для удаления избыточных заглушек переходных отверстий, наряду с оптимизацией конструкций контактных площадок и анти-площадок, имеет решающее значение для обеспечения качества сигнала. Для сложной 56G SerDes PCB точное проектирование переходных отверстий является обязательным.

Каковы ключевые стратегии проектирования стека печатных плат Gen-Z?

Хорошо спроектированный стек является душой высокопроизводительных серверных печатных плат. Для приложений Gen-Z проектирование стека не только определяет точность контроля импеданса, но и напрямую влияет на целостность питания и производительность ЭМП (электромагнитных помех).

• Многослойная структура платы: Печатные платы Gen-Z обычно требуют более 20 слоев, иногда превышающих 30 слоев, для размещения сложных сигнальных, силовых и заземляющих сетей. HILPCB имеет обширный опыт в производстве многослойных печатных плат до 56 слоев.
• Симметрия и баланс: Структура стека должна оставаться симметричной, чтобы предотвратить деформацию и изгиб платы во время производства. Распределение медной фольги также должно быть максимально сбалансированным.
• Тесная связь между сигнальными и опорными слоями: Высокоскоростные сигнальные слои должны прилегать к одной или двум непрерывным плоскостям заземления (GND) или питания (PWR). Эта тесная связь обеспечивает четкие обратные пути, снижает индуктивность петли и эффективно подавляет перекрестные помехи. Стриплайновые структуры (сигнальные слои, расположенные между двумя опорными плоскостями) обеспечивают лучшую производительность SI и EMI, чем микрополосковые структуры.
• Применение технологии HDI: Для обеспечения чрезвычайно высокой плотности соединений необходима технология HDI PCB. Используя микропереходы, просверленные лазером, и скрытые/заглубленные переходы, плотность трассировки может быть значительно увеличена без ущерба для производительности, а также сокращаются пути сигнала.

Почему целостность питания (PI) критична в дизайне Gen-Z?

Если целостность сигнала — это магистраль, обеспечивающая правильную передачу данных, то целостность питания (PI) — это энергетическая система, питающая эту магистраль. Высокоскоростные SerDes в интерфейсах Gen-Z очень чувствительны к шуму источника питания, где даже незначительные колебания напряжения могут вызвать резкое увеличение частоты битовых ошибок (BER).

Ключевые моменты проектирования PDN:

1. Путь с низким импедансом: Весь путь от модуля регулятора напряжения (VRM) до выводов питания чипа должен поддерживать чрезвычайно низкий импеданс в широком диапазоне частот. Это обычно достигается с помощью широких силовых плоскостей, множества низкоиндуктивных переходных отверстий и технологии печатных плат с толстой медью.
2. Многослойная развязка: Стратегически размещайте развязывающие конденсаторы различных номиналов емкости и корпусов на печатной плате для фильтрации шумов в разных частотных диапазонах. Объемные конденсаторы обрабатывают низкочастотную фильтрацию, в то время как малоемкостные конденсаторы с низким ESL (эквивалентной последовательной индуктивностью) размещаются близко к чипу для высокочастотной развязки.
3. Размещение VRM: VRM должен быть расположен как можно ближе к нагрузочному чипу, который он питает, чтобы сократить путь тока, уменьшая падение напряжения постоянного тока (IR Drop) и паразитную индуктивность.
4. Проектирование на основе моделирования: Для сложных печатных плат Gen-Z полагаться на эмпирические правила далеко не достаточно. Инженерная команда HILPCB использует передовые инструменты моделирования PI для точного моделирования и анализа PDN, гарантируя, что потенциальные проблемы целостности питания будут выявлены и устранены до фактического производства.

Получить предложение по печатной плате ## Как передовое управление температурным режимом решает проблему высокой плотности мощности интерфейсов Gen-Z?

Высокопроизводительные вычисления подразумевают высокое энергопотребление, что, в свою очередь, создает серьезные тепловые проблемы. Плотность мощности интерфейсов Gen-Z и связанных с ними чипов (таких как коммутационные чипы и контроллеры) чрезвычайно высока. Если тепло не может быть рассеяно вовремя, это может привести к троттлингу или даже повреждению чипа, что повлияет на стабильность и срок службы системы.

Эффективные стратегии управления температурным режимом включают:

• Теплопроводящие материалы: Выбор материалов подложки печатной платы с высокой теплопроводностью (Tg) помогает передавать тепло от источника по всей плате.
• Теплоотводящая медная фольга: Стратегическое размещение медной фольги большой площади на поверхности печатной платы и во внутренних слоях в качестве радиаторов, используя отличную теплопроводность меди для передачи и рассеивания тепла.
• Термические переходные отверстия (Thermal Vias): Размещение массива термических переходных отверстий под тепловыделяющими компонентами для быстрой передачи тепла от устройства к радиатору или заземляющей плоскости на обратной стороне печатной платы.
• Будущий тренд: Оптические межсоединения: По мере роста скоростей передачи данных энергопотребление и тепловые узкие места традиционных электрических межсоединений будут становиться все более заметными. Технология Фотонических Интегральных Схем (PIC), которая передает данные посредством оптических сигналов, призвана фундаментально решить эту проблему. Интеграция PIC в материнские платы серверов является одним из ключевых направлений развития печатных плат для будущих центров обработки данных и областью, которую активно исследует HILPCB.

Сосуществование и эволюция Gen-Z, CXL и PCIe Gen7

В современных серверах центров обработки данных сосуществование нескольких высокоскоростных интерфейсов стало нормой. Gen-Z, Compute Express Link (CXL) и PCI Express (PCIe) имеют свои области применения, совместно формируя краеугольный камень будущего гетерогенного вычисления.

• PCIe Gen7 PCB: Как магистральная шина ввода-вывода следующего поколения, PCIe 7.0 увеличит скорость до 128 ГТ/с. Ее требования к печатным платам, такие как материалы со сверхнизкими потерями и передовые методы обеспечения целостности сигнала, очень похожи на требования Gen-Z. Разработка PCIe Gen7 PCB, способной одновременно поддерживать оба стандарта, является серьезной инженерной задачей.
• CXL.mem PCB: CXL сосредоточен на обеспечении кэш-когерентных соединений между ЦП, памятью и ускорителями, особенно демонстрируя большой потенциал в расширении и объединении памяти. Дизайн CXL.mem PCB акцентирует внимание на обеспечении низкой задержки и высокой надежности для сигналов памяти.
• Совместная работа: Gen-Z может служить базовой структурой (Fabric), соединяющей несколько доменов CXL, что позволяет создавать более крупные пулы ресурсов. Таким образом, будущие серверные материнские платы будут представлять собой слияние нескольких высокоскоростных протоколов, предъявляя чрезвычайно высокие требования к комплексным возможностям проектирования и производства печатных плат. Будь то проектирование традиционной NRZ SerDes PCB или ориентированной на будущее 56G SerDes PCB, требуется глубокий технический опыт. Передовые технологии, такие как фотонные интегральные схемы, будут способствовать дальнейшему развитию этих стандартов.

Ключевые процессы и вызовы в производстве печатных плат с интерфейсом Gen-Z

Теоретические разработки в конечном итоге требуют точных производственных процессов для реализации. Производство печатных плат Gen-Z — это не просто "изготовление" печатной платы, это вызов пределам инженерии.

• Прецизионная передача рисунка и травление: Достижение ширины/зазора линии 2,5/2,5 мил требует передовой технологии экспонирования LDI (Laser Direct Imaging) и процессов травления тонких линий для обеспечения четких контуров дорожек и равномерной ширины, что является фундаментальным для контроля импеданса.
• Высокоточное выравнивание слоев: Для печатных плат с десятками слоев точность выравнивания между слоями имеет решающее значение. Даже незначительные смещения могут вызвать отклонения при сверлении переходных отверстий, что снижает надежность соединения. HILPCB использует рентгеновское выравнивание и высокоточное ламинирующее оборудование для обеспечения того, чтобы точность выравнивания превышала отраслевые стандарты.
• Технология лазерного сверления: Микропереходные отверстия (обычно диаметром менее 0,15 мм) в структурах HDI требуют высокомощных УФ- или CO2-лазерных сверлильных машин. Точный контроль энергии и фокусировки лазера необходим для создания микропереходных отверстий с гладкими стенками и однородной морфологией.
• Передовые финишные покрытия поверхности: Для размещения высокочастотных сигналов и корпусов BGA высокой плотности обычно выбираются такие виды обработки поверхности, как ENIG (химическое никелирование с иммерсионным золочением) или ENEPIG (химическое никелирование с химическим палладированием и иммерсионным золочением). Они обеспечивают плоские поверхности контактных площадок с отличной паяемостью и характеристиками передачи сигнала.

Как HILPCB обеспечивает надежность и качество печатных плат Gen-Z?

Для таких приложений, как центры обработки данных, требующих круглосуточной бесперебойной работы, надежность печатных плат является главным приоритетом. HILPCB внедряет комплексную систему контроля качества, охватывающую весь производственный процесс, чтобы гарантировать, что каждая печатная плата Gen-Z соответствует самым строгим стандартам.

• Строгий входной контроль качества (IQC): Все основные материалы, такие как высокоскоростные ламинаты и листы ПП, проходят тщательное тестирование параметров производительности, чтобы гарантировать соответствие их значений Dk/Df проектным требованиям.
• Комплексный внутрипроизводственный контроль качества (IPQC): Точки мониторинга устанавливаются на каждом критическом этапе производства, включая ламинирование, сверление, металлизацию и травление, со 100% проверкой с использованием такого оборудования, как автоматический оптический контроль (AOI).
• Окончательный контроль качества (FQA): Готовые платы должны пройти ряд строгих испытаний, включая тестирование электрических характеристик (летающий зонд или тестовое приспособление), тестирование импеданса (TDR) и испытания на надежность (например, термошок, проверка паяемости).
• Сертификаты и стандарты: Производственные мощности HILPCB сертифицированы по нескольким международным системам качества, включая ISO9001, ISO14001 и IATF16949, при этом вся продукция соответствует стандартам IPC Class 2 или Class 3.

Получить предложение по печатным платам

Заключение

Интерфейсная печатная плата Gen-Z является критически важным путем к архитектурам центров обработки данных следующего поколения, объединяя экстремальные вызовы в области высокоскоростной передачи сигналов, трассировки высокой плотности, целостности питания и теплового менеджмента. Успешная разработка таких продуктов требует не только глубокого теоретического понимания, но и надежных производственных процессов, а также строгого контроля качества в качестве фундаментальной поддержки. Будь то решение проблем когерентности памяти CXL.mem PCB или преодоление препятствий сверхвысокочастотных сигналов PCIe Gen7 PCB, основные технические принципы остаются неизменными.

Как ваш надежный партнер, HILPCB использует более чем 15-летний опыт в производстве высокоскоростных печатных плат, ведущие в отрасли производственные возможности и комплексные услуги от поддержки проектирования до тестирования сборки, чтобы помочь вам эффективно решать задачи и быстро и надежно выводить на рынок инновационные серверные разработки. Свяжитесь с нашими техническими экспертами сегодня, чтобы запустить ваш высокопроизводительный проект интерфейсной печатной платы Gen-Z.

Related links

• rogers pcb
• quote