На волне развития искусственного интеллекта, облачных вычислений и анализа больших данных, центры обработки данных развиваются с беспрецедентной скоростью. Каждая миллисекунда задержки, каждый ватт энергопотребления имеют решающее значение. В основе этой гонки за производительность High Density Server PCB (печатная плата высокой плотности для серверов) играет незаменимую фундаментальную роль. Это уже не просто носитель, соединяющий компоненты, а ключевая система, определяющая производительность, стабильность и энергоэффективность сервера. От основных архитектур x86 Server PCB до RISC Server PCB, оптимизированных для конкретных рабочих нагрузок, экстремальные требования к проектированию и производству печатных плат постоянно переопределяются.

Как эксперты по архитектуре центров обработки данных, мы глубоко понимаем, что превосходная High Density Server PCB должна достигать тонкого баланса между целостностью сигнала, целостностью питания, тепловым менеджментом и технологичностью. Это требует глубокого инженерного опыта и передовых производственных процессов. В этой статье мы подробно рассмотрим основные проблемы, с которыми сталкиваются при создании аппаратного обеспечения серверов нового поколения, и поделимся тем, как Highleap PCB Factory (HILPCB) справляется с этими сложностями с помощью передовых технологий, помогая клиентам выделиться в условиях жесткой рыночной конкуренции.

Почему конструкция стека слоев серверной печатной платы является краеугольным камнем успеха?

Прежде чем обсуждать высокоскоростную передачу сигналов или питания, мы должны сначала сосредоточиться на физической структуре печатной платы — конструкции стека слоев (Stack-up). Для High Density Server PCB, которая часто имеет более 20 слоев и содержит десятки тысяч точек подключения, конструкция стека слоев является "скелетом" всей системы, и ее важность очевидна. Плохая конструкция стека слоев будет фундаментально ограничивать электрические и тепловые характеристики печатной платы, и независимо от того, насколько превосходна последующая оптимизация трассировки, будет трудно компенсировать недостатки.

Суть конструкции стека слоев заключается в точном планировании материалов, количества слоев и межслойного расположения.

1. Выбор материала: Традиционные материалы FR-4 демонстрируют значительные потери сигнала (Insertion Loss) при скорости сигнала свыше 10 Гбит/с. Поэтому в современных серверных печатных платах обычно используются диэлектрические материалы со средними (Mid-Loss) или сверхнизкими потерями (Ultra-Low Loss), такие как Megtron 6 или Tachyon 100G. Эти материалы имеют более низкую диэлектрическую проницаемость (Dk) и тангенс угла диэлектрических потерь (Df), эффективно обеспечивая амплитуду и четкость сигналов при передаче на большие расстояния.

2. Распределение функций слоев: Типичный стек слоев серверной материнской платы будет помещать высокоскоростные сигнальные слои (например, PCIe, DDR5) между двумя непрерывными слоями заземления (GND), образуя структуру "полосковой линии" (Stripline). Эта структура обеспечивает превосходное электромагнитное экранирование, эффективно подавляет перекрестные помехи (Crosstalk) и предлагает четкий, непрерывный обратный путь для сигналов. Слои питания (Power Plane) обычно располагаются рядом со слоями заземления, образуя большой естественный конденсатор, который помогает стабилизировать сеть распределения питания (PDN).

3. Симметрия и контроль деформации: Серверные печатные платы имеют большие размеры и подвергаются резким изменениям температуры во время сборки и эксплуатации. Асимметричная конструкция стека слоев может привести к неравномерному внутреннему напряжению, вызывающему деформацию печатной платы. Это не только влияет на надежность пайки прецизионных компонентов, таких как PGA Socket PCB, но также может привести к разрушению шариковых выводов BGA. Поэтому поддержание физической симметрии структуры стека слоев имеет решающее значение.

В HILPCB мы используем передовые инструменты моделирования для предварительного проектирования стека слоев, точно рассчитывая импеданс, потери и перекрестные помехи. Мы предлагаем клиентам не только производственные услуги, но и инженерные консультации, которые начинаются на ранних этапах проектирования, обеспечивая, чтобы конструкция стека слоев с самого начала заложила прочную основу для конечной производительности. Чтобы узнать больше о сложных стеках слоев, пожалуйста, обратитесь к нашим Возможностям производства многослойных печатных плат.

Как обеспечить целостность высокоскоростного сигнала при плотной трассировке?

Когда скорости передачи данных переходят от Гбит/с к десяткам Гбит/с, медные дорожки на печатных платах перестают быть простыми «проводами» и превращаются в сложные «линии передачи». Целостность сигнала (Signal Integrity, SI) становится одной из самых серьёзных проблем при проектировании High Density Server PCB. Любой незначительный дефект конструкции может привести к ошибкам данных или даже к сбою системы.

Ключевые технические аспекты обеспечения SI включают:

• Точный контроль импеданса: Высокоскоростные сигналы чрезвычайно чувствительны к характеристическому импедансу линий передачи. Несоответствие импеданса может привести к отражениям сигнала, вызывая «звон» и «выбросы», что серьёзно ухудшает качество сигнала. Мы должны строго контролировать импеданс дифференциальных пар (таких как PCIe, USB, SATA) в пределах 100Ω или 90Ω (с допуском ±7%), а односторонних сигналов – в пределах 50Ω. Это требует точного расчёта и контроля производственного процесса ширины линии, толщины диэлектрика, толщины меди и расстояния до опорной плоскости.

• Подавление перекрёстных помех (Crosstalk): В областях высокой плотности параллельные дорожки могут связываться через электромагнитные поля, создавая перекрёстные помехи, то есть сигнал на одной линии будет мешать соседней линии. Основными средствами контроля перекрёстных помех являются обеспечение достаточного расстояния между линиями (обычно правило 3W, то есть расстояние между линиями больше трёхкратной ширины линии) и вставка заземляющих дорожек между дифференциальными парами для изоляции.

• Оптимизация переходных отверстий (Via): Переходные отверстия представляют собой вертикальные каналы, соединяющие разные слои, но они также являются основной точкой разрыва в высокоскоростных путях. Слишком длинные остатки переходных отверстий (Stub) могут резонировать как антенна, что приводит к серьёзному затуханию сигнала. Для решения этой проблемы мы используем процесс «обратного сверления» (Back Drilling), при котором лишний медный столб переходного отверстия точно высверливается с обратной стороны печатной платы, тем самым минимизируя длину остатка. Это крайне важно для высокоскоростных каналов, соединяющих Platform Controller Hub (PCH) и периферийные устройства.

• Согласование по времени и длине: В параллельных шинах (таких как интерфейсы памяти DDR) сигналы на всех линиях данных и тактовых импульсов должны прибывать к приёмнику практически одновременно. Это требует точной трассировки в виде змеевика (Serpentine routing) для обеспечения того, чтобы физические различия в длине каждой линии находились в пределах допустимого диапазона ошибок (обычно несколько мил).

Профессиональный анализ целостности сигнала требует сложного программного обеспечения для электромагнитного моделирования. Инженерная команда HILPCB может помочь клиентам в проведении предварительных симуляций, выявлении потенциальных рисков целостности сигнала и предложении рекомендаций по оптимизации, чтобы гарантировать, что дизайн достигнет оптимальной производительности перед запуском в производство. Для проектов, стремящихся к максимальной скорости, наши высокоскоростные решения для печатных плат предлагают всестороннюю поддержку от материалов до процессов.

Каковы передовые стратегии проектирования сети распределения питания (PDN)?

Современные CPU и GPU характеризуются «низким напряжением, большим током». Например, серверный CPU может потреблять сотни ватт, в то время как его напряжение ядра составляет всего около 1В, что означает, что мгновенный ток может достигать сотен ампер. Обеспечение стабильного и чистого питания для этих «энергоёмких» компонентов является основной задачей проектирования целостности питания (Power Integrity, PI), и его сложность не уступает SI.

Надёжная конструкция PDN включает следующие элементы:

1. Путь с низким импедансом: Согласно закону Ома (V = I × R), даже крошечное сопротивление уровня миллиомов может вызвать значительное падение напряжения при токе в сотни ампер, что приводит к снижению напряжения ядра CPU ниже требуемых рабочих параметров. Поэтому цель проектирования PDN состоит в обеспечении пути со сверхнизким импедансом для больших токов от модуля регулятора напряжения (VRM) к выводам CPU/GPU. Это обычно достигается за счёт использования нескольких широких слоёв питания и заземления, а также большого массива переходных отверстий.

2. Иерархическая сеть развязывающих конденсаторов: Потребность CPU в токе динамически меняется, причём переключение между состояниями простоя и полной нагрузки может происходить за наносекунды. PDN должна мгновенно реагировать на эти изменения. Для этого требуется тщательно разработанная трёхуровневая сеть развязывающих конденсаторов:

   • Объемные конденсаторы (Bulk Capacitors): Расположенные рядом с VRM, с большой ёмкостью (уровень микрофарад), используемые для реагирования на низкочастотные изменения тока.
   • Развязывающие конденсаторы (Decoupling Capacitors): Распределённые вокруг CPU, обычно керамические конденсаторы (уровень нанофарад), используемые для фильтрации шумов в среднечастотном диапазоне.
   • Высокочастотные конденсаторы / Встроенные в корпус конденсаторы: Размещены как можно ближе к кристаллу CPU или даже интегрированы в подложку CPU для реагирования на самые высокочастотные переходные токовые потребности.

3. Размещение VRM и тепловое управление: Сам VRM является значительным источником тепла. При проектировании High Density Server PCB VRM должны быть размещены как можно ближе к чипам, которые они питают (например, CPU), чтобы сократить пути для больших токов и уменьшить импеданс. В то же время необходимо спланировать пути отвода тепла, обычно используя утолщённые слои меди и тепловые переходные отверстия для передачи тепла к радиаторам. Это особенно важно для плотных областей PGA Socket PCB, где пространство очень ограничено.

Качество проектирования PDN напрямую влияет на стабильность и производительность сервера. Нестабильное питание может привести к вычислительным ошибкам, зависаниям системы и даже необратимому повреждению оборудования.

Получить расчет стоимости печатной платы

Как оптимизировать производительность теплового управления для печатных плат центров обработки данных?

Конечным узким местом для эффективности работы электронных устройств часто является тепло. На серверных чипах, интегрирующих миллиарды транзисторов на квадратный сантиметр, плотность мощности может соперничать с плотностью ядерного реактора. Если тепло не может быть эффективно отведено, чип будет снижать частоту из-за перегрева или даже выйдет из строя. Плата PCB для серверов высокой плотности должна не только передавать сигналы и питание, но и играть ключевую роль в системе терморегуляции.

Эффективные стратегии терморегуляции на уровне печатной платы включают:

• Использование толстой меди (Heavy Copper): Применение медной фольги толщиной 3 унции или более в слоях питания и заземления, а также на токопроводящих дорожках с высоким током, не только снижает потери I²R (т.е. тепло, выделяемое током, протекающим через сопротивление), но и значительно повышает поперечную теплопроводность печатной платы, быстро рассеивая тепло от горячих точек по всей поверхности платы. Узнайте больше о применении печатных плат с толстой медью (Heavy Copper PCB).

• Термопереходы (Thermal Vias): Плотное расположение термопереходов под контактными площадками компонентов, генерирующих тепло (таких как CPU, VRM, PCH), создает вертикальный канал с низким термическим сопротивлением от чипа к радиатору или корпусу на другой стороне печатной платы. Эти переходные отверстия часто заполняются теплопроводящим материалом для дальнейшего повышения эффективности теплопередачи.

• Встроенные технологии охлаждения: Для экстремальных требований к охлаждению могут быть использованы более передовые технологии, такие как встраивание медных блоков (Coin) или тепловых трубок (Heat Pipe) внутрь печатной платы. Медные блоки напрямую контактируют с тепловыделяющим чипом, эффективно отводя тепло благодаря их значительно более высокой теплопроводности по сравнению с материалом подложки печатной платы.

• Интеллектуальная компоновка компонентов: На этапе компоновки основные источники тепла (такие как центральные процессоры, модули памяти) должны быть размещены в верхней части воздушного потока охлаждения, чтобы избежать вторичного нагрева нижестоящих компонентов горячим воздухом. В то же время чувствительные аналоговые или тактовые цепи должны быть удалены от высокотемпературных зон. Будь то печатная плата для серверов x86 или высокопроизводительная печатная плата для серверов RISC, правильная компоновка является первым шагом в терморегуляции.

Терморегуляция — это системная инженерия, требующая тесного сотрудничества между проектированием печатных плат, механической структурой и решениями по охлаждению. HILPCB с помощью анализа теплового моделирования может помочь клиентам прогнозировать горячие точки на ранних этапах проектирования и проверять эффективность решений по охлаждению.

Подробное описание технологий контроля ЭМП/ЭМС для серверных материнских плат

В стойках, плотно забитых серверами, проблемы электромагнитных помех (ЭМП) и электромагнитной совместимости (ЭМС) особенно актуальны. Каждый сервер является как потенциальным источником, так и жертвой ЭМП. Некачественный дизайн ЭМП/ЭМС может привести к потере сетевых пакетов, повреждению данных и даже к невозможности прохождения обязательной сертификации.

Ключевые стратегии для контроля ЭМП/ЭМС включают:

• Полный обратный путь: Токи высокочастотных сигналов всегда возвращаются к источнику по пути наименьшего импеданса. Необходимо обеспечить непрерывную опорную плоскость (обычно слой GND) непосредственно под всеми высокоскоростными сигналами. Любой трассировка, пересекающая разделение опорной плоскости, образует большую рамочную антенну, излучающую сильные электромагнитные шумы.

• Заземление и экранирование: Система заземления всей печатной платы должна представлять собой единое целое с низким импедансом. Плотные переходные отверстия заземления (Stitching Vias) должны соединять плоскости GND разных слоев, образуя клетку Фарадея, которая экранирует внутренний шум и предотвращает проникновение внешних помех. Экранирующие корпуса в областях ввода/вывода также должны быть надежно соединены с этой системой GND.

• Проектирование фильтров: На входе питания и на всех внешних интерфейсах должны быть разработаны эффективные фильтрующие цепи (например, LC-фильтры, синфазные дроссели) для подавления кондуктивных ЭМП.

• Управление тактовыми цепями: Тактовые сигналы являются самым сильным источником шума на печатной плате из-за их быстрых фронтов нарастания/спада и периодичности. Тактовые трассы должны быть как можно короче, удалены от портов ввода/вывода и чувствительных цепей, и плотно окружены земляными трассами. В ранних архитектурах Northbridge PCB управление тактовыми сигналами было отдельной и сложной задачей проектирования; хотя сегодня степень интеграции выше, принципы контроля ЭМП по-прежнему применимы. Современные чипсеты Platform Controller Hub интегрируют множество тактовых генераторов, предъявляя чрезвычайно высокие требования к контролю ЭМП в их окрестностях.

От проектирования к производству: как DFM влияет на надежность серверных печатных плат?

Теоретически идеальный дизайн High Density Server PCB бесполезен, если его невозможно экономически эффективно и надежно произвести. Проектирование для технологичности (Design for Manufacturability, DFM) — это мост, соединяющий дизайн с реальностью, напрямую влияющий на выход годных изделий, стоимость и долгосрочную надежность продукта.

Ключевые аспекты DFM включают:

• Конструкция переходных отверстий: Для механического сверления существуют ограничения на минимальный диаметр отверстия и соотношение сторон (толщина платы к диаметру отверстия). Для сверхплотных конструкций требуются технологии HDI (High-Density Interconnect) с лазерным сверлением, такие как глухие и скрытые переходные отверстия. Это позволяет реализовать более плотное размещение компонентов на поверхности без ущерба для внутренней трассировки. Наша технология HDI PCB является ключом к созданию сложных серверных материнских плат.

• Контактные площадки и паяльная маска: Такие детали, как конструкция BGA-площадок (SMD против NSMD) и ширина перемычек паяльной маски, влияют на выход годных изделий в процессе пайки. Слишком маленькие перемычки паяльной маски могут легко отслаиваться во время производства, что приводит к коротким замыканиям при пайке.

• Обработка медной фольги: Для обеспечения адгезии чернил паяльной маски медная поверхность должна быть шероховата. Однако чрезмерное шерохование увеличивает потери в проводниках, влияя на качество высокоскоростных сигналов. Необходимо найти баланс между адгезией и производительностью сигнала.

• Планирование контрольных точек: На этапе проектирования должно быть предусмотрено достаточное количество контрольных точек для проведения электрических испытаний (тест летающим зондом или стендовый тест) в процессе производства, чтобы обеспечить правильность всех сетевых соединений. Ранний DFM-обзор (проектирование для производства) на этапе проектирования с опытным производителем, таким как HILPCB, может избежать дорогостоящих изменений в дизайне на более поздних этапах и значительно сократить время выхода продукта на рынок. Наши профессиональные инженеры могут предоставить комплексный анализ технологичности и рекомендации по оптимизации для вашего дизайна.

Применение печатных плат серверов высокой плотности в будущих вычислениях

Технология High Density Server PCB является двигателем, движущим развитие архитектур вычислений следующего поколения. Ее применение охватывает всю область информационных технологий:

• Серверы для ИИ и машинного обучения: Обучение больших моделей ИИ требует массивного обмена данными между несколькими GPU или специализированными ускорителями (например, TPU). Это требует от печатных плат обеспечения сверхвысокой пропускной способности и низкозадержечных соединений, таких как NVIDIA NVLink. Эти печатные платы обычно являются наиболее сложными по технологии, с наибольшим количеством слоев и самыми строгими требованиями к SI/PI.

• Центры обработки данных облачных вычислений: Поставщики облачных услуг стремятся к максимальной вычислительной плотности и энергоэффективности. Печатные платы высокой плотности позволяют размещать больше вычислительных ядер и памяти в стандартном стоечном блоке, а оптимизированные конструкции PDN и терморегулирования снижают общую стоимость владения (TCO). Как универсальные x86 Server PCB, так и RISC Server PCB на архитектуре ARM играют решающую роль в облачных центрах обработки данных.

• Граничные вычисления (Edge Computing): С развитием 5G и Интернета вещей вычислительная мощность смещается к краю сети. Краевые серверы должны обеспечивать мощные вычислительные возможности в компактных, а иногда и суровых условиях. Это требует, чтобы High Density Server PCB были не только компактными, но и высоконадежными, а также обладали отличной термоадаптивностью.

• Высокопроизводительные вычисления (HPC): В таких областях, как научные исследования и прогнозирование погоды, кластеры HPC требуют экстремальной вычислительной производительности. Их межузловые сети соединений (например, InfiniBand) предъявляют чрезвычайно высокие требования к способности печатной платы передавать сигналы; любая незначительная потеря производительности может повлиять на общую вычислительную эффективность кластера.

От традиционных дискретных архитектур Northbridge PCB до современных высокоинтегрированных SoC и PGA Socket PCB дизайнов, каждый скачок в серверном оборудовании сопровождался инновациями в технологии печатных плат.

Заключение: Ваш сервер следующего поколения начинается с превосходных печатных плат

Проектирование и производство High Density Server PCB — это сложная системная инженерия, объединяющая материаловедение, теорию электромагнитного поля, термодинамику и прецизионное производство. Она требует нахождения оптимального баланса между несколькими взаимозависимыми параметрами — плотностью, скоростью, энергопотреблением, рассеиванием тепла и стоимостью. По мере увеличения скорости передачи данных до 112 Гбит/с и выше эти проблемы станут еще более серьезными.

Выбор технологически сильного и опытного инженерного партнера имеет решающее значение. В HILPCB мы не только обладаем ведущим в отрасли производственным оборудованием и возможностями контроля процессов, но и командой экспертов с глубоким пониманием проектирования серверных систем. Мы стремимся тесно сотрудничать с нашими клиентами, предоставляя техническую поддержку от этапа концепции до массового производства, и совместно решать проблемы, связанные с High Density Server PCB.

Если вы планируете продукты для серверов следующего поколения и ищете партнера по печатным платам, способного точно воплотить ваше дизайнерское видение, пожалуйста, немедленно свяжитесь с нашей технической командой. Давайте вместе создадим движущую силу для будущих центров обработки данных.

Получить предложение по печатным платам

Related links

• Возможностям производства многослойных печатных плат
• высокоскоростные решения для печатных плат
• печатных плат с толстой медью (Heavy Copper PCB)
• HDI PCB