На волне искусственного интеллекта, облачных вычислений и анализа больших данных центры обработки данных обрабатывают и передают огромные объемы информации с беспрецедентной скоростью. Как "центральная нервная система" серверных шасси, производительность High Speed Backplane напрямую определяет пропускную способность связи и скорость отклика всей системы. Это уже не просто пассивная печатная плата для подключения дочерних карт, а высокопроизводительное инженерное решение, объединяющее сложные технологии управления сигналами, питанием и теплом.

Поскольку скорости передачи данных растут от 10Gbps до 112Gbps и даже 224Gbps, традиционные методы проектирования и производства печатных плат (PCB) больше не могут удовлетворить потребности. Проблемы, такие как затухание сигнала, перекрестные помехи и рассогласование импеданса, резко усиливаются, создавая беспрецедентные вызовы в выборе материалов PCB, проектировании слоев и производственных процессах. Как ведущий поставщик решений для печатных плат, Highleap PCB Factory (HILPCB) использует свои глубокие знания в области высокоскоростных и высокоплотных плат, чтобы помочь клиентам преодолеть эти трудности и создать стабильное и надежное оборудование для центров обработки данных. В этой статье подробно рассматриваются ключевые технические проблемы и основные аспекты производства High Speed Backplane.

Получить предложение по PCB

Что такое высокоскоростная backplane и ее ключевая роль в современных серверах?

Высокоскоростная backplane (High Speed Backplane) — это большая печатная плата, которая служит физической и электрической основой серверов, коммутаторов или шасси систем хранения данных. Ее основная функция — обеспечить надежную механическую поддержку, распределение питания и высокоскоростные каналы передачи данных для нескольких дочерних плат (таких как blade-серверы, линейные карты и модули хранения), вставляемых в нее.

В современных архитектурах центров обработки данных роль backplane претерпела фундаментальные изменения:

1. Центр обмена данными: она передает все критические потоки данных между модулями системы. Будь то обмен данными между процессорами через проприетарные протоколы, такие как Infinity Fabric PCB, или подключение ускорительных карт через стандартные шины PCIe Gen5 PCB, все сигналы должны проходить через backplane.
2. Драйвер повышения скорости: с быстрым развитием технологии SerDes (сериализатор/десериализатор) backplane должна поддерживать все более высокие скорости передачи данных. Сегодня сигнализация 56G/112G PAM4 стала стандартом, а проекты будущего 224G SerDes PCB уже в планах, что предъявляет крайне высокие требования к целостности сигнала backplane.
3. Платформа для высокой плотности интеграции: для увеличения вычислительной плотности в ограниченном пространстве backplane должна поддерживать больше слотов и более плотные разъемы, что делает трассировку исключительно сложной и требует высочайшей точности производственных процессов PCB.

Короче говоря, высокопроизводительная High Speed Backplane — это основа для обеспечения эффективной работы кластеров серверов в центрах обработки данных как единого целого. Любой недостаток в проектировании или производстве может привести к узким местам в производительности системы или даже к сбоям связи.

Как целостность высокоскоростного сигнала определяет пределы производительности backplane?

Когда скорость сигнала превышает 25Gbps, дорожки PCB ведут себя скорее как волноводы, чем простые проводники. Целостность сигнала (Signal Integrity, SI) становится решающим фактором, определяющим производительность High Speed Backplane. Инженеры должны точно контролировать каждый аспект передачи сигнала, чтобы избежать ошибок данных.

Основные проблемы включают:

• Вносимые потери (Insertion Loss): Энергия сигнала ослабевает из-за диэлектрических и проводниковых потерь при передаче по дорожкам. Платы backplane обычно имеют большие размеры и длинные дорожки, что делает проблему вносимых потерь особенно острой. Выбор материалов PCB с ультранизкими потерями (Ultra-Low Loss) — это первый шаг к контролю потерь.
• Перекрестные помехи (Crosstalk): Электромагнитная связь между соседними высокоскоростными дорожками вызывает шумовые помехи. В условиях высокой плотности разводки необходимо подавлять перекрестные помехи за счет точного контроля расстояния между дорожками, использования полосковых структур и оптимизации заземляющих слоев.
• Отражения (Reflection): Когда сигнал встречает неоднородности импеданса (например, переходные отверстия, разъемы, изменения ширины дорожки), часть энергии отражается обратно к источнику, вызывая искажение сигнала. Критически важно обеспечить согласование импеданса (обычно 50Ω или 100Ω дифференциально) на всем пути от корпуса микросхемы до контактов разъема.
• Джиттер (Jitter): Незначительные временные отклонения сигналов сжимают глазковую диаграмму данных и увеличивают частоту ошибок (BER). Шум питания, перекрестные помехи и отражения являются основными источниками джиттера. Для таких технологий, как PAM4 PCB, использующих многоуровневую сигнализацию, допуск к джиттеру ниже, чем у традиционных NRZ-сигналов, что вдвое увеличивает сложность проектирования.

Инженерная команда HILPCB использует передовые инструменты моделирования (например, Ansys HFSS, Siwave) для анализа всего канала — от выбора материалов до оптимизации структуры переходных отверстий — гарантируя, что каждая высокоскоростная PCB соответствует самым строгим требованиям SI.

Является ли продвинутый дизайн слоев основой высокоскоростных backplane?

Безусловно. Если материалы — это "плоть и кровь", то дизайн слоев (Stack-up) — это "скелет" High Speed Backplane. Тщательно продуманная структура слоев обеспечивает четкие пути возврата сигнала, эффективное экранирование и стабильный импеданс для высокоскоростных сигналов.

Для backplane, которые обычно превышают 20 слоев или даже достигают 40+ слоев, дизайн слоев должен учитывать:

• Симметрия и баланс: Чтобы предотвратить коробление PCB в процессе производства и сборки, структура слоев должна быть симметричной.
• Сигнальные слои и опорные плоскости: Высокоскоростные сигнальные слои должны располагаться рядом с одной или несколькими непрерывными плоскостями земли (GND) или питания (PWR). Это формирует структуры микрополосковой или полосковой линии, что помогает контролировать импеданс и уменьшать электромагнитное излучение. Полосковые линии (сигнальные слои между двумя опорными плоскостями) обеспечивают наилучшее экранирование и являются предпочтительным выбором для трассировки backplane на большие расстояния.
• Плоскости питания и земли: Использование цельных плоскостей вместо разделенных областей питания обеспечивает крайне низкий импеданс для сети распределения питания (PDN) и непрерывные пути возврата тока для высокоскоростных сигналов.
• Комбинация материалов: В сложных многослойных печатных платах могут использоваться материалы с разными характеристиками для баланса стоимости и производительности. Например, сверхнизкопотеристые материалы используются для слоев высокоскоростных сигналов, а более дешевые материалы — для слоев питания и низкоскоростных сигналов.

HILPCB обладает обширным опытом работы со сложными конструкциями слоев и может разработать оптимальное решение для конкретных сценариев применения клиента, таких как высокоплотная маршрутизация PCIe Gen5 PCB или каналы Infinity Fabric PCB, крайне чувствительные к перекрестным помехам.

Почему целостность питания (PI) критична для высокоскоростных систем?

Целостность питания (Power Integrity, PI) и целостность сигнала (Signal Integrity, SI) неразделимы. Стабильная и чистая сеть распределения питания (PDN) — это необходимое условие для корректной работы высокоскоростных схем. В высокоскоростных backplane PDN должна обеспечивать сотни или даже тысячи ампер тока для процессоров, ASIC и FPGA на десятках дочерних плат.

Основные цели проектирования PI: обеспечить стабильное и сверхнизкошумное напряжение на выводах питания микросхем при любых условиях работы.

• Низкоимпедансная PDN: Использование больших площадей питания и земли, а также правильно расположенных развязывающих конденсаторов позволяет минимизировать импеданс PDN в широком диапазоне частот. Это гарантирует, что падение напряжения (IR Drop) останется в допустимых пределах при резком потреблении тока микросхемой.
• Стратегия развязывающих конденсаторов: На backplane необходимо разместить большое количество развязывающих конденсаторов, включая электролитические конденсаторы большой емкости (для фильтрации низких частот) и множество керамических конденсаторов малой емкости (для фильтрации высоких частот). Их расположение и разводка критически важны.
• Управление плотностью тока: Необходимо тщательно анализировать плотность тока на путях питания, чтобы избежать перегрева или расплавления медных дорожек. Для путей с высоким током обычно требуется более толстая медная фольга.

Плохая конструкция PDN может привести к шуму на линиях питания, который напрямую преобразуется в джиттер сигнала, серьезно ухудшая производительность высокоскоростных соединений и даже вызывая сбои системы.

## Как эффективно управлять огромным теплом, выделяемым высокоскоростными backplane?

С увеличением степени интеграции систем и энергопотребления управление теплом стало неотъемлемой частью проектирования High Speed Backplane. Слишком высокая рабочая температура может снизить надежность и срок службы компонентов, изменить электрические свойства материалов PCB (например, Dk) и, таким образом, повлиять на контроль импеданса и синхронизацию сигналов.

Эффективные стратегии управления теплом включают:

• Материалы с высокой теплопроводностью: Выбор подложек PCB с более высокой теплопроводностью (TC) помогает быстро отводить тепло от источника.
• Утолщенная медная фольга: Использование толстой меди (например, 3oz или более) в слоях питания и земли не только выдерживает большие токи, но и действует как отличный радиатор, равномерно распределяя тепло по всей плате.
• Тепловые переходные отверстия (Thermal Vias): Плотное размещение тепловых переходных отверстий под нагревающимися компонентами (такими как VRM) эффективно передает тепло с поверхностного слоя на внутренние медные плоскости или радиаторы на обратной стороне.
• Оптимизация компоновки: На этапе компоновки PCB следует учитывать пути воздушного потока, размещая высокомощные компоненты в местах с хорошей циркуляцией воздуха, чтобы избежать концентрации горячих точек.
• Тепловое моделирование: Проведение теплового моделирования на ранних этапах проектирования позволяет предсказать распределение температуры, выявить потенциальные тепловые проблемы и проверить эффективность решений охлаждения.

От Infinity Fabric к оптическим соединениям: Тенденции развития технологии backplane

Чтобы преодолеть ограничения пропускной способности традиционных электрических backplane, отрасль исследует различные инновационные технологии.

• Проприетарные высокоскоростные соединения: Технологии, такие как Infinity Fabric PCB от AMD, оптимизируют протоколы и физический уровень для достижения сверхвысокой пропускной способности и низкой задержки в межчиповой коммуникации, что требует индивидуального проектирования и производства PCB.
• Оптика near-package (NPO) и co-packaged (CPO): Когда скорости достигают 224G SerDes PCB и выше, потери в медных дорожках становятся непреодолимыми. Технология Optical Interconnect PCB приближает оптические трансиверы к процессорам, используя волоконную оптику вместо меди для передачи данных.
• Гибридные backplane: Будущие High Speed Backplane, вероятно, будут сочетать электрические и оптические элементы, с традиционными медными дорожками для питания и медленных сигналов, а также интегрированными оптическими волноводами или волоконными разъемами для сверхбыстрой передачи данных. Проектирование и производство таких Optical Interconnect PCB требует сочетания процессов PCB и фотонной интеграции, что представляет новые вызовы для производителей.

HILPCB активно инвестирует в исследования и разработки, изучая передовые технологии гибридной интеграции для удовлетворения потребностей центров обработки данных следующего поколения в оптических соединениях.

Каковы ключевые процессы производства высоконадежных высокоскоростных backplane?

Превращение сложных проектных чертежей в полностью функциональную и стабильную по производительности High Speed Backplane требует ряда точных и строго контролируемых производственных процессов. Для специализированных производителей печатных плат для backplane, таких как HILPCB, следующие процессы являются ключевыми для обеспечения качества:

1. Точное совмещение слоев: Для толстых плат с десятками слоев критически важно обеспечить точное совмещение рисунка каждого слоя. Любое незначительное отклонение может привести к смещению переходных отверстий, вызывая обрывы или короткие замыкания. HILPCB использует передовое рентгеновское совмещение и высокоточное оборудование для ламинации, чтобы контролировать допуски совмещения слоев на микронном уровне.
2. Контролируемое глубинное сверление (back drilling): Для устранения отражений сигнала, вызванных неиспользуемыми частями переходных отверстий в высокоскоростных сигналах, широко применяется back drilling. Этот процесс удаляет избыточные медные столбики с обратной стороны платы. Точный контроль глубины сверления необходим, чтобы избежать повреждения функциональных сигнальных слоев.
3. Равномерность гальванического покрытия: Толщина и равномерность медного покрытия переходных отверстий напрямую влияют на их надежность и токопроводящую способность. HILPCB использует передовые гальванические линии и химические растворы, чтобы обеспечить равномерное и надежное покрытие даже для сквозных отверстий с соотношением сторон до 20:1 и выше.
4. Строгий контроль импеданса: Путем точного контроля ширины дорожек, толщины диэлектрика и меди, а также использования TDR (рефлектометра временной области) для выборочного или полного контроля производственных плат, мы гарантируем, что значения импеданса конечного продукта строго соответствуют требованиям проекта с допуском ±5%.
5. Комплексное производство и сборка: Разрыв между проектированием и производством является частой причиной неудач проектов. HILPCB предлагает комплексные услуги от анализа DFM (Design for Manufacturability) и производства печатных плат до полной сборки под ключ. Наши инженеры включаются в проект на ранних этапах, чтобы помочь клиентам оптимизировать дизайн, обеспечивая не только превосходную производительность, но и эффективное и экономичное производство и сборку, сокращая время выхода на рынок.

Заключение

High Speed Backplane — это сердце современного оборудования центров обработки данных, и сложность его проектирования и производства продолжает расти экспоненциально с увеличением скорости передачи данных. От решения проблем целостности сигнала в PAM4 PCB, поддержки высокой плотности трассировки в PCIe Gen5 PCB до перспектив Optical Interconnect PCB — каждый прогресс требует глубокого понимания науки о материалах, теории электромагнитных полей и точных производственных процессов.

Выбор опытного и технологически продвинутого партнера по производству печатных плат крайне важен. Highleap PCB Factory (HILPCB) с более чем 10-летним опытом специализации в области высокоскоростных, многослойных и высоконадежных плат, а также полным спектром услуг от поддержки проектирования до производства и сборки, готова вместе с вами решать эти задачи. Мы стремимся превратить ваши самые передовые идеи в высокопроизводительные High Speed Backplane, которые будут питать центры обработки данных будущего.

Свяжитесь с нами, чтобы начать ваш проект High Speed Backplane

Related links

• высокоскоростная PCB
• многослойных печатных платах
• печатных плат для backplane
• полной сборки под ключ