Материнская плата сервера ИИ с низкими потерями: Решение проблем высокоскоростных межсоединений в объединительных платах серверов ИИ

technology4 ноября 2025 г. 13 мин чтения

материнская плата сервера ИИ с низкими потерямиматеринская плата сервера ИИ автомобильного классатрассировка материнской платы сервера ИИтест летающим зондомконформное покрытиекачество материнской платы сервера ИИ

В условиях взрывного роста генеративного ИИ и больших языковых моделей требования к вычислительной мощности центров обработки данных растут беспрецедентными темпами. Последнее поколение графических процессоров и ускорителей ИИ от таких производителей, как NVIDIA и AMD, теперь имеет энергопотребление одной карты, превышающее 1000 Вт, а скорость передачи данных вступает в эру PCIe 5.0/6.0 и выше. Будучи центральным узлом, несущим все это, проектирование серверных материнских плат и объединительных плат сталкивается с беспрецедентными вызовами. В этом контексте материнская плата для ИИ-сервера с низкими потерями больше не является опцией, а краеугольным камнем для обеспечения стабильной и эффективной работы системы.

Как инженер, специализирующийся на решениях с высокой плотностью мощности, я понимаю сложность управления киловаттами мощности и терабитами в секунду (Тбит/с) данных в архитектуре 48 В. Затухание сигнала, шумовые помехи по питанию, накопление тепла — любой незначительный недосмотр может привести к узким местам в производительности системы или даже катастрофическим сбоям. С точки зрения инженера, эта статья рассмотрит ключевые технические проблемы создания высокопроизводительной материнской платы для ИИ-сервера с низкими потерями, охватывая все: от выбора материалов и высокоскоростной трассировки до производства и тестирования, обеспечивая соответствие конечного качества материнской платы для ИИ-сервера самым высоким стандартам.

Почему материалы с низкими потерями являются краеугольным камнем объединительных плат ИИ-серверов?

Когда частоты сигналов переходят с 16 GT/s PCIe 4.0 на 64 GT/s PCIe 6.0, затухание сигнала (потери при вставке) в передающей среде растет экспоненциально. Традиционные материалы FR-4 действуют как "губка", поглощающая энергию сигнала на таких сверхвысоких частотах, что приводит к полному коллапсу глазковых диаграмм сигнала и резкому увеличению частоты ошибок данных. Поэтому выбор правильного материала с низкими потерями является первым и самым важным шагом при проектировании печатной платы материнской платы сервера ИИ с низкими потерями.

Основные показатели, которые следует учитывать, - это диэлектрическая проницаемость (Dk) и тангенс угла потерь (Df) материала:

Диэлектрическая проницаемость (Dk): Влияет на скорость распространения сигнала и контроль импеданса. Более низкое и стабильное значение Dk помогает достичь более точного согласования импеданса, уменьшая отражения сигнала.
Тангенс угла потерь (Df): Прямо определяет степень преобразования энергии сигнала в тепло в среде. Чем ниже Df, тем меньше затухание сигнала, что критически важно для передачи на большие расстояния.

Для высокоскоростных печатных плат, обычно используемых в серверах ИИ, материалы обычно делятся на несколько категорий:

Стандартные потери: Например, обычный FR-4, подходит для приложений 1-3 ГГц.
Средние потери: Значения Df между 0,009-0,015, подходит для PCIe 3.0/4.0.
Низкие потери: Значения Df между 0,005-0,009, базовый уровень для приложений PCIe 5.0.
Сверхнизкие потери: Значения Df ниже 0,005, такие как Tachyon 100G, Megtron 6/7/8 и т. д., необходимые для каналов PCIe 6.0 и 224G SerDes.

Выбор правильного материала означает закладку прочного фундамента для целостности сигнала с самого начала.

Ключевые проблемы трассировки печатных плат объединительных панелей высокоскоростных серверов ИИ

Имея высококачественные материалы, следующим шагом является максимизация их производительности за счет точной трассировки печатных плат материнских плат серверов ИИ. На материнской плате сервера ИИ плотные BGA, высокоплотные разъемы и тысячи высокоскоростных дифференциальных пар делают трассировку сродни танцу на кончике иглы.

Точный контроль импеданса: Импеданс высокоскоростных дифференциальных пар (таких как PCIe/CXL) должен строго контролироваться до целевых значений 85/92/100 Ом (±7% или более высокая точность). Любое отклонение может вызвать отражения сигнала и ухудшить его качество. Это требует от производителей печатных плат исключительных возможностей контроля процесса для таких параметров, как ширина трассы, расстояние, толщина диэлектрика и толщина меди.
Подавление перекрестных помех: Когда параллельные дифференциальные пары расположены слишком близко, возникает электромагнитная связь (т. е. перекрестные помехи). В сценариях высокой плотности, таких как материнские платы ИИ, необходимо применять стратегии, такие как увеличение расстояния между парами (обычно следуя правилу 3W или 5W), использование изоляции плоскости заземления и оптимизация распределения слоев для минимизации ближних перекрестных помех (NEXT) и дальних перекрестных помех (FEXT).
Оптимизация переходных отверстий: Переходные отверстия являются неизбежными «точками разрыва» в многослойных конструкциях плат. Для сверхвысокоскоростных сигналов традиционные сквозные переходные отверстия создают нежелательный «пенек», который действует как антенна и вызывает сильные отражения сигнала. Для решения этой проблемы необходимо использовать обратное сверление для точного удаления избыточного медного пенька с обратной стороны печатной платы. Для более сложных конструкций HDI PCB глухие/скрытые переходные отверстия и микропереходные отверстия обеспечивают более короткие пути сигнала и лучшую производительность, но предъявляют более высокие производственные требования. Каждая оптимизированная деталь имеет решающее значение для повышения общего качества печатной платы материнской платы AI-сервера.

Сравнение характеристик высокоскоростных материалов для печатных плат

Класс материала	Типичное значение Df (@10ГГц)	Типичное значение Dk (@10ГГц)	Сценарий применения	Относительная стоимость
Стандартные потери (FR-4)	~0,020	~4,5	< 5 Гбит/с (например, PCIe 2.0)	1x
Средние потери	~0,010	~3,8	~16 Гбит/с (например, PCIe 4.0)	1,5x - 2x
Низкие потери	~0,005	~3,5	~32 Гбит/с (например, PCIe 5.0)	3x - 5x
Ультранизкие потери	<0,003	~3,2	> 56 Гбит/с (например, PCIe 6.0, 224G Ethernet)	> 6x

Как оптимизировать сеть распределения питания (PDN) для поддержки сотен ампер?

Пиковый ток ускорителей ИИ может достигать сотен или даже тысяч ампер, что создает значительные проблемы для сети распределения питания (PDN). Плохо спроектированная PDN может привести к серьезным падениям напряжения (IR Drop), напрямую влияя на стабильную работу чипа.

Ключ к оптимизации заключается в достижении чрезвычайно низкого импеданса PDN:

Большие плоскости питания/земли: В стеках печатных плат по возможности следует использовать полные и непрерывные слои питания и земли. Это не только обеспечивает токовые пути с низким импедансом, но и помогает в высокочастотной развязке за счет межслойной емкости.
Архитектура 48В и процесс с толстой медью: Принятие архитектуры питания 48В может значительно снизить ток, тем самым минимизируя потери I²R. В области VRM (модуля регулятора напряжения) материнской платы обычно требуется толстая медь 3 унции или толще для работы с высокими токами, а также большие массивы переходных отверстий для подачи питания на выводы чипа.
Многоуровневая стратегия развязки: Большое количество развязывающих конденсаторов должно быть размещено вокруг чипа. Эти конденсаторы должны охватывать весь частотный спектр от высоких до низких частот, образуя «банк конденсаторов». Это включает малогабаритные высокочастотные конденсаторы (например, 0201/01005), размещенные под BGA, а также высокоемкостные конденсаторы в других местах платы для устранения переходных изменений нагрузки. Являясь опытным производителем печатных плат, HILPCB обладает обширным опытом в разработке высокомощных PDN. Благодаря точным процессам моделирования и производства мы гарантируем исключительную надежность вашей системы электропитания.

Терморегулирование: Больше, чем просто радиаторы

Когда материнская плата обрабатывает киловатты мощности, терморегулирование становится системной задачей. Сама печатная плата действует как источник тепла (из-за потерь в медной фольге), так и как критически важный путь рассеивания тепла.

Эффективные стратегии терморегулирования на уровне печатной платы включают:

Оптимизация тепловых путей: Размещая многочисленные тепловые переходные отверстия под тепловыделяющими компонентами (например, VRM, чипами), тепло быстро передается во внутренние медные слои или на обратную сторону печатной платы, где оно может рассеиваться через радиаторы.
Материалы с высоким Tg: Серверы ИИ работают при высоких внутренних температурах, что требует использования подложек с высокими температурами стеклования (High Tg, обычно Tg > 170°C) для обеспечения механической прочности и стабильности размеров при термическом напряжении.
Совместимость с жидкостным охлаждением: Поскольку воздушное охлаждение достигает своих пределов, жидкостное охлаждение становится основным направлением. Конструкции печатных плат должны предусматривать монтажные отверстия для холодных пластин и усиливающие конструкции для обеспечения надежности. Некоторые конструкции могут даже интегрировать схемы обнаружения утечек, что соответствует строгим требованиям надежности печатных плат материнских плат серверов ИИ автомобильного класса.

Ключевые аспекты проектирования высокопроизводительных материнских плат для AI-серверов с низкими потерями

Выбор материалов: Выбирайте материалы со сверхнизкими потерями, исходя из скорости сигнала, чтобы сбалансировать производительность и стоимость.
Контроль импеданса: Строго поддерживайте импеданс дифференциальных пар в пределах ±7%, проверяемый с помощью TDR во время производства.
Целостность PDN: Внедряйте конструкции PDN с низким импедансом для обеспечения стабильности напряжения в условиях переходных высоких токов.
Тепловые пути: Тщательно проектируйте тепловые переходные отверстия и медные фольги для эффективного отвода тепла из основных областей.

Проектирование для технологичности (DFM): Тесно сотрудничайте с производителями, чтобы гарантировать, что конструкции, включающие стеки, переходные отверстия и т. д., достигают высокой надежности и выхода годных изделий в производстве.

Искусство балансирования дизайна стека и технологичности производства (DFM)

Материнские платы для AI-серверов обычно имеют стеки, превышающие 20 слоев, иногда даже более 30 слоев. Отличный дизайн стека является всесторонним отражением целостности сигнала, целостности питания и электромагнитной совместимости (ЭМС). Например, высокоскоростные сигнальные слои должны прилегать к сплошным опорным земляным плоскостям, в то время как плоскости питания и земли должны быть сопряжены для использования межслойной емкости.

Однако даже самый безупречный дизайн бесполезен, если его невозможно изготовить экономично и надежно. Это подчеркивает важность проектирования с учетом технологичности (DFM). Являясь ведущим поставщиком решений для печатных плат, Highleap PCB Factory (HILPCB) проводит тщательные DFM-проверки проектов клиентов перед производством, проверяя такие пункты, как:

Соотношение сторон: Глубокие и узкие переходные отверстия создают значительные проблемы для процессов металлизации, часто приводя к неравномерному меднению или обрывам цепи.
Ширина/расстояние между дорожками: Проверка соответствия минимальным производственным возможностям для предотвращения коротких замыканий или обрывов цепи.
Точность совмещения: Точность межслойного совмещения во время ламинирования многослойных плат напрямую влияет на надежность переходных отверстий.
Контроль коробления материала: Асимметричные конструкции стеков или неравномерное распределение меди могут вызвать коробление печатной платы после пайки оплавлением, что влияет на SMT-монтаж. Вмешиваясь на ранних этапах, мы помогаем клиентам оптимизировать конструкции, чтобы избежать дорогостоящих модификаций на поздних стадиях, гарантируя, что конечная объединительная плата (backplane PCB) обеспечивает как исключительную производительность, так и высокую производственную доходность.

Передовые Методы Тестирования для Обеспечения Качества Объединительных Плат (Backplane PCB) AI-Серверов

Для печатных плат такой структурной сложности одного традиционного электрического тестирования (E-Test) недостаточно для гарантии качества. Более совершенные методы тестирования необходимы для обеспечения безупречности каждой отгруженной печатной платы.

Тестирование летающим зондом (Flying Probe Test): Для прототипов и мелкосерийного производства тестирование летающим зондом является эффективным и гибким методом. Оно устраняет необходимость в дорогостоящих тестовых приспособлениях, используя подвижные зонды для прямого контакта с контактными площадками и переходными отверстиями для проверки электрического соединения, быстро выявляя дефекты, такие как обрывы или короткие замыкания.
Тестирование импеданса (TDR): Используйте рефлектометрию во временной области (TDR) для выборочного или полного тестирования критически важных высокоскоростных линий передачи на плате, проверяя, соответствуют ли их фактические значения импеданса проектным спецификациям. Это обеспечивает прямое доказательство целостности сигнала.
Микрошлифовка (Micro-sectioning): Вырезайте образцы из производственных плат, готовьте поперечные срезы и исследуйте микроскопические структуры, такие как качество металлизации переходных отверстий, выравнивание слоев и однородность толщины диэлектрика под микроскопом. Это окончательный метод оценки и мониторинга стабильности производственного процесса. Эти строгие процессы тестирования незаменимы для обеспечения высокого качества печатных плат материнских плат AI-серверов.

Возможности производства высококачественных печатных плат для AI-серверов HILPCB

Параметр	Характеристика
Максимальное количество слоев	64 слоя
Минимальная ширина/расстояние линии	2,5/2,5 мил (0,0635/0,0635 мм)
Максимальное соотношение сторон	18:1
Допуск контроля импеданса	±5%
Поддерживаемые материалы

Полный спектр высокоскоростных материалов, включая Megtron 6/7/8, Tachyon 100G, Rogers, Isola и др. Специальные Процессы Обратное сверление, встроенные резисторы/конденсаторы, ступенчатые пазы, переходные отверстия в контактных площадках (POFV)

Конформное Покрытие и Экологическая Надежность

Хотя центры обработки данных являются средами с контролируемой температурой и влажностью, сульфиды в воздухе, пыль и потенциальная конденсация влаги все еще могут представлять угрозу для долго работающего электронного оборудования, приводя к электрохимической миграции и коротким замыканиям. Процесс конформного покрытия наносит тонкую, однородную изолирующую защитную пленку на поверхность печатной платы, эффективно защищая ее от этих факторов окружающей среды.

Для серверов ИИ, требующих круглосуточной бесперебойной работы, этот защитный слой имеет решающее значение. Он значительно улучшает среднее время наработки на отказ (MTBF) продукта, обеспечивая надежность на протяжении всего его жизненного цикла. В граничных вычислениях или промышленных приложениях ИИ с чрезвычайно высокими требованиями к адаптации к окружающей среде важность конформного покрытия может даже конкурировать с печатными платами материнских плат серверов ИИ автомобильного класса с точки зрения устойчивости к воздействию окружающей среды.

Выбор Правильного Производителя: Комплексное Обслуживание от Проектирования до Сборки

Успешное создание высокопроизводительной материнской платы для ИИ-сервера с низкими потерями выходит далеко за рамки производства голой платы. Это требует партнера с глубоким опытом в решении задач на всем пути от проектирования до конечного продукта.

Выбор комплексного производителя, такого как HILPCB, предлагает значительную ценность благодаря:

Совместное проектирование на ранних этапах: Предоставление обратной связи по DFM/DFA (проектирование для технологичности/сборки) на ранней стадии проектирования для снижения рисков на источнике.
Бесшовное производство и тестирование: Единая система контроля качества охватывает весь процесс изготовления и тестирования печатных плат, включая вышеупомянутый тест летающим зондом и проверку TDR, гарантируя, что каждая поставляемая плата соответствует самым строгим стандартам.
Профессиональные услуги по сборке печатных плат (PCBA): Оснащены передовыми линиями SMT-монтажа, способными выполнять размещение и пайку BGA, LGA высокой плотности и высокоскоростных разъемов, с рентгеновским контролем для гарантии качества паяных соединений.

Эта сквозная интеграция значительно сокращает время выхода на рынок, упрощает управление цепочкой поставок и, в конечном итоге, обеспечивает производительность и надежность материнских плат для ИИ-серверов.

Свяжитесь с нами сейчас для профессионального DFM-анализа и получения предложения

Заключение

Освоение волны серверов ИИ зависит от овладения их физической основой — печатной платой (PCB). Исключительная материнская плата сервера ИИ с низкими потерями представляет собой идеальное сочетание передовой материаловедения, продвинутой инженерии целостности сигнала/питания и высококлассных производственных процессов. Каждый шаг критически важен, от выбора правильных материалов со сверхнизкими потерями до точной трассировки печатной платы материнской платы сервера ИИ и проектирования PDN, за которыми следуют строгие протоколы изготовления и тестирования.

Поскольку технические проблемы становятся все более сложными, партнерство с опытным, технологически продвинутым и комплексным поставщиком решений становится ключом к успеху. HILPCB стремится к постоянному исследованию и инновациям в областях высокоскоростных и высокомощных печатных плат. Мы обладаем возможностями и уверенностью, чтобы помочь вам преодолеть проблемы проектирования серверов ИИ следующего поколения, превращая ваши инновационные концепции в надежные, высокопроизводительные продукты.