В современном мире, управляемом данными, стабильная и эффективная работа центров обработки данных является краеугольным камнем всего цифрового бизнеса. От облачных вычислений до искусственного интеллекта, способность хранить, извлекать и защищать огромные объемы данных напрямую определяет конкурентоспособность компании. В основе этой сложной экосистемы печатная плата контроллера RAID (печатная плата контроллера избыточного массива независимых дисков) играет ключевую роль. Она является не только мостом, соединяющим серверы и носители информации, но и критически важным компонентом, обеспечивающим целостность, доступность и производительность данных.

Высокопроизводительная печатная плата контроллера RAID должна обрабатывать сверхвысокоскоростные сигналы PCIe, управлять огромным мгновенным энергопотреблением и эффективно рассеивать тепло, выделяемое чипом контроллера, в чрезвычайно компактном пространстве. Это делает ее проектирование и производство комплексной инженерной задачей, включающей целостность сигнала, целостность питания и тепловое управление. Являясь ведущим поставщиком решений для печатных плат, Highleap PCB Factory (HILPCB) использует многолетний технический опыт для поставки высоконадежных печатных плат, отвечающих самым строгим требованиям клиентов центров обработки данных. В этой статье рассматриваются основные технические проблемы печатных плат контроллеров RAID и объясняется, как их преодолеть с помощью исключительных процессов проектирования и производства.

Какую роль играет печатная плата контроллера RAID в современных серверных архитектурах?

Плата контроллера RAID является "мозгом" подсистемы хранения данных сервера. Ее основная функция заключается в управлении группой независимых физических дисков (будь то HDD или SSD) и их виртуализации в одну или несколько логических единиц, тем самым обеспечивая избыточность данных и повышение производительности для операционной системы. В отличие от относительно простой платы HBA (Host Bus Adapter PCB), которая в основном обеспечивает физическое подключение, плата контроллера RAID включает в себя выделенный процессор (SoC) и кэш (DRAM), что позволяет ей выполнять сложные алгоритмы RAID (такие как расчеты четности RAID 5).

Его основные роли можно суммировать следующим образом:

1. Избыточность и защита данных: Реализуя уровни RAID, такие как 1, 5, 6 и 10, контроллер RAID гарантирует, что данные не будут потеряны, а бизнес-операции продолжатся бесперебойно даже в случае отказа одного или нескольких дисков. Это основа корпоративного хранилища.
2. Ускорение производительности: Используя технологию RAID 0 (чередование), контроллер может распределять данные по нескольким дискам, значительно улучшая скорости чтения и записи. Встроенный высокоскоростной кэш также значительно снижает задержку ввода-вывода.
3. Виртуализация хранилища: Он абстрагирует несколько физических дисков в один или несколько логических томов, упрощая управление хранилищем для операционной системы сервера.
4. Масштабируемость и управление: Он поддерживает расширенные функции, такие как онлайн-расширение емкости и миграция уровня RAID, что позволяет администраторам настраивать конфигурации хранилища без прерывания обслуживания.

В различных архитектурах хранения формы применения печатных плат контроллеров RAID также различаются. В архитектурах DAS PCB (Direct-Attached Storage) он либо интегрирован непосредственно в материнскую плату сервера, либо существует как отдельная карта PCIe. В более крупных системах Object Storage PCB, хотя логика хранения более сложна, базовые аппаратные узлы по-прежнему полагаются на высокопроизводительные контроллеры для управления физическими дисками. Кроме того, с развитием технологий решения Hybrid Storage PCB, поддерживающие смешанные развертывания SSD и HDD, становятся все более распространенными, что предъявляет более высокие требования к интеллектуальным алгоритмам многоуровневого хранения и кэширования контроллера.

Получить предложение по печатной плате

Почему целостность высокоскоростного сигнала является основной проблемой проектирования?

По мере развития технологии шины PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) от Gen3 и Gen4 до Gen5 и даже Gen6, скорость передачи данных экспоненциально возрастает. PCIe 5.0 достигает скорости до 32 ГТ/с на одной линии, что создает беспрецедентные проблемы для целостности сигнала (SI) печатных плат контроллеров RAID. Даже незначительные ошибки проектирования могут привести к ошибкам передачи данных, потенциально вызывая сбои системы или повреждение данных, что является катастрофическим для систем хранения.

Для обеспечения стабильной высокоскоростной передачи сигнала на этапе проектирования печатной платы необходимо решить следующие критические вопросы:

• Точный контроль импеданса: Высокоскоростные дифференциальные пары (например, сигналы PCIe, SAS/SATA) должны поддерживать строгое согласование импеданса (обычно 90 или 100 Ом) по всему пути передачи. Разрывы импеданса могут вызывать отражения сигнала, увеличивая частоту битовых ошибок (BER). Это требует от производителей печатных плат, таких как HILPCB, точного контроля толщины меди, диэлектрической проницаемости (Dk), толщины диэлектрика и геометрии трасс.
• Подавление перекрестных помех: При трассировке высокой плотности соседние сигнальные линии могут взаимодействовать друг с другом через электромагнитные поля, что приводит к перекрестным помехам. Проекты должны обеспечивать достаточное расстояние между дифференциальными парами и другими сигнальными линиями. В критических областях структуры стриплайна или заземленные экранирующие трассы могут изолировать чувствительные сигналы.
• Минимизация вносимых потерь: По мере распространения сигналов через среду передачи их энергия ослабляется с увеличением частоты и расстояния. Чтобы сигналы достигали места назначения, необходимо выбирать высокоскоростные материалы для печатных плат с низкими диэлектрическими потерями (Df), такие как Isola, Rogers или серия с низкими потерями от TUC.
• Оптимизация переходных отверстий (Via): Переходные отверстия являются критически важными структурами в многослойных печатных платах для соединения трасс между различными слоями, но они также вносят значительные разрывы импеданса. В проектах PCIe 4.0 и более высоких скоростей заглушки переходных отверстий могут резонировать как антенны, серьезно ухудшая качество сигнала. Обратное сверление для удаления неиспользуемых заглушек или использование микропереходных отверстий в HDI-проектах являются важными методами для обеспечения целостности сигнала.

Профессиональные партнеры по проектированию и производству печатных плат могут предсказывать и решать эти проблемы на этапе проектирования с использованием передовых инструментов моделирования (например, Ansys SIwave, Cadence Sigrity), избегая дорогостоящих переработок.

Как построить надежную сеть распределения питания (PDN)?

Если целостность сигнала — это "нервная система", обеспечивающая точную передачу данных, то сеть распределения питания (PDN) — это "кровеносная система", которая обеспечивает стабильную энергию для всей печатной платы контроллера RAID. Когда чип SoC и память DDR на контроллере RAID выполняют интенсивные вычисления и операции чтения/записи данных, они генерируют огромные переходные токовые нагрузки (di/dt). Плохо спроектированная PDN может привести к падениям напряжения (IR Drop) и шуму в источнике питания, что в лучшем случае может снизить производительность, а в худшем — вызвать сбои системы и повреждение данных. Построение надежной PDN требует систематической стратегии:

1. Проектирование пути с низким импедансом: Питание и земля должны быть проложены через широкие медные плоскости или дорожки для минимизации сопротивления и индуктивности. В многослойных печатных платах обычно реализуются выделенные слои питания и земли. Использование многочисленных переходных отверстий для соединения плоскостей питания/земли между различными слоями, образуя сетчатую структуру с низким импедансом, является эффективным методом снижения импеданса PDN.
2. Продуманное размещение развязывающих конденсаторов: Развязывающие конденсаторы являются краеугольным камнем проектирования PDN. Конденсаторы различных номиналов подавляют шум на разных частотах. Стратегия проектирования обычно включает размещение многочисленных конденсаторов малой емкости (диапазон нФ) рядом с выводами питания чипа для фильтрации высокочастотного шума, конденсаторов средней емкости (диапазон мкФ) немного дальше и больших объемных конденсаторов (сотни мкФ) рядом с модулем регулятора напряжения (VRM) для удовлетворения низкочастотных переходных токовых потребностей.
3. Оптимизация компоновки VRM: VRM должен быть расположен как можно ближе к питаемым им чипам (например, SoC или памяти DDR), чтобы сократить пути тока, уменьшить падение напряжения и минимизировать паразитные индуктивности. Это требует тесного сотрудничества между инженерами по компоновке печатных плат и инженерами по аппаратному обеспечению.
4. Моделирование и анализ PDN: На этапе проектирования крайне важно использовать профессиональные инструменты моделирования PDN (например, Ansys PI, Cadence PowerDC) для анализа постоянного тока (падение IR) и переменного тока (импеданс переменного тока). Это помогает инженерам выявлять потенциальные проблемы целостности питания – такие как недостаточный запас по напряжению или чрезмерная плотность тока – до начала производства.

Надежная PDN — это невоспетый герой, обеспечивающий стабильную работу платы контроллера RAID, и ее важность не меньше, чем важность проектирования высокоскоростных сигналов.

Каковы ключевые соображения для продвинутого проектирования стека печатных плат?

Стек слоев печатной платы служит основой всей конструкции, определяя фундамент для трассировки сигналов, распределения питания и электромагнитной совместимости (ЭМС). Для сложных печатных плат контроллеров RAID проектирование стека слоев вышло за рамки простого наложения слоев и превратилось в искусство балансирования производительности, стоимости и технологичности. Обычно такие печатные платы имеют от 12 до 20 слоев или даже больше.

Отличный дизайн стека слоев должен учитывать следующие факторы:

• Тесная связь между сигнальными слоями и опорными плоскостями: Высокоскоростные сигнальные слои (например, PCIe) должны прилегать к сплошной плоскости заземления (GND) или питания (PWR). Такая микрополосковая или полосковая структура обеспечивает четкий обратный путь, эффективно контролирует импеданс и снижает электромагнитное излучение.
• Симметричная и сбалансированная структура: Чтобы предотвратить деформацию во время производства и сборки печатной платы в условиях высоких температур, стек слоев должен быть максимально симметричным. Это означает, что распределение меди, толщина диэлектрика и типы материалов должны симметрично отражаться относительно центральной плоскости печатной платы.
• Стратегическое размещение слоев питания и заземления: Размещение слоев питания и заземления рядом друг с другом создает естественный параллельно-пластинчатый конденсатор, способствующий высокочастотной развязке. Несколько распределенных слоев заземления могут эффективно снизить импеданс заземления и повысить помехоустойчивость системы.
• Компромиссы при выборе материалов: Выбор правильных материалов для печатных плат является центральным элементом проектирования стека. Разработчики должны сбалансировать электрические характеристики (Dk, Df), тепловые свойства (Tg, Td, CTE) и стоимость. Например, материалы со сверхнизкими потерями могут использоваться для критически важных высокоскоростных каналов, в то время как стандартный FR-4 может применяться для некритических областей. Такой гибридный подход к стеку оптимизирует затраты без ущерба для производительности.
• Применение технологии межсоединений высокой плотности (HDI): Для размещения BGA-чипов с малым шагом (например, 0,4 мм) и обеспечения трассировки высокой плотности технология HDI PCB становится незаменимой. Используя микропереходы, просверленные лазером, и скрытые/глухие переходы, плотность трассировки может быть значительно улучшена без увеличения количества слоев, а также повышается целостность сигнала. Инженерная команда HILPCB тесно сотрудничает с клиентами для настройки оптимального решения по стеку, исходя из их конкретных целей по скорости, плотности и стоимости, гарантируя, что проект с самого начала будет построен на прочном фундаменте.

Как эффективно управлять тепловыми проблемами в печатных платах RAID-контроллеров?

Улучшения производительности часто сопровождаются увеличением энергопотребления и тепловыделения. SoC RAID-контроллеров, высокоскоростные чипы памяти DDR и VRM являются основными источниками тепла. Если тепло не может быть эффективно рассеяно, температура чипов будет расти, что приведет к троттлингу или даже повреждению от перегрева. Поэтому управление тепловым режимом является ключом к обеспечению долгосрочной стабильной работы печатных плат RAID-контроллеров.

Эффективные стратегии управления тепловым режимом многомерны:

• Оптимизация расположения компонентов: На этапе проектирования печатной платы основные тепловыделяющие компоненты (такие как SoC) следует размещать в областях с хорошим воздушным потоком. В то же время избегайте размещения чувствительных к температуре компонентов (таких как кварцевые резонаторы) рядом с источниками сильного тепла.
• Использование печатной платы для рассеивания тепла: Медная фольга печатной платы является отличным теплопроводником. Разрабатывая большие медные области заземления под SoC и плотно располагая тепловые переходные отверстия, тепло может быть быстро передано на внутренние и нижние слои печатной платы, где оно затем может быть рассеяно с помощью радиаторов. Для сильноточных областей, таких как VRM, использование толстой меди не только поддерживает более высокие токовые нагрузки, но и значительно улучшает рассеивание тепла.
• Выбор материалов с высокой теплопроводностью: Хотя и более дорогие, в некоторых экстремальных приложениях могут использоваться подложки печатных плат или термонаполнители с более высокой теплопроводностью для повышения общей эффективности рассеивания тепла.
• Совместная разработка с радиаторами: Дизайн печатной платы должен тесно соответствовать общей системе охлаждения сервера (например, каналам воздушного потока, вентиляторам, радиаторам). Например, открытые медные области на печатной плате (обычно на верхнем или нижнем слоях) должны быть плоскими для обеспечения хорошего контакта с радиаторами или термопрокладками.
• Анализ теплового моделирования: Проведение теплового моделирования на ранних этапах проектирования может предсказать распределение температуры на печатной плате, выявить горячие точки и оценить эффективность различных решений для охлаждения. Это позволяет инженерам оптимизировать дизайн до физического прототипирования, сокращая цикл разработки. Эти стратегии также применимы к другим устройствам хранения данных высокой плотности, таким как компактные печатные платы mSATA SSD, где тепловые проблемы в ограниченном пространстве столь же серьезны.

Получить предложение по печатным платам

Как DFM и надежность обеспечивают жизненный цикл продукта?

Идеально спроектированная печатная плата контроллера RAID все равно будет неудачной, если ее невозможно изготовить стабильно и с высоким выходом годных изделий. Проектирование для технологичности (DFM) и долгосрочная надежность — это мосты, соединяющие дизайн с реальными продуктами.

Ключевые аспекты DFM:

• Согласование производственных возможностей: Параметры проектирования (например, минимальная ширина/зазор дорожек, минимальный размер отверстий, размеры контактных площадок BGA) должны соответствовать производственным возможностям изготовителя. HILPCB предоставляет клиентам подробные рекомендации по правилам проектирования и заблаговременно выявляет потенциальные производственные риски на этапе проверки проекта.
• Конструкция контактных площадок и паяльной маски: Точные отверстия паяльной маски критически важны для пайки корпусов BGA и QFN высокой плотности. Ширина перемычек паяльной маски должна быть достаточной для предотвращения образования мостиков во время пайки.
• Проектирование панелизации: Для повышения эффективности производства несколько печатных плат часто объединяются в одну панель для изготовления. Правильное проектирование панелизации должно учитывать методы разделения, такие как V-образный надрез или отрывные язычки, а также технологические полоски и реперные знаки, предназначенные для машин SMT-монтажа.

Меры по обеспечению надежности:

• Соответствие стандартам IPC: Оборудование центров обработки данных обычно требует соответствия стандартам IPC-6012 Класс 2 или более строгим стандартам Класса 3. Класс 3 предъявляет более строгие требования к ширине проводника, размеру контактной площадки, качеству металлизированных сквозных отверстий и т.д., чтобы обеспечить долгосрочную надежность в суровых условиях.
• Долгосрочная стабильность материала: Выбор подложек с высокой температурой стеклования (Tg) и высокой температурой разложения (Td) гарантирует, что печатные платы сохраняют стабильные физические и электрические свойства даже после многократных циклов пайки оплавлением и длительной работы при высоких температурах.
• Комплексное электрическое тестирование: 100% электрическое тестирование является обязательным. Для многослойных печатных плат высокой плотности тесты летающими щупами обеспечивают гибкость, в то время как оснастка типа "ложе гвоздей" более эффективна для массового производства. Кроме того, измерения рефлектометрии во временной области (TDR) для контроля импеданса в каждой партии имеют решающее значение для обеспечения стабильной высокоскоростной производительности. Интегрируя DFM и соображения надежности на ранних этапах проектирования и сотрудничая с опытными производителями, такими как HILPCB, можно значительно снизить производственные риски, улучшить выход годных изделий и гарантировать стабильную производительность на протяжении всего жизненного цикла продукта.

## Каковы тенденции применения печатных плат RAID-контроллеров в будущих центрах обработки данных?

По мере того как центры обработки данных развиваются в сторону более высокой производительности, большей плотности и повышенной эффективности, печатные платы RAID-контроллеров и связанные с ними технологии также развиваются, чтобы соответствовать новым сценариям применения.

• Внедрение NVMe и коммутации PCIe: Традиционные интерфейсы SAS/SATA постепенно заменяются более быстрыми интерфейсами NVMe (Non-Volatile Memory Express). Будущие RAID-контроллеры будут все чаще брать на себя роли в коммутации PCIe и управлении NVMe, предъявляя более высокие требования к целостности сигнала печатной платы для поддержки сверхвысоких скоростей PCIe 5.0/6.0.
• Ускорение рабочих нагрузок ИИ и машинного обучения: Обучение и вывод ИИ требуют сверхбыстрого доступа к огромным наборам данных. Высокопроизводительные RAID-контроллеры, предоставляя пулы хранения с высокой пропускной способностью и низкой задержкой, становятся незаменимыми в серверах ИИ, напрямую влияя на эффективность обучения моделей.
• Рост вычислительного хранилища: Чтобы уменьшить перемещение данных между центральными процессорами и устройствами хранения, новая тенденция заключается в интеграции вычислительных возможностей непосредственно в хранилище. Будущие RAID-контроллеры могут включать больше функций обработки данных, таких как сжатие, шифрование и анализ данных, превращая их в более интеллектуальные «процессоры данных», а не просто «перемещатели данных».
• Разнообразные архитектуры хранения: Будущие центры обработки данных будут использовать гибридные архитектуры хранения. Высокопроизводительные решения DAS PCB будут продолжать играть роль в автономных серверах; крупномасштабные, масштабируемые системы Object Storage PCB будут обрабатывать огромные объемы неструктурированных данных; а конструкции Hybrid Storage PCB обеспечат оптимальный баланс между стоимостью и производительностью за счет интеллектуального многоуровневого хранения. Независимо от архитектуры, высокопроизводительные контроллерные печатные платы служат аппаратной основой. Даже простые соединения требуют высоконадежных HBA PCB. Тем временем, компактные модули хранения, такие как mSATA SSD PCB, также выиграют от более продвинутых технологий контроллеров.

Свяжитесь с нашей технической командой для технико-экономического обоснования

Заключение

Печатные платы контроллеров RAID являются жемчужиной современных технологий хранения данных в центрах обработки данных. В компактном пространстве они объединяют высокоскоростную цифровую логику, точное управление питанием и эффективные пути теплопроводности. Сложность их проектирования и производства представляет собой вершину современной индустрии печатных плат. От решения проблем целостности сигнала PCIe Gen5/Gen6 до создания надежных сетей распределения питания, от усовершенствованного теплового менеджмента до тщательного проектирования стека слоев — каждый аспект напрямую влияет на безопасность, производительность и надежность центров обработки данных.

Решение этих задач требует глубоких технических знаний, современного производственного оборудования и строгих процессов контроля качества. Highleap PCB Factory (HILPCB) стремится быть вашим самым надежным партнером в области высокопроизводительных вычислений и хранения данных. Мы не только предоставляем услуги по производству печатных плат, соответствующие самым высоким отраслевым стандартам, но также предлагаем инженерную поддержку на ранних этапах и комплексное тестирование, чтобы помочь клиентам снизить риски на стадии проектирования и ускорить вывод продукции на рынок. Если вы разрабатываете печатные платы контроллеров RAID следующего поколения или другое высокопроизводительное серверное оборудование, наша команда экспертов готова вам помочь.

Related links

• quote