UFS PCB: Решение проблем высокой скорости и высокой плотности серверных печатных плат для центров обработки данных

В эпоху, когда данные генерируются, обрабатываются и хранятся с беспрецедентной скоростью, узкие места производительности оборудования центров обработки данных и серверов смещаются от вычислений к хранению и межсоединениям. Universal Flash Storage (UFS), как высокопроизводительный интерфейс хранения нового поколения, быстро заменяет традиционный eMMC, становясь предпочтительным выбором для загрузочных дисков серверов, кэш-уровней и устройств периферийных вычислений. Однако, чтобы полностью раскрыть потенциал UFS, его физическая основа — UFS PCB — должна решать беспрецедентные задачи проектирования, связанные с высокой скоростью и высокой плотностью. Хорошо спроектированная UFS PCB является ключом к обеспечению целостности данных, стабильности системы и долгосрочной надежности.

Эта статья служит вашим техническим руководством, углубляясь в основные инженерные принципы, необходимые для создания высокопроизводительных UFS PCB. С точки зрения архитектора центра обработки данных мы проанализируем целостность высокоскоростных сигналов, сети распределения питания (PDN), тепловое управление и передовые производственные технологии. Кроме того, мы покажем, как Highleap PCB Factory (HILPCB) использует свой глубокий технический опыт, чтобы помочь клиентам справиться с этими сложностями и предоставить исключительные решения для хранения данных.

Что такое UFS PCB и ее ключевая роль в современных центрах обработки данных?

Плата UFS PCB — это печатная плата, специально разработанная для размещения устройств хранения UFS и их контроллеров. В отличие от обычных печатных плат, она высоко оптимизирована для соответствия высокоскоростному, маломощному, полнодуплексному последовательному интерфейсу (на основе MIPI M-PHY), определенному стандартами UFS, такими как UFS 3.1 и UFS 4.0. Эти платы являются не просто носителями для физических соединений, но и точно спроектированными системами, которые обеспечивают качество сигнала, стабильность питания и эффективное рассеивание тепла.

В современных центрах обработки данных платы UFS PCB повсеместно распространены, и их основные роли отражены в следующих аспектах:

1. Загрузочные диски серверов: UFS предлагает более быстрое время загрузки и меньшее энергопотребление по сравнению с SATA SSD. Надежность плат UFS PCB напрямую влияет на доступность всего сервера.
2. Высокоскоростные кэш-уровни: В многоуровневых архитектурах хранения данных устройства UFS используются в качестве быстрых кэшей для "горячих" данных. Высокопроизводительная плата UFS PCB минимизирует задержки и повышает отзывчивость баз данных и приложений виртуализации.
3. Контроллеры массивов хранения: В централизованных системах хранения, таких как Network-Attached Storage (NAS) и Storage Area Networks (SAN), UFS может использоваться для хранения метаданных или ведения журналов. Поэтому, будь то проектирование плат для файлового хранилища или плат для блочного хранилища, интеграция модулей UFS является критически важным шагом для повышения общей производительности.
4. Узлы граничных вычислений (Edge Computing): В граничных устройствах пространство и мощность ценны. Компактные и эффективные конструкции печатных плат UFS делают их идеальными для обработки данных в реальном времени.

По сути, потолок производительности любой системы, требующей быстрого и надежного флэш-накопителя, ограничен качеством ее базовой печатной платы UFS.

С какими уникальными проблемами сталкивается целостность высокоскоростного сигнала печатных плат UFS?

Поскольку стандарт UFS 4.0 доводит скорость передачи данных по одной линии до поразительных 23,2 Гбит/с, целостность сигнала (SI) стала самой серьезной проблемой в проектировании печатных плат UFS. На таких скоростях трассы печатных плат перестают быть простыми проводниками и превращаются в сложные системы линий передачи, где даже незначительные дефекты могут привести к ошибкам данных и сбоям системы.

Ключевые проблемы включают:

• Строгий контроль дифференциального импеданса: UFS использует высокоскоростные дифференциальные пары (TX/RX) для передачи данных. Чтобы минимизировать отражения и искажения, импеданс этих трасс должен быть точно контролируем в пределах 100 Ом (или других значений, указанных стандартом), при этом допуски обычно должны быть в пределах ±7%. Это требует тщательного проектирования стека слоев, выбора материалов и контроля производственного процесса.
• Вносимые потери: Когда сигналы распространяются по линиям передачи, их энергия ослабляется из-за диэлектрических потерь и потерь в проводнике. Для сигналов на большие расстояния или высокочастотных сигналов вносимые потери могут привести к тому, что амплитуды сигналов будут слишком низкими для правильного распознавания приемником. Выбор сверхнизкопотерьных высокоскоростных материалов для печатных плат является ключом к решению этой проблемы.
• Перекрестные помехи: Высокоскоростные сигналы генерируют электромагнитную связь между соседними дорожками, что приводит к шумовым помехам. На плотно упакованных печатных платах UFS перекрестные помехи должны строго контролироваться путем оптимизации расстояния между дорожками, использования стриплайновых структур и планирования заземляющего экранирования.
• Синхронизация и перекос: Длины двух дорожек в дифференциальной паре должны быть точно согласованы, чтобы сигналы поступали на приемник одновременно. Любое несоответствие длины (перекос) может нарушить способность дифференциальных сигналов подавлять синфазный шум, вводя джиттер.

Решение этих проблем требует глубоких знаний в области радиочастотной и микроволновой техники, а также передовых инструментов моделирования. На заводе Highleap PCB (HILPCB) наши инженеры используют такие инструменты, как Ansys HFSS и Keysight ADS, для предпроизводственного моделирования, чтобы гарантировать достижение оптимальной производительности конструкций перед изготовлением.

Почему усовершенствованная конструкция стека является краеугольным камнем производительности печатных плат UFS?

Если материалы — это «плоть и кровь» печатной платы UFS, то конструкция стека — это ее «скелет». Хорошо спроектированный стек является необходимым условием для достижения хорошей целостности сигнала, целостности питания и контроля электромагнитных помех. Он определяет импеданс трасс, пути распространения сигнала и распределение питания и земли.

Типовая конструкция стека многослойной печатной платы UFS следует этим принципам:

• Симметрия и баланс: Чтобы предотвратить деформацию во время производства и сборки печатной платы, структура стека должна оставаться симметричной.
• Тесная связь между сигнальными слоями и опорными плоскостями: Высокоскоростные сигнальные слои должны прилегать к полной, непрерывной плоскости земли (GND) или питания (PWR). Это обеспечивает четкий, низкоиндуктивный обратный путь для сигналов, что является ключом к контролю импеданса и уменьшению перекрестных помех.
• Сопряжение слоев питания и земли: Размещение слоев питания и земли близко друг к другу образует естественный параллельно-пластинчатый конденсатор, обеспечивая низкоимпедансное питание всей печатной платы и помогая подавлять высокочастотные шумы.
• Изоляция чувствительных сигналов: Высокоскоростные сигналы UFS, тактовые сигналы и низкоскоростные управляющие сигналы должны быть размещены на разных сигнальных слоях и изолированы земляными плоскостями для предотвращения взаимных помех.
• Выбор материала сердечника: Выбирайте материалы с соответствующей диэлектрической проницаемостью (Dk) и коэффициентом рассеяния (Df) в зависимости от класса скорости и целевых затрат UFS. Например, UFS 4.0 обычно требует материалов со сверхнизкими потерями, таких как Tachyon 100G или Megtron 6.

Неудачный дизайн стека может существенно ухудшить производительность печатной платы, и его трудно исправить позже. Поэтому сотрудничество с опытным производителем, таким как HILPCB, на ранних этапах проекта для определения оптимального стека является критически важным шагом для успеха.

Получить предложение по печатной плате

Как спроектировать эффективную сеть распределения питания (PDN) для UFS?

Устройства UFS, особенно их контроллеры, очень чувствительны к качеству питания. Они работают при низких напряжениях (например, 1,2 В или 1,8 В), но высокоскоростное переключение их внутренних логических элементов генерирует значительные переходные токовые нагрузки. Плохо спроектированная сеть распределения питания (PDN) может привести к падениям напряжения (IR Drop) и шуму на шине питания, вызывая ошибки данных или даже зависания устройства.

Эффективные стратегии проектирования PDN включают:

1. Анализ целевого импеданса: Основная цель проектирования PDN — поддерживать импеданс сети питания ниже чрезвычайно низкого целевого значения в широком диапазоне частот (от постоянного тока до нескольких ГГц). Это обычно достигается с помощью инструментов моделирования PDN.
2. Иерархическая сеть развязывающих конденсаторов: Ни один отдельный конденсатор не эффективен во всех частотных диапазонах. Поэтому требуется комбинация конденсаторов с различными значениями и корпусами:
   • Объемные конденсаторы (десятки-сотни мкФ): Размещаются рядом с VRM для обеспечения низкочастотного тока.
   • Керамические конденсаторы средней емкости (1-10 мкФ): Распределяются по печатной плате для подавления среднечастотного шума.
   • Керамические конденсаторы малой емкости (0,1 мкФ-1 нФ): Размещаются как можно ближе к выводам питания чипа UFS для фильтрации высокочастотного шума.
3. Широкие, непрерывные плоскости питания и заземления: Использование сплошных слоев плоскостей для распределения питания и заземления обеспечивает путь с наименьшей индуктивностью, формируя основу для PDN с низким импедансом.
4. Оптимизированное размещение VRM: Размещение модуля регулятора напряжения (VRM) как можно ближе к устройству UFS сокращает пути сильного тока, уменьшая падение IR.

Будь то для SAN PCB в корпоративных хранилищах или NAS PCB для домашнего и малого офисного использования, стабильное питание является жизненно важным для надежной работы. Профессиональные услуги по проектированию и анализу PDN гарантируют, что ваш продукт останется стабильным при различных рабочих нагрузках.

Какие существуют стратегии терморегулирования для печатных плат UFS?

Производительность и тепло — неразлучные близнецы. Устройства UFS генерируют значительное тепло во время высокоскоростных операций чтения/записи, которое в основном концентрируется в контроллере и чипах флэш-памяти NAND. Если тепло не может быть эффективно рассеяно, температура чипа быстро возрастет, что приведет к двум серьезным последствиям:

• Дросселирование производительности: Чтобы предотвратить повреждение от перегрева, контроллер UFS автоматически снизит свою рабочую частоту, что приведет к значительному падению скоростей чтения/записи.
• Снижение срока хранения данных: Длительная работа при высоких температурах ускоряет утечку заряда в ячейках флэш-памяти NAND, сокращая время хранения данных и срок службы устройства.

Поэтому эффективные стратегии терморегулирования должны быть интегрированы на этапе проектирования печатных плат UFS:

• Тепловые переходные отверстия: Плотное расположение переходных отверстий в массиве контактных площадок под тепловыделяющими чипами для быстрого отвода тепла к внутренним заземляющим или силовым слоям печатной платы. Эти медные слои большой площади могут действовать как радиаторы, способствуя рассеиванию тепла.
• Использование материалов с высокой теплопроводностью: Выбирайте материалы подложки печатной платы с более высокой теплопроводностью (ТП) или используйте технологии высокотеплопроводных печатных плат, такие как встроенные медные монеты, в определенных областях.
• Оптимизация расположения компонентов: Размещайте устройства UFS в областях шасси с хорошим воздушным потоком, избегая размещения после других сильно нагревающихся компонентов (например, CPU или GPU).
• Обработка поверхности: Используйте процессы обработки поверхности, которые облегчают рассеивание тепла и обеспечивают гладкую и плоскую контактную поверхность с радиаторами.

Благодаря анализу теплового моделирования можно предсказать распределение горячих точек на печатной плате, что позволяет на ранней стадии оптимизировать тепловую конструкцию для обеспечения работы устройств UFS в их оптимальном температурном диапазоне.

Применение и различия UFS-печатных плат в различных архитектурах хранения данных

Хотя основные принципы проектирования UFS-печатных плат остаются неизменными, их акцент в проектировании варьируется в зависимости от различных архитектур систем хранения данных.

• NAS PCB (Network-Attached Storage): Устройства NAS обычно используются для совместного доступа к файлам и резервного копирования и чувствительны к стоимости. Дизайн печатной платы для файлового хранилища акцентирует внимание на контроле затрат за счет оптимизированного стека слоев и выбора материалов, при этом соответствуя требованиям к производительности. Надежность является главным приоритетом, что делает проектирование PDN и управление тепловым режимом особенно критичными.
• SAN PCB (Storage Area Network): SAN обеспечивает блочное хранение, в основном для высокопроизводительных приложений, таких как базы данных и виртуализация, с жесткими требованиями к задержке и пропускной способности. Таким образом, при проектировании печатных плат SAN не экономят, используя материалы со сверхнизкими потерями и более сложный стек слоев для обеспечения исключительной целостности сигнала.
• Storage Fabric PCB (Сеть хранения данных): Это продукт эволюции современных центров обработки данных в сторону объединения ресурсов и дезагрегированных архитектур. В качестве объединительных плат или коммутационных плат, соединяющих вычислительные узлы и узлы хранения, печатные платы Storage Fabric должны обрабатывать огромные объемы высокоскоростного трафика UFS и NVMe-oF (NVMe over Fabrics). Эти печатные платы больше, с более длинными трассами, что создает наибольшие проблемы для целостности сигнала. Часто требуются усовершенствованные ретаймеры и микросхемы кондиционирования сигнала.

Независимо от применения — от автономных печатных плат для блочного хранения до сложных матриц коммутации хранилищ — HILPCB предлагает всестороннюю поддержку от прототипирования до массового производства, гарантируя, что ваш дизайн соответствует уникальным требованиям конкретных сценариев использования.

Ранний обзор DFM: Общайтесь с производителями на ранних этапах, чтобы убедиться, что конструкция обладает хорошей технологичностью.