Благодаря искусственному интеллекту (ИИ), высокопроизводительным вычислениям (HPC) и облачной инфраструктуре современные центры обработки данных переживают экспоненциальный рост вычислительных потребностей. В основе этого роста лежат беспрецедентные скорости обмена данными между процессорами, а также между процессорами и ускорителями. Технология Intel Ultra Path Interconnect (UPI) была разработана для удовлетворения этого спроса, и печатная плата интерфейса UPI, несущая эту критически важную технологию, служит физической основой для максимизации потенциала многосокетных серверных систем. Проектирование и производство печатной платы UPI, способной стабильно поддерживать скорости, превышающие 20 ГТ/с, является комплексной инженерной задачей, включающей целостность высокоскоростного сигнала, целостность питания, тепловое управление и прецизионное производство. Являясь ключевым компонентом аппаратного обеспечения центров обработки данных, производительность печатной платы интерфейса UPI напрямую определяет эффективность и надежность всего серверного кластера. В отличие от потребительских печатных плат, она должна обрабатывать массивную пропускную способность данных и энергопотребление при чрезвычайно высокой плотности, со сложностью проектирования, сравнимой с новыми печатными платами PCIe Gen6 или NVLink. Эта статья служит вашим техническим руководством, углубляясь в ключевые аспекты проектирования и производства печатных плат интерфейса UPI и демонстрируя, как HILPCB использует свой глубокий опыт, чтобы помочь клиентам решать эти задачи.

Обзор интерфейса UPI: Технология межсоединений ЦП за пределами QPI

Прежде чем углубляться в проектирование печатных плат, нам сначала нужно понять, что такое UPI. UPI - это технология межпроцессорных соединений точка-точка от Intel, введенная для замены предыдущего поколения QPI (QuickPath Interconnect). Разработанная для многосокетных серверов, она направлена на обеспечение высокоскоростной связи с низкой задержкой между ЦП при сохранении когерентности кэша.

Основные преимущества UPI включают:

• Более высокая пропускная способность: UPI 2.0 достигает скорости до 11,2 ГТ/с, в то время как новейший UPI 3.0 еще больше улучшает это, предоставляя необходимые пути передачи данных для интенсивных рабочих нагрузок, таких как ИИ и анализ данных.
• Повышенная эффективность: Улучшенные протокольные уровни и состояния управления питанием (например, L1) обеспечивают более высокую энергоэффективность при эквивалентной пропускной способности.
• Масштабируемость: Поддерживает гибкие топологии, позволяя нескольким процессорам эффективно работать вместе и создавать мощные вычислительные узлы.

Эти улучшения производительности предъявляют строгие требования к печатным платам (ПП). Поскольку частоты сигналов входят в диапазон ГГц, даже незначительные дефекты конструкции могут привести к искажению сигнала, ошибкам данных или даже сбоям системы. Таким образом, профессиональная ПП интерфейса UPI - это далеко не простой носитель компонентов, а тщательно спроектированный и смоделированный высокопроизводительный инженерный продукт.

Целостность высокоскоростного сигнала (SI): Краеугольный камень проектирования ПП интерфейса UPI

Целостность сигнала (SI) имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы электрические сигналы сохраняли свое качество во время передачи по трассам ПП без искажений. Для таких интерфейсов, как UPI, которые работают на скоростях в десятки ГТ/с, SI является главным приоритетом при проектировании.

• Трассировка дифференциальных пар и контроль импеданса: Сигналы UPI передаются через дифференциальные пары, используя подавление синфазных помех для сопротивления шуму. Конструкции ПП должны обеспечивать строгое согласование длины дифференциальных пар (обычно в пределах нескольких мил) для контроля временного перекоса. Одновременно дифференциальный импеданс должен точно контролироваться в пределах ±5% от целевого значения (обычно 85-100 Ом). Это требует точного проектирования стека слоев, контроля ширины/расстояния трасс и использования высокоскоростных материалов для ПП со стабильной и низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) и коэффициентом рассеяния (Df).

• Вносимые потери и перекрестные помехи: Сигналы испытывают затухание из-за диэлектрических и проводниковых потерь во время передачи, известное как вносимые потери. Для минимизации этих потерь в проектах часто используются более широкие трассы, более гладкая медная фольга (например, VLP/HVLP) и подложки со сверхнизкими потерями. Перекрестные помехи (crosstalk) относятся к электромагнитной связи между соседними сигнальными линиями, которая может серьезно мешать высокоскоростным сигналам. Увеличение расстояния между трассами (обычно рекомендуется более чем в 3 раза превышающее ширину трассы), использование заземленных экранирующих трасс и оптимизация стека слоев могут эффективно подавлять перекрестные помехи. Эти принципы также применимы к высокоплотным конструкциям NVLink PCB.

• Оптимизация переходных отверстий: В многослойных печатных платах переходные отверстия (vias) являются основными путями для переходов сигнальных слоев, но они также вносят разрывы импеданса и потери. Остатки переходных отверстий (via stubs) могут вызывать отражения сигнала, что особенно проблематично на высоких частотах. Поэтому для UPI Interface PCB обратное сверление для удаления неиспользуемых остатков является почти стандартной практикой. Кроме того, оптимизация размеров контактных площадок и анти-площадок переходных отверстий, а также использование микропереходных отверстий, может значительно улучшить производительность целостности сигнала (SI).

Получить предложение по печатным платам

Расширенная конструкция стека слоев: балансировка сигнала, питания и стоимости

Конструкция стека слоев печатной платы служит основой для высокоскоростного проектирования. Для типичной печатной платы с интерфейсом UPI количество слоев обычно варьируется от 16 до 24 или даже больше. Хорошо спроектированная структура стека слоев может:

1. Обеспечить достаточное пространство для трассировки: Предложить выделенные слои трассировки для высокоплотных каналов UPI, DDR и PCIe.
2. Обеспечить целостность опорного сигнала: Разместить высокоскоростные сигнальные слои между непрерывными плоскостями заземления (GND) или питания (PWR) для формирования стриплайновой структуры. Это обеспечивает четкие обратные пути, снижая электромагнитные помехи (EMI) и перекрестные наводки.
3. Оптимизировать распределение питания: Использовать несколько плоскостей питания и заземления для построения низкоимпедансной сети распределения питания (PDN). Что касается выбора материалов, хотя стандартные материалы FR-4 экономичны, их более высокий коэффициент рассеяния (Df) может вызывать значительное затухание сигнала на рабочих частотах UPI. Поэтому в отрасли обычно используются ламинатные материалы с низкими или сверхнизкими потерями, такие как Tachyon 100G, Megtron 6/7/8 и т. д. Хотя эти материалы дороже, они критически важны для обеспечения качества сигнала на больших расстояниях и высоких скоростях. Профессиональные поставщики печатных плат, такие как HILPCB, рекомендуют оптимальную комбинацию материалов на основе конкретного бюджета канала связи и целевых затрат клиента.

Целостность питания (PI): Обеспечение стабильного "топлива" для высокопроизводительных процессоров

Современные серверные процессоры потребляют сотни ватт и генерируют массивные переходные токи (dI/dt) во время переходов состояний. Цель целостности питания (PI) состоит в том, чтобы обеспечить поддержание напряжения питания процессора в пределах чрезвычайно жестких допусков (обычно ±3%) при любых условиях нагрузки.

• Низкоимпедансная сеть распределения питания (PDN): Суть конструкции заключается в создании пути со сверхнизким импедансом от модуля регулятора напряжения (VRM) до сокета процессора. Это обычно достигается путем включения нескольких больших плоскостей питания и заземления в структуру печатной платы, которые действуют как массивные параллельные пластинчатые конденсаторы, обеспечивая локальное накопление энергии для высокочастотных переходных токов.

• Стратегия развязывающих конденсаторов: Плотное размещение развязывающих конденсаторов различных номиналов вокруг и на обратной стороне сокета ЦП критически важно для проектирования PI. Конденсаторы большой емкости (от нескольких до десятков мкФ) обрабатывают низкочастотные токовые запросы, в то время как малоемкостные керамические конденсаторы с низким ESL (диапазон нФ-пФ) фильтруют высокочастотные шумы. Размещение, тип и количество конденсаторов должны быть точно определены с помощью PI-симуляций.

• Размещение VRM: VRM следует размещать как можно ближе к сокету ЦП, чтобы сократить путь тока, тем самым уменьшая сопротивление и индуктивность вдоль этого пути. Это также ключевое проектное соображение для печатной платы интерфейса OMI, которая требует стабильной подачи высокого тока.

Надежное проектирование PI не только обеспечивает стабильную работу ЦП, но и эффективно минимизирует помехи от шума источника питания высокоскоростным сигналам UPI, делая его столь же важным, как и SI, при проектировании печатной платы интерфейса UPI.

Получить предложение по печатной плате

Прецизионное управление тепловым режимом: Решение проблем охлаждения, вызванных ростом TDP

По мере увеличения количества ядер и частот ЦП, их расчетная тепловая мощность (TDP) превысила 400 Вт, и в будущем ожидаются еще более высокие значения. Платы UPI Interface PCB должны не только питать ЦП, но и служить неотъемлемой частью общего теплового решения.

• Материалы для улучшения теплоотвода: Внутри печатной платы боковая теплопроводность может быть улучшена за счет использования утолщенных медных слоев (Heavy Copper) для равномерного рассеивания тепла из высокотемпературных областей, таких как ЦП и VRM. В экстремальных случаях могут быть применены такие технологии, как встроенные медные монеты (Copper Coin) или тепловые трубки, для непосредственного отвода тепла к радиатору.

• Тепловые переходные отверстия (Thermal Vias): Плотно расположенные тепловые переходные отверстия под сокетом ЦП и VRM могут создавать путь с низким термическим сопротивлением от чипа к радиатору на другой стороне печатной платы.

• Оптимизация компоновки и тепловое моделирование: На этапе проектирования анализ теплового моделирования (CFD) может предсказать распределение горячих точек на печатной плате, что позволяет оптимизировать размещение компонентов для обеспечения того, чтобы сильно нагревающиеся компоненты не были чрезмерно сконцентрированы, и для достижения оптимального потока охлаждающего воздуха. Этот подход к проектированию, основанный на моделировании, особенно важен для новых печатных плат с интегрированной оптикой (Co-packaged Optics PCBs), поскольку лазеры и фотонные чипы очень чувствительны к температуре.

Проектирование для технологичности (DFM): Мост от проектирования к массовому производству

Теоретически идеальная конструкция печатной платы с интерфейсом UPI не имеет ценности, если ее невозможно изготовить экономически эффективно. Анализ проектирования для технологичности (DFM) является ключевым звеном, связывающим проектирование с реальным производством.

Основные производственные параметры для печатных плат с интерфейсом UPI

Параметр	Типичные возможности отрасли	Расширенные возможности HILPCB

Влияние на производительность Минимальная ширина/зазор дорожки 3/3 mil (75/75 µm) До 2/2 mil (50/50 µm) Поддерживает трассировку с более высокой плотностью Минимальный диаметр отверстия, просверленного лазером 75 µm 50 µm Позволяет создавать более сложные [HDI-конструкции](/products/hdi-pcb) Точность выравнивания ламинирования ±3 mil ±2 mil Обеспечивает надежность переходных отверстий и согласованность импеданса Поверхностная обработка ENIG, OSP ENEPIG, иммерсионное серебро/олово Улучшает высокочастотные характеристики и паяемость

Раннее общение с производителями печатных плат имеет решающее значение. Инженерная команда HILPCB предоставляет клиентам профессиональные обзоры DFM, выявляя потенциальные производственные риски, такие как уменьшенные контактные площадки, неразумные схемы переходных отверстий и кислотные ловушки, которые могут снизить выход годных изделий. Это позволяет оптимизировать дизайн до его окончательной доработки, избегая дорогостоящих изменений в дальнейшем.

Получить предложение по печатной плате

Новые тенденции в технологиях межсоединений и эволюция UPI

Технологическая эволюция в центрах обработки данных никогда не останавливается. В то время как UPI доминирует в области межсоединений ЦП, другие высокоскоростные интерфейсные технологии быстро развиваются, совместно формируя будущий ландшафт проектирования серверных печатных плат.

• Печатная плата PCIe Gen6: Поскольку стандарт PCI Express 6.0 использует сигнализацию PAM4 (4-уровневая импульсно-амплитудная модуляция), его скорость передачи данных удваивается до 64 ГТ/с. Это предъявляет более высокие требования к отношению сигнал/шум (SNR) печатной платы и конструкции выравнивания канала по сравнению с сигнализацией NRZ, требуя меньших потерь и более точного контроля импеданса.
• NVLink PCB: Будучи высокоскоростной шиной межсоединений между графическими процессорами NVIDIA, ее последняя версия обеспечивает поразительную пропускную способность. Проектирование NVLink PCB требует обработки сотен высокоскоростных дифференциальных пар при чрезвычайно высоких плотностях, что создает значительные проблемы для трассировки и планирования стека слоев.
• Оптические межсоединения: Когда расстояния передачи превышают возможности серверного шасси, потери в медных проводах становятся непреодолимыми. Появляются такие технологии, как Co-packaged Optics PCB (CPO) и Linear Optics PCB (LPO). CPO интегрирует оптические движки с ASIC, резко сокращая пути электрических сигналов, но при этом возникают сложные проблемы оптоэлектронной интеграции и теплового управления. Тем временем, Linear Optics PCB направлена на снижение энергопотребления и затрат за счет упрощения конструкции оптического модуля.
• OMI Interface PCB: Интерфейс Open Memory Interface (OMI) предоставляет еще одну опцию для подключения ЦП к высокоскоростной памяти, в равной степени полагаясь на высокопроизводительные печатные платы для обеспечения низкой задержки и высокой пропускной способности.

Хотя эти новые технологии служат различным приложениям, их основные требования к печатным платам - низкие потери, высокая точность и высокая надежность - совпадают с требованиями UPI Interface PCB. Опыт и технические возможности, полученные в проектах UPI, могут быть беспрепятственно перенесены на разработку продуктов следующего поколения.

Как HILPCB поддерживает ваш проект UPI Interface PCB

Являясь ведущим поставщиком решений для печатных плат, HILPCB глубоко понимает сложности и вызовы, связанные с печатными платами интерфейса UPI. Мы предлагаем комплексные услуги от прототипирования до массового производства, обеспечивая успешную реализацию вашего проекта.

• Расширенная библиотека материалов и опыт: Мы располагаем ведущими в отрасли материалами со сверхнизкими потерями и обширными данными о свойствах материалов, чтобы помочь вам сделать наиболее экономически эффективный выбор.
• Передовые производственные процессы: Наши заводы оснащены современным оборудованием, способным обеспечить контроль импеданса ±5%, точный контроль глубины обратного сверления и возможности производства тонких линий 2/2 мил, что соответствует самым строгим требованиям к дизайну.
• Комплексная инженерная поддержка: Мы предоставляем бесплатный анализ DFM/DFA и профессиональные услуги по моделированию SI/PI, чтобы помочь оптимизировать ваш дизайн и снизить риски перед производством. Будь то проблемы PAM4 для печатных плат PCIe Gen6 или требования к точности NRZ для печатных плат интерфейса UPI, наша команда предоставляет экспертные консультации.
• Строгий контроль качества: Мы используем рефлектометрию во временной области (TDR) для тестирования импеданса, автоматическую оптическую инспекцию (AOI) и рентгеновскую инспекцию для обеспечения качества каждой печатной платы, а также можем предоставить комплексные отчеты о надежности по запросу клиента. Мы также предлагаем полные услуги по сборке под ключ для обеспечения согласованности и высокого качества от голых плат до готовых изделий.

Заключение

Интерфейсная печатная плата UPI служит сердцем современных серверов центров обработки данных, и успех ее проектирования и производства напрямую влияет на производительность, стабильность и энергоэффективность всей вычислительной системы. Это не просто печатная плата, а кульминация материаловедения, теории электромагнитных полей, термодинамики и процессов точного производства. От целостности высокоскоростных сигналов и сетей распределения питания до теплового менеджмента и технологичности производства, каждый аспект представляет собой вызовы, требующие глубоких знаний и обширного практического опыта. В условиях постоянно растущих скоростей передачи данных и увеличения сложности систем выбор технически грамотного и опытного партнера имеет решающее значение. HILPCB, обладая многолетним опытом в области высокоскоростных печатных плат высокой плотности, стремится предоставлять продукты и услуги высочайшего качества, помогая вам справляться с трудностями и успешно создавать высокопроизводительные вычислительные платформы следующего поколения. Если вы планируете или разрабатываете проект, связанный с печатной платой интерфейса UPI, свяжитесь с нашей технической командой сегодня, и давайте работать вместе, чтобы воплотить ваше дизайнерское видение в реальность.

Related links

• высокоскоростных материалов для ПП
• утолщенных медных слоев
• HDI-конструкции
• услуги по сборке под ключ