Visitor Location Register: Преодоление проблем высокой скорости и плотности печатных плат серверов дата-центров

В грандиозной схеме сетей связи 5G и будущих поколений каждая миллисекунда задержки и каждый переданный бит имеют критическое значение. Как ключевой компонент нервной системы мобильных сетей связи, Visitor Location Register (VLR) и его эволюционная форма в эпоху 5G — функция управления доступом и мобильностью (AMF) — играют решающую роль в обеспечении бесперебойного соединения и роуминга для триллионов устройств по всему миру. Однако реализация этой функциональности перешла от традиционных специализированных телекоммуникационных устройств к виртуализированному программному обеспечению, работающему на высокопроизводительных серверах дата-центров. Это фундаментальное преобразование сместило фокус проблем непосредственно на печатные платы (PCB), которые поддерживают эти сложные вычисления — они являются физической основой, определяющей производительность, надежность и масштабируемость сети.

Основные функции VLR и его развитие в архитектуре 5G

В эпоху 2G/3G/4G Visitor Location Register представлял собой базу данных, тесно интегрированную с Mobile Switching Center (MSC), и его основной задачей было временное хранение информации о подписке, данных о местоположении и параметрах аутентификации пользователей в роуминге. Когда пользователь попадал в новую зону обслуживания MSC, VLR получал данные из Home Location Register (HLR) пользователя, что позволяло осуществлять локальную обработку вызовов и управление мобильностью, избегая частых удаленных запросов к центральной базе данных сети. В этом процессе VLR должен был взаимодействовать с PCB центра аутентификации для проверки легитимности пользователей; также он запрашивал Реестр идентификации оборудования (EIR), чтобы подтвердить действительность мобильных устройств и предотвратить доступ украденных или неавторизованных устройств к сети.

В эпоху 5G, по мере перехода архитектуры сети к сервис-ориентированным (SBA) и облачным решениям, самостоятельная физическая форма VLR исчезла. Его ключевые функции — управление мобильностью, регистрация и управление доступностью — были интегрированы в AMF (Access and Mobility Management Function) в рамках 5G Core (5GC). Это изменение означает, что задачи, которые ранее выполнялись специализированным оборудованием, теперь обрабатываются высокосложным программным обеспечением, работающим на коммерческих серверах (COTS). Поэтому сегодня под «аппаратным обеспечением VLR» фактически понимаются высокопроизводительные PCB Packet Core, поддерживающие всю сеть 5G Core. Эти печатные платы должны справляться с беспрецедентной пропускной способностью данных и сигнальными штормами, обеспечивая надежную основу для стабильной работы сети.

От специализированных узлов к облачным решениям: радикальные изменения для аппаратного обеспечения PCB

Переход от специализированных телекоммуникационных устройств к облачным серверам предъявил революционные требования к концепциям и технологиям проектирования печатных плат. Традиционное телекоммуникационное оборудование обычно использует специализированные ASIC и сетевые процессоры, где проекты PCB, хотя и сложные, относительно фиксированы и имеют четкие цели оптимизации. В облачной архитектуре серверные PCB, на которых работает AMF (бывшая функциональность VLR), должны обладать исключительной универсальностью, масштабируемостью и вычислительной плотностью.

Это преобразование влечет за собой несколько ключевых проблем:

1. Резкое увеличение вычислительной плотности: Современные серверные процессоры имеют сотни ядер, дополненных FPGA и интеллектуальными сетевыми картами (SmartNICs) для ускорения трафика, все это интегрировано на одной материнской плате. Это требует чрезвычайно высокой плотности разводки PCB, часто превышающей 20 слоев, чтобы разместить десятки тысяч точек соединения и сложные сети питания.
2. Взрывной рост пропускной способности I/O: AMF требует высокоскоростного взаимодействия с другими функциями в ядре сети (например, SMF, UDM, AUSF) и с огромным количеством устройств Radio Access Network (RAN). Это означает, что серверные PCB должны поддерживать несколько каналов Ethernet 100/200/400 Gbps и использовать высокоскоростные шины, такие как PCIe 5.0/6.0, для соединения внутренних компонентов.
3. Неизменные требования к надежности: Несмотря на переход к универсальным серверам в качестве аппаратной платформы, требование к надежности телекоммуникационного уровня "пять девяток" (99,999%) остается неизменным. Это предъявляет строгие стандарты к выбору материалов для печатных плат, производственным процессам и долгосрочной стабильности. Даже при возникновении проблем с подключением в Small Cell PCB на периферии, стабильность ядра сети не должна быть никоим образом затронута.

Целостность сигнала (SI) на высоких скоростях: Освоение проектирования печатных плат в эпоху 224 Гбит/с

На материнских платах серверов, поддерживающих функции VLR/AMF, данные перемещаются с поразительной скоростью. Технология сигнализации PAM4 на 224 Гбит/с уже обсуждается и постепенно внедряется в отрасли, что создает беспрецедентные проблемы для целостности сигнала (SI) печатных плат. Даже незначительные дефекты проектирования, такие как несоответствие импеданса, остатки переходных отверстий или потери материала, могут вызвать серьезные искажения сигнала, привести к значительным битовым ошибкам и, в конечном итоге, к перебоям в работе сети.

Для решения этих задач проектирование печатных плат должно использовать ряд передовых технологий:

• Материалы с ультранизкими потерями: Традиционные материалы FR-4 демонстрируют чрезмерные потери на высоких частотах и больше не соответствуют требованиям. Разработчики должны перейти на ламинаты с ультранизкими (Very Low Loss) или чрезвычайно низкими (Extremely Low Loss) потерями, такие как Megtron 7 и Tachyon 100G. Эти материалы значительно снижают затухание сигнала при передаче. Для высокоскоростных печатных плат, стремящихся к максимальной производительности, выбор материала — это первый шаг к успеху.
• Точная трассировка и моделирование: Длина, расстояние, изгибы дифференциальных пар, а также конструкция переходных отверстий должны быть точно смоделированы и оптимизированы с помощью профессионального ПО для моделирования SI (например, Ansys HFSS, Cadence Clarity). Технология обратного сверления (back-drilling) широко используется для удаления избыточных остатков в переходных отверстиях высокоскоростных сигналов, что устраняет отражения сигнала.
• Технология высокоплотного монтажа (HDI): Для сокращения длины критических сигнальных путей и увеличения плотности трассировки технологии HDI PCB, такие как микропереходные отверстия (microvias) и многослойные переходные отверстия (stacked vias), стали стандартом. Это позволяет создавать компактные и эффективные компоновки вокруг процессоров и высокоскоростных интерфейсов.

Целостность питания (PI): Искусство питания тысяч ядер

Современные серверные процессоры и ускорители ИИ потребляют сотни ватт, с пиковыми токами, достигающими сотен ампер, а потребность в токе резко меняется в течение наносекунд. Обеспечение стабильного и чистого питания для этих "энергоемких устройств" — основная задача проектирования целостности питания (PI). Плохо спроектированная сеть распределения питания (PDN) может вызвать просадки напряжения (Vdroop) и шумы питания, что в лучшем случае повлияет на производительность системы, а в худшем — приведет к ее сбою.

Ключ к проектированию PI заключается в создании пути с ультранизким импедансом от модуля регулирования напряжения (VRM) до выводов чипа:

• Многослойные плоскости питания/земли: Используйте многослойные печатные платы с несколькими цельными медными плоскостями для питания и земли. Эти плоскости действуют как огромные конденсаторы, обеспечивая пути с низким импедансом для быстрых переходных процессов тока.
• Точная сеть развязывающих конденсаторов: Сотни или тысячи развязывающих конденсаторов с разными значениями емкости должны быть тщательно размещены вокруг чипа и по всей плате. Эти конденсаторы служат локальными накопителями энергии в различных частотных диапазонах, быстро реагируя на переходные потребности чипа в токе.
• Совместное моделирование и оптимизация: PI и SI больше не являются изолированными проблемами; они влияют друг на друга. Высокоскоростное переключение сигналов может вызывать шум в цепи питания (т.е. Simultaneous Switching Noise, SSN), который, в свою очередь, влияет на опорный уровень сигнала и увеличивает джиттер. Поэтому совместное моделирование SI/PI необходимо для обеспечения надежности всей системы. Эта сложность также проявляется при миграции традиционных Mobile Switching Centers на виртуализированные платформы, что предъявляет более высокие требования к стабильности питания базового оборудования.

Получить расчёт PCB

Проблемы управления теплом: поддержание охлаждения при мощности в кВт

Потребляемая мощность и тепловыделение — это две стороны одной медали. Полностью загруженная стойка высокопроизводительных серверов может потреблять несколько киловатт, причем почти вся эта энергия в конечном итоге преобразуется в тепло. Если тепло не отводится эффективно, температура чипов резко возрастает, что приводит к троттлингу или даже необратимым повреждениям. Печатная плата играет ключевую роль во всей цепи управления теплом.

Стратегии управления теплом на уровне PCB включают:

• Материалы с высокой теплопроводностью и толстые медные слои: Использование материалов PCB с высоким Tg с более высокой температурой стеклования обеспечивает механическую и электрическую стабильность при высоких температурах. Встраивание более толстых медных слоев (например, 3-4 унции) или использование технологии тяжелой меди PCB может эффективно отводить тепло от мощных компонентов.
• Термовиасы: Плотные массивы термовиасов под мощными чипами, такими как CPU и FPGA, быстро передают тепло на другую сторону платы, где оно рассеивается радиаторами.
• Встроенные технологии охлаждения: Более продвинутые методы включают встраивание медных монет или тепловых трубок, непосредственно контактирующих с нагревающимися компонентами, обеспечивая пути отвода тепла с очень низким термическим сопротивлением.
• Оптимизация компоновки: При проектировании PCB необходимо учитывать воздушные потоки внутри серверного шасси, размещая сильно нагревающиеся компоненты в зонах с максимальным потоком воздуха и избегая образования "горячих точек".

Эволюция материалов и технологий производства PCB

Чтобы одновременно удовлетворить требованиям высокой скорости, высокой мощности и высокой надежности, серверные PCB с функциями VLR/AMF постоянно расширяют границы возможностей материалов и производственных процессов.

Сравнение характеристик серверных материалов PCB

Параметр	Стандартный FR-4	Материалы со средними потерями	Материал с ультранизкими потерями
Диэлектрическая проницаемость (Dk @10ГГц)	~4.5	~3.8	~3.2
Тангенс угла потерь (Df @10ГГц)	~0.020	~0.008	<0.003
Температура стеклования (Tg)	130-140 °C	170-180 °C	>200 °C
Сценарии применения	Низкоскоростные управляющие платы	PCIe 3.0/4.0, 10GbE	5G-основные сети, 112G+ SerDes

В производственных процессах для сложных печатных плат с более чем 20 слоями точность межслойного совмещения является одной из самых больших проблем. Любое незначительное отклонение может привести к смещению сверления переходных отверстий, вызывая обрывы или короткие замыкания. Кроме того, гальванизация сквозных отверстий с высоким коэффициентом формы (толщина платы/диаметр отверстия), контроль плоскостности контактных площадок BGA (Via-in-Pad Planarization) и другие факторы требуют использования высококлассного оборудования и строгого контроля процессов. Надежность этих производственных процессов напрямую влияет на стабильность критически важных функций безопасности, таких как **PCB Центра аутентификации** и **Реестр идентификации оборудования**.

Роль VLR/AMF в Network Slicing и Edge Computing

Одна из революционных возможностей 5G — это network slicing (сетевое сегментирование): создание нескольких виртуальных сквозных сетей на одной физической инфраструктуре для удовлетворения различных потребностей приложений (например, eMBB, URLLC, mMTC). AMF (преемник VLR) играет ключевую роль в доступе пользователей и выборе сегментов. Он должен идентифицировать сегмент пользователя и обеспечивать мобильность и непрерывность сеансов между сегментами.

Кроме того, для поддержки приложений с ультранизкой задержкой, таких как URLLC, сетевые функции перемещаются из централизованных ЦОДов на границу сети (MEC). Это означает, что некоторые функции AMF также могут быть распределены. Такая архитектура предъявляет новые требования к проектированию печатных плат:

• Разнообразие форм-факторов оборудования: серверы на границе сети могут перестать соответствовать стандартным 19-дюймовым стойкам, приняв более компактные и защищённые формы для различных сред.
• Адаптивность к условиям окружающей среды: платы граничных узлов должны выдерживать более широкие диапазоны температур, влажности и вибрации, что требует повышенной надёжности и долговечности.
• Синхронизация и координация: Распределенные узлы AMF требуют точной временной синхронизации и координации состояний, что создает новые проблемы для проектирования тактовых схем и высокоскоростных соединений на печатных платах. Эта сложность распределенных сетей ядра намного превосходит традиционную централизованную архитектуру Mobile Switching Center, оказывая глубокое влияние на всю экосистему Packet Core PCB.

Получить предложение по PCB

Перспективы 6G: AI-нативные сети ядра и будущее печатных плат

В эпоху 6G сети станут более интеллектуальными, эндогенными и конвергентными. Ожидается, что сеть ядра будет "AI-нативной", способной к прогнозируемому распределению ресурсов, интеллектуальному самовосстановлению и контекстно-зависимому управлению мобильностью. Будущая форма VLR/AMF будет представлять собой высокоинтеллектуальную когнитивную функцию управления мобильностью.

Это окажет глубокое влияние на базовые технологии печатных плат:

• Глубокая интеграция вычислений и соединений: Ускорители AI/ML (например, TPU, NPU) будут более тесно интегрированы с CPU и сетевыми интерфейсами на одной подложке, даже с использованием технологий чиплетов и совместной упаковки оптики (CPO). Печатные платы эволюционируют в высокоинтегрированные подложки system-in-package (SiP).
• Совместная упаковка оптики: По мере приближения скоростей передачи данных к уровням Tbps традиционные электрические соединения столкнутся с ограничениями. Оптические технологии соединений будут внедрены на уровне печатных плат, обеспечивая сверхвысокоскоростную передачу данных с низким энергопотреблением между чипами, платами и даже стойками.
• Интеллектуальное управление теплом и питанием: Печатные платы будут интегрировать больше датчиков для мониторинга температуры и напряжения в реальном времени, динамически регулируя скорость вентиляторов и выходы VRM с помощью алгоритмов AI для точного интеллектуального управления питанием и теплом.
• Применение новых материалов: Для поддержки связи в THz-диапазоне и более высокоскоростных цифровых сигналов потребуется исследование новых материалов подложек печатных плат, таких как керамика, стекло и жидкокристаллические полимеры (LCP).

Заключение

Эволюция Visitor Location Register — это микрокосм всей мобильной сети связи, переходящей от специализированного оборудования к открытым, облачным и интеллектуальным системам. Сегодня эту критически важную функцию поддерживают не изолированные платы, а высокопроизводительные серверные печатные платы, расположенные в глобальных центрах обработки данных и на границе сети, обладающие высокой технологичностью. Овладение тремя основными проблемами — целостностью высокоскоростного сигнала, целостностью питания и управлением температурой — стало ключевым фактором, определяющим производительность сетей 5G и возможность реализации будущих сетей 6G. Для производителей печатных плат, поставщиков сетевого оборудования и операторов постоянные инновации и инвестиции в материаловедение, методологии проектирования и производственные процессы — это не только необходимость для решения текущих задач, но и стратегическая основа для победы в технологической гонке связи следующего десятилетия.

Related links

• высокоскоростных печатных плат
• HDI PCB
• многослойные печатные платы
• PCB с высоким Tg
• тяжелой меди PCB