10vrstvé inženýrství desek plošných spojů pro AI servery pro akcelerační hardware

„Deska plošných spojů AI serveru“ je popis systému, nikoli výrobní třída. Termín se může vztahovat na základní desku, rozšiřující kartu akcelerátoru, paměťové zařízení CXL, kartu retimeru, síťové rozhraní, nosič optických modulů, řídicí jednotku, rozvodnou desku napájení nebo malou řídicí desku uvnitř subsystému kapalinového chlazení. Tyto produkty nesdílejí jeden počet vrstev, laminát, toleranci impedance, konstrukci HDI ani plán spolehlivosti.

Desetivrstvá konstrukce může být vhodná pro vybrané desky infrastruktury umělé inteligence, ale neměla by být inzerována jako univerzální platforma pro špičkové akcelerační základní desky nebo přepínací systémy. Správný počet vrstev vychází z úniku komponent, počtu kanálů, potřeb referenční roviny, rozložení napájení, topologie konektorů, mechanické tloušťky a kvalifikačních požadavků. V mnoha případech představuje dvanácti-, šestnácti- nebo vícevrstvá konvenční deska menší riziko než vynucení několika sekvenčních cyklů HDI a fragmentovaných napájecích rovin do deseti vrstev.

Tato příručka vysvětluje, kde je deset vrstev technicky věrohodných a co musí být dodáno před výrobou. Záměrně se vyhýbá fixním tvrzením, jako například „Tachyon se rovná šesti palcům“, „0.4mm BGA vždy vyžaduje 3+4+3“ nebo „všechny desky s umělou inteligencí vyžadují třídu 3“. Tato rozhodnutí patří k vydanému modelu kanálů, studii úniku pouzder a dokumentaci k zadávání veřejných zakázek. Obecné konstrukční pokyny jsou k dispozici v Přehled konstrukce 10vrstvých desek plošných spojů, zatímco detailní elektroinstalační práce jsou zahrnuty v vysokorychlostní průvodce kanály.

Kde se 10vrstvá deska plošných spojů hodí do infrastruktury umělé inteligence

Deset vrstev je nejspolehlivějších, když má deska omezený počet vysokorychlostních rozhraní, kompaktní oblast směrování a architekturu napájení, která nevyžaduje mnoho širokých, izolovaných rovin. Mezi příklady patří desky pro správu a BMC, akcelerační nebo úložné rozšiřující karty s řízeným počtem linek PCIe nebo CXL, karty pro opakované časování, rozbočovací karty optických modulů, rozšiřující zařízení paměti CXL, podsestavy síťového rozhraní, regulátory ventilátorů a čerpadel, telemetrické desky a vybrané produkty pro řízení napájení.

Stejný počet vrstev se stává obtížným, když deska musí opustit několik velmi velkých pouzder, nést mnoho paměťových kanálů, směrovat četné linky třídy 112 Gb/s nebo nově vznikající 224 Gb/s, podporovat několik vysokoproudých linek nebo propojit více vysokohustotních mezaninových a optických rozhraní. V těchto případech může plocha trasování a roviny spotřebovaná antipady, poli propojení a napájecími ostrovy způsobit, že deset vrstev bude elektricky křehkých, i když lze vodivé desky přizpůsobit.

Rozhodnutí by mělo porovnávat alespoň tři architektury: konvenční desetivrstvou desku, desetivrstvou desku HDI a konvenční desku s vyšším počtem vrstev. Nejnižší počet vrstev nemusí být automaticky nejlevnější ani nejspolehlivější. Sekvenční laminace, laserové vrtání, měděné plnění a snížený výtěžek mohou převážit náklady na další pár konvenčních vrstev.

Před výběrem stackupu klasifikujte desku

Skladování by mělo být vybráno na základě role desky v systému. Přídavná karta akcelerátoru, paměťová karta CXL a nosič optických modulů mohou být všechny nazývány hardwarem umělé inteligence, ale jejich kritická omezení se liší.

Řídící a kontrolní rady

Tyto desky jsou obvykle osazeny mikrokontroléry, zařízeními BMC, regulátory napájení, řízením ventilátorů nebo čerpadel, rozhraními senzorů a sítěmi střední rychlosti. Desetivrstvá struktura s bohatou referenční rovinou může zajistit čisté zpětné cesty, izolaci mezi spínanými napájecími a měřicími obvody a dostatečné rozložení energie bez použití prémiového materiálu s nízkými ztrátami v celé desce.

Zařízení PCIe a CXL

Spojení PCI Express a CXL sdílejí základ fyzické vrstvy, ale stále záleží na revizi a provedení. PCIe 5.0 používá 32 GT/s NRZ, PCIe 6.0 používá 64 GT/s PAM4 a PCIe 7.0 verze 1.0 byla vydána s 128 GT/s PAM4. CXL 4.0 byla vydána v roce 2025. Tato fakta určují kontext signalizace; neposkytují univerzální rozpočet ztrát na desce. Před výběrem konstrukce desky je nutné identifikovat příslušnou základní specifikaci, topologii přídavné karty nebo vlastní kartu, model konektoru, umístění retizeru a alokaci pouzdra.

Síťové a optické propojovací desky

Standard IEEE 802.3df-2024 standardizuje cíle a fyzické vrstvy Ethernetu 400 Gb/s a 800 Gb/s. Deska označená jako „800G“ může stále používat různé počty linek, elektrické dosahy, konektory a rozhraní optických modulů. V této revizi standard IEEE P802.3dj stále vyvíjí provoz 1.6 Tb/s a další fyzické vrstvy 200/400/800 Gb/s; návrhy využívající tuto práci musí uvádět přesný návrh nebo požadavky zákazníka. Podobně projekty třídy OIF 224G rozlišují extra krátký, velmi krátký, střední a dlouhý dosah namísto definování jednoho univerzálního kanálu PCB.

U všech tří typů desek potřebuje dodavatel skutečnou definici kanálu. Marketingové označení jako „Gen7“, „800G“ nebo „224G“ nestačí k uvolnění laminátu nebo procesu zpětného vrtání.

Balení urychlovačů, HBM a hranice desek plošných spojů

Paměť s vysokou šířkou pásma používaná moderními akcelerátory je obvykle integrována s procesorem prostřednictvím pokročilého pouzdra, meziprocesoru nebo substrátu na úrovni pouzdra. Rozhraní HBM proto obecně není směrováno jako konvenční diferenciální sběrnice přes desku plošných spojů serveru. Deska nese externí napájení pouzdra akcelerátoru, PCIe/CXL, rozhraní čip-čip, rozhraní pro správu, hodiny a servisní rozhraní. Zacházení s linkami HBM jako s běžnými páskovými linkami na desce plošných spojů je zásadní architektonickou chybou.

Hranice pouzdra mění problém s deskami plošných spojů dvěma způsoby. Zaprvé, deska nemusí nést ultraširoké rozhraní HBM, ale stále musí podporovat velmi hustý únikový kanál BGA a síť pro napájení s vysokým proudem. Zadruhé, únikový kanál pouzdra, geometrie patice nebo kontaktů a umístění oddělení mohou dominovat počtu vrstev, i když je počet externích vysokorychlostních drah malý.

Informace o balíčku potřebné pro plánování desky

• mapa míče, nadhoz, průměr pozemku a vzorec úbytku obyvatelstva;
• rozvod energie a pozemní koule po kolejnici;
• umístění vnějších vysokorychlostních pruhů a vzor referenční koule;
• povolené zóny rozvětvení, propojení vstupy/výstupy a oddělení na zadní straně;
• mechanické úchyty, výztuha, chladič nebo montáž na studenou desku;
• modely pouzder a průchodů pro simulaci kanálů;
• profil sestavy a požadavky na koplanaritu.

Desetivrstvý návrh by měl být předčasně zamítnut, pokud studie úniku BGA spotřebovává referenční roviny, fragmentuje rozložení výkonu nebo vyžaduje více úrovní nárůstu, než kvalifikační plán dokáže unést. 10vrstvý technický průvodce HDI vysvětluje, proč samotná výška tónu nemůže určit 1+8+1, 2+6+2 nebo 3+4+3.

Inženýrství PCIe, CXL a ethernetových kanálů

Proveditelnost vysokorychlostního přenosu musí být stanovena na základě celého kanálu: průchodu pouzdra, přechodu přes vedení, směrovaného vedení, spuštění konektoru nebo kabelu, případného restartu a pouzdra přijímače. Výběr materiálu je pouze jednou z proměnných.

Zpětné vrtání by mělo být specifikováno, pokud extrahovaný nepoužitý pahýl porušuje požadavek na kanál a řešení se slepým otvorem není vhodnější. Poznámka musí definovat stranu vrtáku, cílovou vrstvu, maximální zbytkový pahýl, průměr nástroje, povolené vylomení a metodu ověření. Pevné tvrzení „maximálně 3 mil“ není vhodné pro každou tloušťku panelu a registrační okno.

Stejně tak by shoda diferenciálních párů a rozteče jízdních pruhů měly vycházet z řídící implementace a modelu kanálu. Pravidla jako +/-1 mil v rámci páru nebo rozteč 10W nejsou univerzálními ukazateli shody. průvodce směrováním vysvětluje, jak převést požadavky na časování, přeslechy a přechody do omezení rozvržení.

Rozhodnutí o skladování, materiálech a mědi

Praktická desetivrstvá struktura infrastruktury umělé inteligence často upřednostňuje referenční roviny před maximálním počtem signálových vrstev. Architektura se čtyřmi signály, čtyřmi uzemněními a dvěma napájecími zdroji může poskytnout dvě vnější mikropáskové vrstvy a dvě dobře referenční páskové vrstvy a zároveň si zachovat široké rozložení výkonu. Uspořádání se šesti signály a čtyřmi rovinami poskytuje větší směrovací kapacitu, ale může vytvářet sousední signálové vrstvy nebo nedostatečnou plochu rovin; měla by se používat pouze tehdy, pokud je podporuje skutečná zpětná cesta a plán přeslechů.

Materiál s nízkými ztrátami by měl být umístěn tam, kde model kanálu ukazuje, že je potřeba. Hybridní konstrukce může používat jádro s nízkými ztrátami a systém spojů kolem vybraných vrstev vysokorychlostního páskového vedení, zatímco jinde může být použit jiný kompatibilní systém. Hybridní konstrukce musí stále splňovat požadavky na spojování, vrtání, rozměrový pohyb, adhezi mědi a tepelné cykly. Dvě řady laminátů ve stejné třídě marketingových ztrát nejsou automaticky zaměnitelné.

Vstupy pro uvolnění materiálu

• přesný seznam schválených druhů nebo schválených materiálů;
• konstrukce jádra a prepregu, obsah pryskyřice a typ skla;
• měděný profil použitý v modelu vložných ztrát;
• návrh zdroje Dk a Df, metody a frekvenčního rozsahu;
• substituční oprávnění a postup rekvalifikace;
• tepelná historie od postupné laminace, přes plnění, povrchovou úpravu a montáž;
• dostupnost, minimální množství nákupu a dlouhodobá omezení dodávek.

Jedno Průvodce materiálem 10 vrstev podrobně popisuje tato ovládací prvky. Řízená impedance musí být přepočítána s ohledem na navrhovanou výrobní konstrukci, nikoli kopírována z generické tabulky 5 mil/50 Ω.

Architektura HDI, BGA Escape a Via

HDI je oprávněné, když vytváří přístup k směrování nebo elektrický výkon, který konvenční propojovací pole nemůže poskytnout. Mapa pinů pouzdra, počet řádků, požadavky na napájení propojovacích linek a dostupné signálové vrstvy jsou důležitější než samotná výška tónu.

U pouzder urychlovačů, časovačů a přepínačů lze k obnovení propojovacích kanálů použít vpichovací plošky. Výkres výroby by měl rozlišovat mezi mikroprostupy vyplněnými mědí, nevodivou výplní, pryskyřičnou zátkou, planarizací a měděným krytem. Vrstvené mikroprostupy vyžadují prokázání spolehlivosti specifické pro danou konstrukci, protože rozhraní mezi vyplněnými průchody a cílovými kontakty se může při opakovaném tepelném vystavení stát místem únavy materiálu.

HDI s libovolnou nebo vícevrstvou vrstvou by se nemělo vybírat jen proto, že je k dispozici. Každá úroveň vrstvení zahrnuje zobrazování, laminaci, laserové vrtání, metalizaci a často i měděnou výplň/planarizaci. Návrh by měl porovnat konvenční desku s vyšší vrstvou s komplexní desetivrstvou HDI deskou s využitím směrování, výtěžnosti, spolehlivosti a nákladů – nejen nominálního počtu vrstev.

Kontroly uvolnění HDI

• zobrazit ve vrtací tabulce každé rozpětí slepých, zakopaných, přeskočených a průchozích otvorů;
• identifikovat vrstvené a odstupňované vztahy podle vrstev;
• potvrdit průměr mikrootvorů, tloušťku dielektrika a záchytnou plochu jako jedno procesní okno;
• definovat požadavky na výplň, zakončení, důlek a montážní povrch;
• uveďte specifikaci produktu, třídu, kvalifikační kupón a požadavky na přijetí šarže;
• Neodvolávejte se na IPC-6016 jako na aktuální standard pro přijetí HDI; použijte příslušnou aktuální specifikaci produktu a revizi zadávacího řízení.

Síť pro dodávku energie a distribuce proudu

Napájení akcelerátoru nelze navrhnout pouze na základě proudového rozsahu. Distribuční síť desky (PDN) musí splňovat požadavky na úbytek stejnosměrného napětí, přechodovou impedanci, umístění měniče, vstup pro pouzdro, limity pro konektory nebo přípojnice, nárůst teploty mědi a mechanická omezení. Proud může být dodáván přes okrajové kontakty, vysokoproudé konektory, přípojnice, vertikální napájecí moduly nebo lokální regulátory; každá architektura používá desku plošných spojů odlišně.

Vztah mezi cílovou impedancí Z_cíl = ΔV / ΔI je výchozím bodem, nikoli kompletní specifikací PDN. Musí být definováno příslušné spektrum přechodových jevů, regulační smyčka regulátoru napětí, kapacita pouzdra a povolený pokles. Nad frekvenčním rozsahem, kde kondenzátory montované na desce desky zůstávají účinné, dominují struktury pouzdra a na čipu.

Otázky stejnosměrného a střídavého proudu, které ovlivňují výrobu

• Které kolejnice vyžadují široké roviny, silnou měď, měděnou vložku nebo vnější vodiče?
• Jaká je minimální konečná tloušťka mědi, spíše než nominální hmotnost fólie?
• Kolik plochy roviny se ztrácí kvůli protiskluzovým podložkám, slotem, tepelným pojistkám a montážnímu materiálu?
• Kam lze umístit oddělovací vodiče na zadní straně a jsou v kontaktech součástek nutné vyplněné průchodky?
• Jaký je povolený pokles napětí a nárůst teploty při nejhorším možném proudu a okolním prostředí?
• Potřebuje deska struktury pro snímání proudu, kalibrované bočníky nebo Kelvinovy ​​směrovací prvky?

Norma IPC-2152 poskytuje pokyny pro proudovou zatížitelnost a tepelné chování, ale neredukuje komplexní rovinu nebo propojovací pole na jeden univerzální limit proudové hustoty. Pro vysokoproudové akcelerační desky použijte simulaci nebo validovaná testovací data. U některých produktů je vhodnější sběrnice, vývodový rám nebo napájecí modul než protlačování stovek ampérů běžnými deskami plošných spojů.

Tepelná a mechanická integrace

Deska plošných spojů (PCB) je jedním z prvků tepelné cesty. Vysoce výkonné pouzdra obvykle odvádějí většinu tepla přes víko pouzdra, chladič nebo kapalinovou chladicí desku, nikoli přes desku s plošnými spoji. Měděné plochy a propojovací otvory mohou šířit lokální teplo a snižovat elektrické ztráty, ale jednoduchý výpočet počtu propojovacích otvorů neprokazuje tepelný výkon pouzdra.

Mechanické zatížení může být stejně důležité jako tepelná vodivost. Velké pouzdra, výztuhy, chladicí desky a klece konektorů vytvářejí ohybové momenty, které mohou namáhat pájené spoje a mikrootvory. Výkres desky by měl definovat tloušťku, rovinnost, mezery, tolerance montážních otvorů a jakoukoli řízenou lokální tloušťku. Analýza sestavy by měla zohlednit deformaci v důsledku přetavování a provozní teplotu.

Vstupy tepelné/mechanické spouště

• napájení pouzdra a schválené tepelné rozhraní;
• upevnění chladiče nebo studené desky a upínací síla;
• součástky a průchodky pod mechanickým hardwarem;
• podpěra desky, výztuha a omezení podvozku;
• povolené prohnutí/zkroucení a lokální koplanarita;
• teplotní rozsah a očekávané tepelné cykly;
• Koeficient tepelné roztažnosti (CTE) materiálu a symetrie hybridního vrstvení.

Silná měď mění geometrii leptání, výplň pryskyřicí a chování laminace. Měděné mince a intarzie jsou speciální konstrukce, které vyžadují explicitní rozměry, způsob lepení, rovinnost a kritéria kontroly; neměly by být prezentovány jako standardní možnosti na každé desce s umělou inteligencí.

Spolehlivost, testování a sledovatelnost

Použití v datových centrech neznamená automaticky třídu IPC 3 a komerční produkt umělé inteligence nedědí certifikaci pro automobilový, lékařský nebo letecký průmysl od slova „AI“. Příslušná výkonnostní třída a systém kvality vycházejí z rizika produktu, požadavků zákazníků a dokumentace k zadávání veřejných zakázek.

Pro pevné desky je obvykle příslušnou výkonnostní skupinou IPC-6012; pro pevné a flexibilní desky se používá IPC-6013 a u vysokofrekvenčních konstrukcí se může v případě potřeby odvolávat na IPC-6018. IPC-A-600 poskytuje vizuální interpretaci, ale nenahrazuje specifikaci produktu. Revize, třída, dodatky a výjimky pro zákazníka musí být uvedeny v objednávce.

Důkazy spolehlivosti mohou zahrnovat mikrořezy tepelným namáháním, zátěžové testy propojení, HATS, teplotní cykly, simulaci přetavení, testování CAF, kupóny na vložené ztráty nebo kvalifikaci vlivů na životní prostředí na úrovni produktu. Tyto metody odpovídají na různé otázky. Zkušební metody součástek JEDEC automaticky nedefinují přijetí šarže s holými deskami a IST není jednoduše komorový cyklus od -40 °C do +125 °C.

Záznamy běžně zvažované pro vysoce rizikové programy

• certifikát o shodě a potvrzení o elektrické zkoušce;
• uvolněné naskladnění a sledovatelnost materiálu/šarže;
• Výsledky TDR pro specifikované impedanční kupóny;
• výsledky mikrořezů objednaných konstrukcí a plán vzorkování;
• ověření řízené hloubky nebo zpětného vrtání, kde je to vyžadováno;
• zprávy o prvním článku nebo kvalifikační zprávy pro nové struktury HDI;
• serializace a sledovatelnost procesních cest, pokud je to smluvně vyžadováno.

Ne každá zásilka vyžaduje každou zprávu. Cenová nabídka by měla rozlišovat standardní záznamy, volitelné zprávy, destruktivní testování a kvalifikační práce, které vyžadují speciální kupóny nebo dodatečné panely.

Balíček pro uvolnění výroby a cenovou nabídku

Z „10vrstvé desky serveru s umělou inteligencí“ a osnovy nelze vytvořit užitečnou cenovou nabídku. Dodavatel potřebuje dostatek informací k odlišení řídicí desky od vysokorychlostní karty s časovačem nebo akcelerátorem a k identifikaci oblastí, kde se koncentruje procesní riziko.

Odpověď DFM by měla vrátit navrhované výrobní uspořádání, dokončenou geometrii impedance, identifikované výjimky, předpoklady speciálních procesů a položky schválení. Cenová nabídka, která tiše nahrazuje materiál, mění architekturu průchodek nebo odstraňuje požadovanou zprávu, není technicky ekvivalentní.

Odešlete desku plošných spojů infrastruktury umělé inteligence k technickému posouzení