Разработка 10-слойной печатной платы для ИИ-сервера в качестве ускорительного оборудования.

«Печатная плата сервера ИИ» — это описание системы, а не класс изготовления. Этот термин может относиться к базовой плате, плате расширения ускорителя, устройству памяти CXL, плате ретаймера, сетевому интерфейсу, держателю оптического модуля, контроллеру управления, плате распределения питания или небольшой плате управления внутри подсистемы жидкостного охлаждения. Эти изделия не имеют общего количества слоев, ламината, допуска по импедансу, толщины слоя HDI или плана обеспечения надежности.

Десятислойная конструкция может быть подходящей для некоторых плат инфраструктуры ИИ, но её не следует рекламировать как универсальную платформу для высокопроизводительных базовых плат ускорителей или коммутационных систем. Правильное количество слоев определяется количеством выводимых компонентов, количеством каналов, потребностями в опорной плоскости, распределением питания, топологией разъемов, механической толщиной и требованиями к квалификации. Во многих случаях двенадцати-, шестнадцатислойная или более многослойная традиционная плата представляет меньший риск, чем попытка уместить несколько последовательных циклов HDI и фрагментированные плоскости питания в десять слоев.

В этом руководстве объясняется, где технически обосновано использование десяти слоев и что необходимо предоставить до начала изготовления. В нем намеренно избегаются фиксированные утверждения, такие как «Тахион равен шести дюймам», «для BGA 0.4 мм всегда требуется 3+4+3» или «для всех плат AI требуется класс 3». Эти решения относятся к выпущенной модели канала продаж, исследованию утечки из корпуса и закупочной документации. Общие рекомендации по изготовлению доступны в [ссылка на руководство]. Обзор проектирования 10-слойной печатной платы, в то время как детальные электромонтажные работы рассматриваются в рамках высокоскоростной телегид.

Где место 10-слойной печатной платы в инфраструктуре искусственного интеллекта

Десять слоев наиболее надежны, когда плата имеет ограниченное количество высокоскоростных интерфейсов, компактную область трассировки и архитектуру питания, не требующую множества широких изолированных плоскостей. Примерами могут служить платы управления и BMC, платы расширения для ускорителей или накопителей с контролируемым количеством линий PCIe или CXL, платы ретаймеров, платы расширения оптических модулей, устройства расширения памяти CXL, сетевые интерфейсные узлы, контроллеры вентиляторов и насосов, платы телеметрии и некоторые продукты управления питанием.

Уменьшение количества слоев становится затруднительным, когда плата должна выходить за рамки множества очень больших корпусов, содержать множество каналов памяти, трассировать многочисленные линии класса 112 Гбит/с или, в перспективе, 224 Гбит/с, поддерживать несколько сильноточных линий или соединять множество высокоплотных мезонинных и оптических интерфейсов. В таких случаях площадь трассировки и площадь плоскости, занимаемая антиплощадками, контактными площадками и силовыми блоками, могут сделать десять слоев электрически нестабильными, даже если трассы можно разместить в нужном месте.

Принимая решение, следует сравнить как минимум три архитектуры: обычную десятислойную плату, десятислойную плату HDI и обычную плату с большим количеством слоев. Меньшее количество слоев не означает автоматически самую низкую стоимость или наибольшую надежность. Последовательное ламинирование, лазерное сверление, заполнение медью и снижение выхода годных изделий могут перевесить стоимость еще одной пары обычных слоев.

Перед выбором конфигурации платы классифицируйте её.

Выбор компонентов для многослойной архитектуры должен зависеть от роли платы в системе. Плата расширения ускорителя, карта памяти CXL и носитель оптического модуля могут называться аппаратным обеспечением ИИ, но их критические ограничения различны.

Советы управления и контроля

На этих платах обычно преобладают микроконтроллеры, устройства BMC, схемы управления питанием, управление вентиляторами или насосами, интерфейсы датчиков и сети средней скорости. Десятислойная структура с большим количеством опорных плоскостей может обеспечить чистые обратные пути, изоляцию между импульсными силовыми и измерительными цепями, а также достаточное распределение питания без использования высококачественных материалов с низкими потерями по всей плате.

Устройства PCIe и CXL

PCI Express и CXL используют общую физическую архитектуру, но определяющая версия и форм-фактор по-прежнему имеют значение. PCIe 5.0 использует NRZ 32 ГТ/с, PCIe 6.0 — PAM4 64 ГТ/с, а PCIe 7.0 версии 1.0 был выпущен с PAM4 128 ГТ/с. CXL 4.0 был выпущен в 2025 году. Эти факты определяют контекст передачи сигналов; они не предоставляют универсального бюджета потерь на плате. Перед выбором конструкции платы необходимо определить применимую базовую спецификацию, топологию дополнительной платы или пользовательскую топологию, модель разъема, размещение ретаймера и распределение по корпусам.

Сетевые и оптические соединительные платы

Стандарт IEEE 802.3df-2024 стандартизировал цели и физические уровни Ethernet 400 Гбит/с и 800 Гбит/с. Плата, обозначенная как «800G», может по-прежнему использовать различное количество линий, электрические расстояния, разъемы и интерфейсы оптических модулей. В этой редакции стандарт IEEE P802.3dj все еще разрабатывает режим работы 1.6 Тбит/с и дальнейшие физические уровни 200/400/800 Гбит/с; в проектах, использующих эти разработки, необходимо указывать точное название проекта или требования заказчика. Аналогично, в проектах класса OIF 224G различают сверхкороткие, очень короткие, средние и длинные расстояния вместо определения одного универсального канала печатной платы.

Для всех трех типов плат поставщику необходимо точное определение канала сбыта. Маркетинговой маркировки, такой как «Gen7», «800G» или «224G», недостаточно для запуска процесса ламинирования или обратного сверления.

Упаковка ускорителей, HBM и границы печатной платы

Высокоскоростная память, используемая в современных ускорителях, обычно интегрируется с процессором через усовершенствованный корпус, промежуточную плату или подложку на уровне корпуса. Поэтому интерфейс HBM, как правило, не прокладывается по печатной плате сервера как обычная дифференциальная шина. На плате размещаются внешние интерфейсы питания, PCIe/CXL, межчиповые интерфейсы, интерфейсы управления, тактовой частоты и сервисные интерфейсы корпуса ускорителя. Рассмотрение линий HBM как обычных полосковых линий печатной платы является фундаментальной архитектурной ошибкой.

Размеры корпуса изменяют проблему печатной платы двумя способами. Во-первых, плата может не иметь сверхширокого интерфейса HBM, но она все равно должна поддерживать очень плотную сеть вывода BGA и сеть питания с высоким током. Во-вторых, размеры вывода корпуса, геометрия разъемов или контактных площадок, а также размещение развязывающих элементов могут доминировать в количестве слоев, даже если число внешних высокоскоростных линий невелико.

Необходима информация о пакете документов для планирования работы совета директоров.

• Карта расположения шаров, игровое поле, диаметр суши и схема депопуляции;
• Распределение электроэнергии и наземных шаровых опор по рельсам;
• Расположение внешних высокоскоростных полос и схема расположения опорных шаров;
• разрешены зоны развязки, переходные отверстия на площадке и зоны развязки с обратной стороны;
• механические ограничители, усилитель, радиатор или крепление охлаждающей пластины;
• Модели пакетов и разъемов для моделирования каналов;
• Требования к профилю сборки и копланарности.

Десятислойную конструкцию следует отклонить на ранней стадии, если исследование утечки BGA приводит к исчерпанию опорных плоскостей, фрагментации распределения питания или требует большего количества уровней наращивания, чем может обеспечить план квалификации. 10-слойное инженерное руководство HDI объясняет, почему одной лишь высоты звука недостаточно для определения чисел 1+8+1, 2+6+2 или 3+4+3.

Проектирование каналов PCIe, CXL и Ethernet

Возможность высокоскоростной передачи данных должна быть обеспечена на уровне всего канала: вывод корпуса, переходные отверстия, проложенная линия, вывод разъема или кабеля, ретаймер (если имеется) и корпус приемника. Выбор материалов — лишь один из факторов.

Обратное сверление следует указывать в тех случаях, когда извлеченный неиспользованный фрагмент нарушает требования к каналу, и решение с глухим отверстием нежелательно. В примечании необходимо указать сторону сверления, целевой слой, максимальный остаточный фрагмент, диаметр инструмента, допустимый срыв и метод проверки. Фиксированное значение «максимум 3 мил» не подходит для каждой толщины панели и окна совмещения.

Аналогично, правила подбора дифференцированных пар и расстояния между полосами должны определяться действующими правилами и моделью канала. Правила, такие как +/- 1 мил внутри пары или расстояние 10 Вт, не являются универсальными показателями соответствия. руководство по маршрутизации В документе объясняется, как преобразовать требования к синхронизации, перекрестным помехам и переходам в ограничения компоновки.

Решения по структуре, материалам и меди

В практической десятислойной инфраструктуре искусственного интеллекта часто предпочтение отдается опорным плоскостям, а не максимальному количеству сигнальных слоев. Четырехсигнальная, четырехземельная, двухпитательная архитектура может обеспечить два внешних микрополосковых слоя и два хорошо опорных полосковых слоя, сохраняя при этом широкое распределение питания. Шестисигнальные/четырехплоскостные схемы обеспечивают большую пропускную способность трассировки, но могут создавать смежные сигнальные слои или недостаточную площадь плоскости; их следует использовать только тогда, когда это позволяют фактические пути возврата и план перекрестных помех.

Материал с низкими потерями следует размещать там, где это необходимо, согласно модели канала. В гибридной конструкции может использоваться сердечник с низкими потерями и система склеивания вокруг отдельных слоев высокоскоростной полосковой линии, а в остальных местах — другая совместимая система. Гибридная конструкция должна по-прежнему соответствовать требованиям к склеиванию, сверлению, перемещению размеров, адгезии меди и термическим циклам. Два семейства ламинатов одного и того же класса потерь не являются автоматически взаимозаменяемыми.

Входные данные для выпуска материалов

• точный утвержденный сорт или утвержденный перечень материалов;
• Конструкция сердцевины и препрега, содержание смолы и тип стекловолокна;
• Медный профиль, используемый в модели потерь на вставке;
• Разработка источника Dk и Df, метода и частотного диапазона;
• полномочия по замене и путь переквалификации;
• Термическая история, полученная в результате последовательного ламинирования, заполнения, отделки и сборки;
• наличие, минимальный объем покупки и долгосрочные ограничения поставок.

Руководство по материалам для 10 слоев В данном разделе подробно рассматриваются эти параметры управления. Контролируемое сопротивление необходимо пересчитывать с учетом предлагаемой конструкции изделия, а не копировать из стандартной таблицы 5 мил/50 Ом.

HDI, BGA Escape и Via Architecture

Использование HDI оправдано, когда оно обеспечивает доступ к трассировке или электрические характеристики, которые не может обеспечить обычное поле переходных отверстий. Схема расположения выводов корпуса, количество рядов, потребность в питающих переходных отверстиях и доступные сигнальные слои имеют большее значение, чем само по себе расстояние между выводами.

Для корпусов ускорителей, ретаймеров и переключателей для восстановления каналов вывода могут использоваться переходные отверстия в контактных площадках. На чертеже изготовления следует различать заполненные медью микроотверстия, непроводящее заполнение, заглушку смолой, планаризацию и медный колпачок. Для многослойных микроотверстий необходимы доказательства надежности, специфичные для конкретной структуры, поскольку граница раздела между заполненными отверстиями и контактными площадками мишени может стать местом усталости при многократном воздействии тепла.

Не следует выбирать многослойные или многослойные платы HDI только потому, что они доступны. Каждый последующий слой добавляет этапы нанесения изображения, ламинирования, лазерной обработки, металлизации и часто заполнения медью/выравнивания. При проектировании следует сравнивать многослойную обычную плату со сложной десятислойной платой HDI, используя параметры трассировки, выхода годных изделий, надежности и стоимости, а не только номинальное количество слоев.

Проверки выпуска HDI

• Показать все глухие, заглубленные, пропущенные и сквозные проходы в таблице бурения;
• определить многоуровневые и ступенчатые взаимосвязи по слоям;
• подтвердить диаметр микроотверстий, толщину диэлектрика и контактную площадку как единый технологический диапазон;
• определить требования к заполнению, покрытию, углублениям и поверхности сборки;
• указать спецификацию продукции, класс, квалификационный купон и требования к приемке партии;
• Не следует ссылаться на стандарт IPC-6016 в качестве действующего стандарта приемки HDI; следует использовать применимые действующие спецификации продукции и редакцию правил закупок.

Сеть электроснабжения и распределение тока

Проектирование питания ускорителя невозможно, исходя только из текущих характеристик. Схема питания платы должна удовлетворять требованиям к падению постоянного напряжения, переходному сопротивлению, размещению преобразователя, типу корпуса, ограничениям по разъемам или шинам, повышению температуры меди и механическим ограничениям. Ток может подаваться через краевые контакты, сильноточные разъемы, шины, вертикальные силовые модули или локальные регуляторы; каждая архитектура использует печатную плату по-разному.

Соотношение целевого импеданса Z_цель = ΔV / ΔI Это отправная точка, а не полная спецификация PDN. Необходимо определить соответствующий переходный спектр, контур управления стабилизатором напряжения, емкость корпуса и допустимое падение напряжения. Выше диапазона частот, где конденсаторы, установленные на плате, остаются эффективными, преобладают структуры корпуса и кристалла.

Вопросы, касающиеся постоянного и переменного тока, влияющие на производство.

• Для каких рельсов требуются широкие плоскости, толстый слой меди, медная вставка или внешние проводники?
• Какова минимальная толщина готовой медной фольги, а не её номинальный вес?
• Какова площадь поверхности, теряемая из-за антипрокладок, пазов, термопредохранителей и крепежных элементов?
• Где можно разместить развязку на обратной стороне, и необходимы ли заполненные переходные отверстия на контактных площадках компонентов?
• Какие значения падения напряжения и повышения температуры допустимы при наихудших значениях тока и температуры окружающей среды?
• Требуются ли для платы структуры измерения тока, калиброванные шунты или трассировка Кельвина?

Стандарт IPC-2152 содержит рекомендации по допустимой токовой нагрузке и тепловому поведению, но он не сводит сложную плоскость или поле переходных отверстий к одному универсальному пределу плотности тока. Для плат ускорителей с высокими токами используйте моделирование или проверенные данные испытаний. В некоторых изделиях шина, выводная рамка или силовой модуль более целесообразны, чем пропускание сотен ампер через обычные плоскости печатной платы.

Тепловая и механическая интеграция

Печатная плата — это один из элементов системы отвода тепла. В мощных корпусах большая часть тепла обычно отводится через крышку корпуса, радиатор или жидкостную охлаждающую пластину, а не через плату. Медные плоскости и переходные отверстия могут рассеивать локальное тепло и уменьшать электрические потери, но простой расчет количества переходных отверстий не доказывает тепловые характеристики корпуса.

Механическая нагрузка может быть столь же важна, как и теплопроводность. Большие корпуса, ребра жесткости, охлаждающие пластины и корпуса разъемов создают изгибающие моменты, которые могут деформировать паяные соединения и микропереходные отверстия. На чертеже платы должны быть указаны толщина, плоскостность, допустимые отклонения, допуски на монтажные отверстия и любая контролируемая локальная толщина. При анализе сборки следует учитывать деформацию при оплавлении и рабочую температуру.

Входные данные термического/механического высвобождения

• питание корпуса и утвержденный тепловой интерфейс;
• крепление радиатора или охлаждающей пластины и нагрузка на зажим;
• Компоненты и переходные отверстия, защищенные от механических воздействий;
• Опоры платы, усилители и ограничения шасси;
• допустимый изгиб/кручение и локальная копланарность;
• Диапазон температур и ожидаемые термические циклы;
• Коэффициент теплового расширения материала и симметрия гибридной упаковки.

Избыточное количество меди изменяет геометрию травления, заполнение смолой и поведение при ламинировании. Медные монеты и вставки — это особые конструкции, требующие точных размеров, метода склеивания, плоскостности и критериев контроля; их не следует предлагать в качестве стандартных опций на каждой плате AI.

Надежность, тестирование и прослеживаемость

Использование в центрах обработки данных не означает автоматически соответствие классу IPC 3, и коммерческий продукт на основе ИИ не наследует сертификацию для автомобильной, медицинской или аэрокосмической отраслей от слова «ИИ». Применимый класс производительности и система качества определяются на основе оценки рисков продукта, требований заказчика и документации по закупкам.

Для жестких печатных плат обычно используется стандарт IPC-6012, для жестких гибких плат — IPC-6013, а для высокочастотных конструкций может применяться IPC-6018, если это применимо. Стандарт IPC-A-600 обеспечивает визуальное представление, но не заменяет спецификацию продукта. В заказе необходимо указать редакцию, класс, дополнения и исключения для заказчика.

Доказательства надежности могут включать микросрезы под воздействием термических нагрузок, испытания межсоединений на прочность, испытания HATS, температурные циклы, моделирование оплавления, испытания CAF, образцы для измерения потерь при внесении или экологическую квалификацию на уровне продукта. Эти методы отвечают на разные вопросы. Методы испытаний компонентов JEDEC не определяют автоматически приемку партии печатных плат без компонентов, а испытания на прочность в камере (IST) — это не просто цикл от −40°C до +125°C.

Документы, обычно рассматриваемые для программ высокого риска

• Сертификат соответствия и подтверждение результатов электротехнических испытаний;
• Выпущенная информация о структуре запасов и отслеживаемости материалов/партий;
• Результаты TDR для образцов с заданным импедансом;
• Результаты микроскопического исследования структур и плана отбора проб;
• при необходимости – проверка на контролируемой глубине или путем обратного бурения;
• Отчеты о первой партии или квалификационные отчеты для новых структур ИЧР;
• сериализация и отслеживание технологических маршрутов, когда это требуется по контракту.

Не для каждой партии требуются все отчеты. В коммерческом предложении следует различать стандартные отчеты, дополнительные отчеты, разрушающие испытания и квалификационные работы, требующие специальных образцов или дополнительных панелей.

Пакет документов для согласования изготовления и сметы

Полезное коммерческое предложение нельзя составить, основываясь на описании «10-слойной серверной платы для ИИ» и кратких характеристиках. Поставщику необходимо достаточно информации, чтобы отличить плату управления от высокоскоростного ретаймера или ускорительной платы и определить, где сосредоточены риски, связанные с технологическим процессом.

В ответе на запрос DFM должны быть указаны предлагаемая структура производственных слоев, геометрия готового импеданса, выявленные отклонения, допущения, связанные со специальным процессом, и пункты, подлежащие утверждению. Предложение, в котором незаметно заменяется материал, изменяется архитектура переходных отверстий или удаляется обязательный отчет, технически не является эквивалентным.

Отправьте печатную плату инфраструктуры ИИ на техническую экспертизу.