AI Server PCB

KI-Server-PCBs dienen als grundlegende elektronische Plattform und verbinden und unterstützen die Prozessoren, Speicher, Beschleuniger und Leistungsmanagementsysteme, die für künstliche Intelligenz-Rechenarbeitslasten erforderlich sind. Innerhalb von KI-Servern adressiert das PCB-Design die Signalübertragung mit hoher Geschwindigkeit, die hohe Leistungsdichte und das thermische Management, um den Anforderungen von GPU/TPU-Clustern und der großen Datenverarbeitung gerecht zu werden.

KI-Server umfassen hauptsächlich drei Schlüsselproduktkategorien: GPU-Substrate verwenden in der Regel Hochschichtplatten mit mehr als 20 Schichten; kompakte KI-Beschleunigermodule verlassen sich hauptsächlich auf 4-5-Schicht-HDI für Hochdichteverbindungen; während herkömmliche CPU-Motherboards die grundlegende Unterstützungsstruktur bilden. Während KI-Server iterative Upgrades durchlaufen, wechseln GPU-Motherboards schrittweise zu HDI-Strukturen. Dieser Trend positioniert Advanced HDI als das am schnellsten wachsende Segment im KI-Server-PCB-Markt in den nächsten fünf Jahren, mit besonders dringender Nachfrage nach Produkten der 4. Schicht und höher.

Innerhalb von Servern werden PCBs hauptsächlich in Komponenten wie Accelerator Boards, Motherboards, Stromversorgungsbackplanes, Festplatten-Backplanes, Netzwerkschnittstellenkarten und Riser-Karten eingesetzt. Ihre Kerncharakteristiken zeigen sich in hohen Schichtzahlen, hohen Aspektverhältnissen, hoher Dichte und hohen Übertragungsraten. Da Serverplattformen kontinuierlich Iteration und Upgrades durchlaufen, steigen die Anzahl der PCB-Schichten kontinuierlich und stellen höhere Anforderungen an Materialien, Design und Fertigungsprozesse.

Drei Lieferbeziehungen regeln KI-Server-PCBs:

GPU-Board-Assemblies werden vollständig von GPU-Herstellern entwickelt, die folglich PCB-Versorgungsanordnungen diktieren.

• CPU-Board-Assemblies halten sich an etablierte Server-Hersteller-Lieferkettenbeziehungen. CPU-Trägerplatten werden vom CPU-Designer bestimmt, während CPU-Vorlagen und Erweiterungskarten für das gesamte System vom Endkunden spezifiziert werden. Für die meisten anderen chip-ausgestatteten Leiterplatten stellt der Kunde die Konstruktionsanforderungen an die Hersteller von Funktionskomponenten vor, die dann unabhängig die Beschaffung von Leiterplatten bestimmen.

• Zubehör: Zubehör wird in der Regel direkt von Kunden von etablierten Modulherstellern gekauft. In einigen Szenarien können Kunden Zubehörmodullieferanten spezifische Konstruktionsanforderungen vorschlagen, obwohl dies die Autonomie des Modullieferanten bei Beschaffungsentscheidungen für Leiterplatten nicht beeinträchtigt.

Bei Upgrades der KI-Server-Stromversorgung erleben PCBs Verbesserungen in Materialien, Prozessen und anderen Aspekten. Als Träger für elektronische Komponenten werden Leiterplatten in Servernetzungen in Modulen wie Stromschaltern, Stromfiltern, Spannungsreglern und Kühlkörpern eingesetzt. Im Vergleich zu allgemeinen Servern verfügen PCBs in KI-Server-Stromversorgungen über Upgrades in Materialien, Fertigungstechniken und Technologie.

1) Erhöhte Kupferdicke, um höhere Ströme aufzunehmen: PCB-Verbindungen verlassen sich auf reine Kupferspuren auf dem Substrat. Eine dickere Kupferfolie ermöglicht eine höhere Stromtragfähigkeit. Kupferfolie macht etwa 9% der PCB-Rohstoffe vor, während Kupferbeschichtete Laminate mehr als 30% ausmachen. Kupferfolie ist auch ein primärer Rohstoff für kupferbekleidete Laminate, die etwa 40% ihrer Kosten ausmachen. Die zunehmende Kupferdicke stellt gleichzeitig höhere Anforderungen an Prozesse wie Prepreg-Laminieren zwischen Schichten, Bohren und Galvanisieren, was den Wert von PCB-Produkten erheblich erhöht.

2) Einbettung von Leistungsmodulen zur Steigerung der Leistungsdichte: PCB-eingebettete Leistungsmodultechnologie verfügt über ein immenses Leistungspotenzial. Im Vergleich zu herkömmlichen Verpackungsmethoden können PCB-eingebettete Leistungsmodule die Stromtragkapazität pro Halbleiter um etwa 40% erhöhen oder den Halbleiterverbrauch für äquivalente Stromausgabe um ein Drittel reduzieren. Unter identischen Leistungsbedingungen werden die Materialkosten von Leistungsmodulen voraussichtlich um 20 % sinken. Die Gesamtschaltverluste des Wechselrichters werden auf ein Drittel herkömmlicher Wechselrichterprodukte reduziert. Folglich wird der Anstieg der Schaltverluste durch höhere Schaltfrequenzen im Vergleich zu herkömmlichen Wechselrichtern um zwei Drittel reduziert.

3) Wärmemanagement verwendet Materialien mit überlegener Wärmeleitfähigkeit: Höhere Wärmeleitfähigkeit in PCB-Substratmaterialien verbessert die Wärmeabfuhr. Im Allgemeinen zeigen Harze eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, während Kupferfolienspuren und -vias als ausgezeichnete Wärmeleiter wirken. Folglich umfassen die Schlüsselstrategien des thermischen Managements die Erhöhung der Kupferrückstandsraten, die Erhöhung der Anzahl der thermischen Vias und die Erhöhung der Kupferdicke in ihnen sowie die Einbettung von Kupferblöcken oder Keramikplatten. Gleichzeitig verhindert eine rationale Routing-Konstruktion die Konzentration von Hotspots auf der Leiterplatte.

Wichtige Hindernisse für KI-Server-PCBs:

Herausforderungen bei der High-Speed-Signalintegrität: KI-Server erfordern High-Speed-Interconnect-Fähigkeiten (wie PCIe 5.0/6.0, CXL, HBM-Schnittstellen usw.). Bei der Hochgeschwindigkeitsdifferentialsignalübertragung auf PCBs treten Probleme wie Crosstalk, Reflexionen, Verzögerungen und Verluste auf. Darüber hinaus wird die Aufrechterhaltung der Signalintegrität und die Gewährleistung einer geringen Latenz immer schwieriger, da sich die Anzahl der PCB-Schichten erhöht und die Routing-Dichte intensiviert.

Exorbitante Material- und Fertigungskosten: KI-Server-PCBs erfordern in der Regel leistungsstarke Substrate wie Hochgeschwindigkeitsmaterialien mit niedriger Dielektrikkonstante (Dk) und niedrigem Verlustfaktor (Df) oder sogar Hybridmaterialien. Sie erfordern außerdem ultrahohe Schichtzahlen (20 Schichten und höher) und verwenden präzise HDI und blind/buried über Prozesse. Dies erhöht nicht nur die Fertigungskosten erheblich, sondern erschwert auch die Gewährleistung von Ertragsraten, wodurch die Kosteneffizienz beim großflächigen Einsatz eingeschränkt wird.

Chancen für die Entwicklung der Industrie:

Möglichkeiten durch die Nachfrage nach High-Speed-Interconnection: Um High-Speed-Computing und die Datenübertragung mit großer Bandbreite zu erreichen, stellen KI-Server höhere Anforderungen an PCBs. Dazu gehören mehrschichtige Designs, überlegene Hochgeschwindigkeitssignalintegrität und der Einsatz von verlustarmen Materialien wie Hochfrequenzsubstrate mit ultraniedriger dielektrischer Konstante (Dk) und niedrigem Verlustfaktor (Df). Dies bietet Wachstumsmöglichkeiten für fortgeschrittene PCBs wie HDI, Substrate-Like Package (SLP), Modified Semi-Additive Process (mSAP) und arbitrary-layer interconnect PCBs.

Trotz Herausforderungen in Bezug auf Signalintegrität und Kosten wird die Entwicklung von KI-Server-PCBs durch die Anforderungen an Hochgeschwindigkeits-Interkonnektivität und die Modernisierung der Stromversorgungstechnologie angetrieben. Dies beschleunigt die Penetration fortschrittlicher Produkte mit Aussichten auf eine Steigerung des Marktanteils durch eine Balance zwischen Leistung und Kosten in der Zukunft.