PCB del servidor AI

Las PCB de servidor de IA sirven como la plataforma electrónica fundamental, conectando y soportando los procesadores, la memoria, los aceleradores y los sistemas de gestión de energía necesarios para las cargas de trabajo computacionales de inteligencia artificial. Dentro de los servidores de IA, el diseño de PCB aborda la transmisión de señal de alta velocidad, la alta densidad de potencia y la gestión térmica para satisfacer las demandas de los clústeres GPU / TPU y el procesamiento de datos a gran escala.

Los servidores de IA involucran principalmente tres categorías clave de productos de PCB: los sustratos de GPU suelen emplear placas de alta capa que superan las 20 capas; los módulos aceleradores de IA compactos se basan predominantemente en HDI de 4 a 5 capas para interconexiones de alta densidad; mientras que las placas madre tradicionales de la CPU forman la estructura de soporte fundamental. A medida que los servidores de IA se someten a actualizaciones iterativas, las placas madre GPU están haciendo una transición progresiva hacia estructuras HDI. Esta tendencia posiciona a HDI avanzado como el segmento de más rápido crecimiento dentro del mercado de PCB de servidores de IA en los próximos cinco años, con una demanda particularmente urgente de productos de cuarta capa y superiores.

Dentro de los servidores, las PCB se despliegan principalmente en componentes como placas de acelerador, placas madre, backplanes de fuente de alimentación, backplanes de disco duro, tarjetas de interfaz de red y tarjetas ascendentes. Sus características principales se manifiestan como altos recuentos de capas, altas relaciones de aspecto, alta densidad y altas velocidades de transmisión. A medida que las plataformas de servidor se someten a una iteración y actualizaciones continuas, el número de capas de PCB aumenta continuamente, imponiendo mayores demandas en los materiales, el diseño y los procesos de fabricación.

Tres relaciones de suministro gobiernan los PCB de servidor de IA:

Los conjuntos de placas de GPU están totalmente diseñados por los fabricantes de GPU, que en consecuencia dictan los arreglos de suministro de PCB.

Los conjuntos de placas de CPU se adhieren a las relaciones establecidas de la cadena de suministro del fabricante del servidor. Las tarjetas portadoras de CPU son determinadas por el diseñador de CPU, mientras que las plantillas de CPU y las tarjetas de expansión para el sistema completo son especificadas por el cliente final. Para la mayoría de los otros PCB equipados con chip, el cliente presenta los requisitos de diseño a los fabricantes de componentes funcionales, que luego determinan de forma independiente la adquisición de PCB.

• Accesorios: Los accesorios son típicamente comprados directamente por los clientes de fabricantes de módulos establecidos. En algunos escenarios, los clientes pueden proponer requisitos de diseño específicos a los proveedores de módulos accesorios, aunque esto no afecta a la autonomía del proveedor de módulos en las decisiones de adquisición de PCB.

En las actualizaciones de fuente de alimentación de servidores de IA, los PCB sufren mejoras en materiales, procesos y otros aspectos. Como portador de componentes electrónicos, los PCB dentro de las fuentes de alimentación del servidor se utilizan en módulos tales como interruptores de alimentación, filtros de alimentación, reguladores de voltaje y disipadores de calor. En comparación con los servidores de uso general, los PCB en las fuentes de alimentación de servidores de IA presentan mejoras en materiales, técnicas de fabricación y tecnología.

1) Mayor espesor de cobre para acomodar corrientes más altas: las interconexiones de PCB dependen de trazas de cobre puro en el sustrato. La hoja de cobre más gruesa permite una mayor capacidad de carga de corriente. La lámina de cobre representa aproximadamente el 9% de las materias primas aguas arriba de PCB, mientras que los materiales laminados revestidos de cobre constituyen más del 30%. La hoja de cobre es también una materia prima primaria para los laminados revestidos de cobre, representando aproximadamente el 40% de su costo. El aumento del grosor del cobre impone simultáneamente mayores demandas en procesos como la laminación prepreg entre capas, la perforación y la galvanoplastia, elevando significativamente el valor de los productos de PCB.

2) Incorporar módulos de potencia para mejorar la densidad de potencia: la tecnología del módulo de potencia incrustado de PCB tiene un inmenso potencial de rendimiento. En comparación con los métodos de envasado tradicionales, los módulos de potencia incorporados en PCB pueden aumentar la capacidad de carga de corriente por semiconductor en aproximadamente un 40%, o reducir el uso de semiconductores en un tercio para una salida de corriente equivalente. Bajo condiciones de salida de potencia idénticas, se espera que el costo de material de los módulos de potencia disminuya en un 20%. Las pérdidas totales de conmutación del inversor se reducen a un tercio de los productos de inversor convencionales. En consecuencia, el aumento de las pérdidas de conmutación resultantes de frecuencias de conmutación más altas se reduce en dos tercios en comparación con los inversores tradicionales.

3) La gestión térmica emplea materiales con conductividad térmica superior: La conductividad térmica superior en los materiales de sustrato de PCB mejora la disipación del calor. Generalmente, las resinas muestran una mala conductividad térmica, mientras que las trazas y los vias de la lámina de cobre actúan como excelentes conductores térmicos. En consecuencia, las estrategias clave de gestión térmica incluyen aumentar las tasas de residuos de cobre, aumentar el número de vías térmicas y mejorar el grosor de cobre dentro de ellas, e incrustar bloques de cobre o placas cerámicas. Al mismo tiempo, el diseño de enrutamiento racional evita la concentración de puntos calientes en la PCB.

Los principales obstáculos a los que se enfrentan las PCB de servidor de IA:

Retos en la integridad de la señal de alta velocidad: los servidores de IA requieren capacidades de interconexión de alta velocidad (como interfaces PCIe 5.0/6.0, CXL, HBM, etc.). Durante la transmisión de señal diferencial de alta velocidad en PCB, surgen fácilmente problemas como crosstalk, reflexiones, retrasos y pérdidas. Además, a medida que aumentan los recuentos de capas de PCB y se intensifica la densidad de enrutamiento, mantener la integridad de la señal y garantizar una baja latencia se vuelve progresivamente más difícil.

Costos de fabricación y materiales exorbitantes: Los PCB de servidores de IA generalmente requieren sustratos de alto rendimiento, como materiales de alta velocidad con baja constante dieléctrica (Dk) y bajo factor de pérdida (Df), o incluso materiales híbridos. También exigen recuentos de capas ultra altos (20 capas y más) y emplean HDI de precisión y ciego / enterrado a través de procesos. Esto no solo aumenta sustancialmente los costos de fabricación, sino que también hace que las tasas de rendimiento sean difíciles de garantizar, lo que limita la rentabilidad durante el despliegue a gran escala.

Oportunidades para el desarrollo de la industria:

Oportunidades impulsadas por la demanda de interconexión de alta velocidad: Para lograr la computación de alta velocidad y la transmisión de datos de gran ancho de banda, los servidores de IA imponen requisitos más altos a las PCB. Estos incluyen diseños de múltiples capas, integridad superior de la señal de alta velocidad, y el uso de materiales de baja pérdida tales como sustratos de alta frecuencia y alta velocidad que presentan una constante dieléctrica ultrabaja (Dk) y un factor de pérdida bajo (Df). Esto presenta oportunidades de crecimiento para PCBs avanzados como HDI, Paquete similar al sustrato (SLP), proceso semiaditivo modificado (mSAP) y PCBs de interconexión de capa arbitraria.

A pesar de enfrentar desafíos de integridad de señal y costos, el desarrollo de PCB de servidor de IA está siendo impulsado por las demandas de interconexión de alta velocidad y las actualizaciones de la tecnología de suministro de energía. Esto está acelerando la penetración de productos avanzados, con perspectivas de ampliar la cuota de mercado equilibrando el rendimiento y el costo en el futuro.