PCB server AI

I PCB server AI fungono da piattaforma elettronica fondamentale, collegando e supportando i processori, la memoria, gli acceleratori e i sistemi di gestione della potenza necessari per i carichi di lavoro informatici dell'intelligenza artificiale. All'interno dei server AI, la progettazione dei PCB affronta la trasmissione di segnale ad alta velocità, l'alta densità di potenza e la gestione termica per soddisfare le esigenze dei cluster GPU / TPU e dell'elaborazione dei dati su larga scala.

I server AI coinvolgono principalmente tre categorie chiave di prodotti PCB: i substrati GPU impiegano comunemente schede ad alto strato che superano i 20 strati; i moduli acceleratori AI compatti si basano prevalentemente su HDI a 4-5 strati per interconnessioni ad alta densità; mentre le schede madri CPU tradizionali formano la struttura di supporto fondamentale. Mentre i server AI subiscono aggiornamenti iterativi, le schede madri GPU stanno progressivamente passando verso strutture HDI. Questa tendenza posiziona l'HDI avanzato come il segmento in più rapida crescita nel mercato dei PCB server AI nei prossimi cinque anni, con una domanda particolarmente urgente di prodotti di quarto strato e superiori.

All'interno dei server, i PCB sono principalmente impiegati in componenti come schede acceleratore, schede madri, backplanes di alimentazione, backplanes di disco rigido, schede di interfaccia di rete e schede riser. Le loro caratteristiche fondamentali si manifestano come un alto numero di strati, elevati rapporti di aspetto, alta densità e elevate velocità di trasmissione. Mentre le piattaforme server subiscono iterazioni e aggiornamenti continui, il numero di strati di PCB aumenta continuamente, imponendo esigenze più elevate sui materiali, sulla progettazione e sui processi di produzione.

Tre relazioni di fornitura governano i PCB server AI:

Gli assemblaggi di schede GPU sono interamente progettati dai produttori di GPU, che di conseguenza dettano le disposizioni di alimentazione dei PCB.

Gli assemblaggi di schede CPU aderiscono alle relazioni della catena di fornitura dei produttori di server stabilite. Le schede portatrici della CPU sono determinate dal progettista della CPU, mentre i modelli della CPU e le schede di espansione per il sistema completo sono specificati dal cliente finale. Per la maggior parte degli altri PCB dotati di chip, il cliente presenta i requisiti di progettazione ai produttori di componenti funzionali, che quindi determinano in modo indipendente l'acquisto dei PCB.

• Accessori: gli accessori sono in genere acquistati direttamente dai clienti di produttori di moduli stabiliti. In alcuni scenari, i clienti possono proporre specifici requisiti di progettazione ai fornitori di moduli accessori, anche se questo non influisce sull'autonomia del fornitore di moduli nelle decisioni di approvvigionamento dei PCB.

Negli aggiornamenti dell'alimentazione dei server AI, i PCB subiscono miglioramenti nei materiali, nei processi e in altri aspetti. Come supporto per i componenti elettronici, i PCB all'interno degli alimentatori del server vengono utilizzati in moduli come interruttori di alimentazione, filtri di alimentazione, regolatori di tensione e dissipatori di calore. Rispetto ai server di uso generale, i PCB nelle alimentazioni per server AI presentano aggiornamenti nei materiali, nelle tecniche di produzione e nella tecnologia.

1) Aumento dello spessore del rame per accogliere correnti più elevate: le interconnessioni del PCB si basano su tracce di rame puro sul substrato. Il foglio di rame più spesso consente una maggiore capacità di trasporto di corrente. Il foglio di rame rappresenta circa il 9% delle materie prime a monte del PCB, mentre i materiali laminati rivestiti di rame costituiscono oltre il 30%. Il foglio di rame è anche una materia prima primaria per i laminati rivestiti di rame, che rappresenta circa il 40% del loro costo. L'aumento dello spessore del rame impone contemporaneamente esigenze più elevate a processi come la laminazione prepreg tra strati, la perforazione e la galvanizzazione, aumentando significativamente il valore dei prodotti PCB.

2) Incorporare moduli di potenza per migliorare la densità di potenza: la tecnologia del modulo di potenza incorporato del PCB detiene un potenziale di prestazioni immenso. Rispetto ai metodi di imballaggio tradizionali, i moduli di potenza incorporati in PCB possono aumentare la capacità di trasporto di corrente per semiconduttore di circa il 40%, o ridurre l'uso dei semiconduttori di un terzo per l'output di corrente equivalente. In condizioni di potenza identiche, si prevede che il costo del materiale dei moduli di potenza diminuisca del 20%. Le perdite complessive di commutazione dell'inverter sono ridotte a un terzo dei prodotti inverter convenzionali. Di conseguenza, l'aumento delle perdite di commutazione derivanti da frequenze di commutazione più elevate è ridotto di due terzi rispetto agli inverter tradizionali.

3) La gestione termica impiega materiali con conduttività termica superiore: una conduttività termica superiore nei materiali di substrato del PCB migliora la dissipazione del calore. Generalmente, le resine presentano una cattiva conduttività termica, mentre le tracce e i vias della foglia di rame agiscono come ottimi conduttori termici. Di conseguenza, le strategie chiave di gestione termica includono l'aumento dei tassi di residui di rame, l'aumento del numero di vias termici e il miglioramento dello spessore del rame all'interno di essi e l'incorporamento di blocchi di rame o piastre ceramiche. Allo stesso tempo, la progettazione razionale del routing impedisce la concentrazione di hotspot sul PCB.

Gli ostacoli principali che affrontano i PCB server AI:

Sfide nell'integrità del segnale ad alta velocità: i server AI richiedono capacità di interconnessione ad alta velocità (come interfacce PCIe 5.0/6.0, CXL, HBM, ecc.). Durante la trasmissione di segnale differenziale ad alta velocità sui PCB, emergono facilmente problemi come crosstalk, riflessioni, ritardi e perdite. Inoltre, con l'aumento del numero di strati dei PCB e l'intensificazione della densità di routing, il mantenimento dell'integrità del segnale e la garanzia di una bassa latenza diventano progressivamente più impegnativi.

Materiale esorbitante e costi di fabbricazione: i PCB server AI richiedono tipicamente substrati ad alte prestazioni, come materiali ad alta velocità con bassa costante dielettrica (Dk) e basso fattore di perdita (Df), o persino materiali ibridi. Richiedono inoltre numeri di strati ultra-alti (20 strati e oltre) e impiegano processi di precisione HDI e ciechi / sepolti. Ciò non solo aumenta sostanzialmente i costi di produzione, ma rende anche difficili garantire i tassi di rendimento, limitando così l'efficienza dei costi durante la distribuzione su larga scala.

Opportunità di sviluppo industriale:

Opportunità guidate dalla domanda di interconnessione ad alta velocità: per raggiungere il calcolo ad alta velocità e la trasmissione di dati a grande larghezza di banda, i server AI impongono requisiti più elevati ai PCB. Questi includono progetti multi-strato, integrità superiore del segnale ad alta velocità e l'uso di materiali a bassa perdita come substrati ad alta frequenza e ad alta velocità con costante dielettrica ultrabassa (Dk) e basso fattore di perdita (Df). Ciò presenta opportunità di crescita per i PCB avanzati come HDI, Substrate-Like Package (SLP), processo semi-additivo modificato (mSAP) e PCB ad interconnessione a strato arbitrario.

Nonostante le sfide legate all'integrità del segnale e ai costi, lo sviluppo dei PCB server AI è guidato dalle esigenze di interconnessione ad alta velocità e dagli aggiornamenti della tecnologia di alimentazione. Ciò sta accelerando la penetrazione di prodotti avanzati, con prospettive di espansione della quota di mercato bilanciando prestazioni e costi in futuro.