Das rasante Wachstum künstlicher Intelligenz (KI) hat die Nachfrage nach der entsprechenden Hardware, darunter auch KI-Server-Leiterplatten, erheblich gesteigert. Da die KI-Workloads stetig zunehmen, müssen Server größere Datenmengen verarbeiten und leistungsfähigere Beschleuniger sowie schnellere Datenübertragung unterstützen. Daher müssen KI-Server-Leiterplatten so konzipiert und gefertigt werden, dass sie diesen hohen Anforderungen gerecht werden. Dieser Artikel beleuchtet die Eigenschaften von KI-Server-Leiterplatten, die verschiedenen in KI-Systemen verwendeten Leiterplattentypen sowie wichtige Designrichtlinien für KI-Server-Leiterplatten.
Was ist eine AI-Server-Leiterplatte?
Eine KI-Server-Leiterplatte ist eine speziell für die hohen Rechenanforderungen von KI-Anwendungen entwickelte Leiterplatte. Sie dient als Grundlage für den Anschluss und die Stromversorgung kritischer Komponenten wie GPUs, CPUs, HBM-Speicher (High-Bandwidth Memory), Netzwerkgeräte und Stromversorgungssysteme. Im Vergleich zu herkömmlichen Serverplatinen benötigen KI-Server-Leiterplatten komplexere Leiterbahnstrukturen, eine verbesserte Wärme- und Stromversorgung, fortschrittliche Materialien und eine höhere Lagenanzahl.
KI-Server-Leiterplatte vs. Standard-Server-Leiterplatte: Wichtigste Unterschiede
Obwohl KI-Server eine ähnliche Systemarchitektur wie Standardserver aufweisen, stellen sie deutlich höhere Anforderungen an die verwendeten Leiterplatten. Leiterplatten für KI-Server sind präziser und komplexer, leistungsfähiger in der Datenverarbeitung und daher natürlich teurer als Standardserver-Leiterplatten.
Die folgende Tabelle vergleicht die wichtigsten Unterschiede zwischen der KI-Server-Leiterplatte und der Standard-Server-Leiterplatte:
| Funktion | Standard-Server-Leiterplatte | AI-Server-PCB |
| Ebenenanzahl | Typischerweise 8–24 Schichten | Üblicherweise 28–46 Schichten |
| Brettdicke | 2mm-5mm | 4mm-5mm |
| Seitenverhältnis | Bis zu 15: 1 | Bis zu 20: 1 |
| Datenrate | PCIe 4.0 (16 GT/s) | PCIe 5.0/6.0, 112G/224G Netzwerk |
| Materialien | Standard-FR4- oder mittelverlustbehaftete Materialien | verlustarme und sehr verlustarme Materialien |
| Leistungsdichte | Moderat | Extrem hoch |
| Thermische Anforderungen | Konventionelle Kühllösungen | Erweitertes Wärmemanagement |
| PCB-Komplexität | Medium | Sehr hohe |
7 Haupttypen von Leiterplatten, die in KI-Servern zu finden sind
Ein KI-Server enthält typischerweise verschiedene Arten von Leiterplatten (PCBs), die jeweils spezifische Funktionen für Rechenleistung, Kommunikation, Datenspeicherung, Stromversorgung und Systemverwaltung erfüllen. Hier sind die sieben wichtigsten Leiterplattentypen, die in KI-Servern zu finden sind:
1. GPU-Basisplatine (Unit Baseboard / UBB)
Die GPU-Basisplatine dient als Plattform zur Montage von GPU-Modulen, zur Verlegung von Hochgeschwindigkeits-NVLink-Verbindungen und zur Bereitstellung von PCIe-Hostschnittstellen. Typischerweise bestehen diese Leiterplatten aus verlustarmen Laminaten wie Megtron 7 mit 24 bis 32 Lagen und erfordern zudem eine präzise Impedanzkontrolle, um die extremen Anforderungen an die Signalintegrität für 112G/224G PAM4 KI-Workloads zu erfüllen.
2. GPU-Beschleunigermodul-Leiterplatte (OAM/SXM)
Diese Platine integriert die GPU, HBM-Speicher und die Onboard-Spannungsversorgung (VRMs). Die Modul-Leiterplatte erfordert eine extrem dichte 16- bis 20-lagige HDI-Konstruktion mit extrem feinen Leiterbahnbreiten und -abständen.
3. Server-Motherboard (CPU-Hostplatine)
Das in KI-Servern verwendete Server-Motherboard ist die zentrale Schnittstelle zwischen Host-CPUs, Arbeitsspeicher, PCIe-Schnittstellen und BMC. Diese Leiterplatten bestehen üblicherweise aus 16 bis 24 Lagen und müssen bei hochdichten DDR5-Speicherkanälen und hohen Übertragungsgeschwindigkeiten eine hohe Signalintegrität gewährleisten. PCIe Gen5/Gen6-Busse.
4. Netzteilplatine / PSU-Leiterplatte
Diese Platinen dienen der AC/DC-Wandlung und der Stromversorgung über ein hocheffizientes 48-V-Stromversorgungsnetzwerk (PDN). Sie zeichnen sich durch dicke Kupferschichten (typischerweise 2–3 oz oder mehr), Hochspannungsisolation und ein gutes Wärmemanagement aus, um die Prozessoranordnung zuverlässig mit Tausenden von Watt zu versorgen.
5. NVSwitch-Platine (Stoffträger)
NVSwitch-Karten dienen der Verwaltung von vollständig vermaschten NVLink-Verbindungen zwischen GPUs in Rack-Systemen. Sie zeichnen sich durch eine extrem hohe Lagenanzahl aus, üblicherweise 32 bis 40 oder sogar mehr. Dank ihrer Any-Layer-HDI/ELIC-Konstruktion und der Verwendung hochwertiger, verlustarmer Materialien gewährleisten sie eine gleichbleibende Signalqualität auch in massiven, dichten Verbindungsnetzen.
6. Netzwerkkarte (NIC / DPU)
Dies dient der Unterstützung von Hochgeschwindigkeits-Clusternetzwerken auf Basis von ConnectX- oder BlueField-Architekturen. Die Leiterplatten sind für PCIe Gen5/Gen6-Schnittstellen und Datenübertragungsraten von 400 Gbit/s bis 800 Gbit/s ausgelegt und ermöglichen es KI-Servern, große Datenmengen in kürzester Zeit zu senden und zu empfangen.
7. Verwaltungsrat (BMC)
Im Vergleich zu anderen KI-Server-Leiterplatten weist die Managementplatine eine geringere Lagenanzahl auf (typischerweise 6–10 Lagen) und besteht größtenteils aus Standard-FR4-Materialien. Sie ermöglicht Administratoren jedoch die unabhängige Überwachung von Hardwarezustand, Leistungsaufnahme und Temperatur, da sie Out-of-Band-Servermanagementfunktionen bereitstellt.
Hauptmerkmale von KI-Server-Leiterplatten
Server-Leiterplatten für KI-Systeme werden entwickelt, um eine Reihe anspruchsvoller technischer Anforderungen zu erfüllen. Im Folgenden sind die wichtigsten Merkmale aufgeführt, die sie von Standard-Serverplatinen unterscheiden:
- Hohe Legehennenzahlen
Server-Leiterplatten für KI-Systeme verfügen über mehr Lagen als Standard-Server-Leiterplatten, da sie eine höhere Leiterbahndichte, komplexere Stromverteilungsnetze und eine schnellere Datenübertragung ermöglichen müssen. Der mehrlagige Aufbau ist unerlässlich, um diese Anforderungen zu erfüllen.
- Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung
KI-Server müssen enorme Datenmengen zwischen CPUs, GPUs, Arbeitsspeicher und Netzwerkgeräten übertragen. Daher müssen die Leiterplatten von KI-Servern Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung unterstützen, um eine schnelle und zuverlässige Systemleistung zu gewährleisten.
- Verlustarme Materialien
Mit zunehmender Datenmenge gewinnt die Einfügungsdämpfung an Bedeutung. Daher werden Leiterplatten für KI-Server üblicherweise aus verlustarmen Materialien wie Megtron 6, Megtron 7, Tachyon 100G und anderen extrem verlustarmen Laminaten hergestellt.
- Hohe Anforderungen an die Stromversorgung
KI-Beschleuniger verbrauchen wesentlich mehr Energie als herkömmliche Serverkomponenten; daher werden KI-Server-Leiterplatten üblicherweise mit robusten Stromversorgungsfunktionen ausgestattet, um einen stabilen und effizienten Systembetrieb zu gewährleisten.
- Erweitertes Wärmemanagement
Die Leiterplatten von KI-Servern zeichnen sich durch ein fortschrittliches Wärmemanagement aus. Um eine optimale Wärmeableitung zu erreichen, sind diese Leiterplatten mit thermischen Durchkontaktierungen, großflächigen Kupferoberflächen und einer optimierten Bauteilplatzierung ausgestattet.
- HDI-Strukturen
Viele KI-Serveranwendungen benötigen HDI-Technologien, um die Anforderungen an feine Rasterteilung und dichte Leiterbahnführung zu erfüllen. Mikro-Vias, Blind-Vias, Buried-Vias und sequentielle Laminierungstechniken werden häufig eingesetzt, um die für moderne GPU- und Beschleunigerdesigns erforderliche Leiterbahndichte zu erreichen.
Weiter lesen: Blind Via und Buried Via: Was ist der Unterschied?
Richtlinien für das Leiterplattendesign von KI-Servern
Die Entwicklung von Leiterplatten für KI-Server ist weitaus komplexer als die Entwicklung herkömmlicher Serverplatinen. Während des gesamten Entwicklungsprozesses müssen mehrere wichtige Designprinzipien berücksichtigt werden.
Planen Sie den Stapel frühzeitig
Die Leiterplatten von KI-Servern verfügen über zahlreiche Hochgeschwindigkeitsschnittstellen und ein komplexes Stromverteilungssystem. Daher sollte die Lagenplanung bereits in der Entwurfsphase beginnen. Hochgeschwindigkeitssignale sollten in den inneren Lagen platziert werden. Eine ausgewogene Lagenstruktur ist wichtig, und die Strom- und Masseflächen sollten strategisch angeordnet werden, um die Signalqualität zu verbessern und Interferenzen zu reduzieren.
Optimierung des Hochgeschwindigkeits-Routings
Eine sorgfältige Verlegung der PCIe-, DDR-Speicher- und Hochgeschwindigkeitsnetzwerkkanäle ist unerlässlich. Um eine optimale Signalqualität im gesamten System zu gewährleisten, müssen Leiterplattenentwickler Aspekte wie kontrollierte Impedanz, Längenanpassung, Reduzierung von Übersprechen und weitere Faktoren berücksichtigen.
Aufbau eines niederohmigen Stromverteilungsnetzes
Der Energiebedarf von GPUs und KI-Beschleunigern steigt stetig, wodurch die Stromversorgungssicherheit zu einem zentralen Designaspekt wird. Um dies zu gewährleisten, sind optimierte Stromversorgungsebenen, die korrekte Platzierung von Entkopplungskondensatoren und effiziente Strompfade im Leiterplattendesignprozess von KI-Servern unerlässlich.
Optimierung des Wärmemanagements
Ein weiterer entscheidender Faktor bei der Entwicklung von Leiterplatten für KI-Server ist die Wärmeentwicklung durch leistungsstarke GPUs und KI-Beschleuniger. Durch thermische Durchkontaktierungen, Kupferflächen und die Anordnung der Bauteile lassen sich die Wärmeableitung verbessern und thermische Hotspots reduzieren.
Nutzen Sie HDI-Technologien
Moderne Server-Leiterplatten für KI verwenden üblicherweise Bauteile mit hoher Pin-Anzahl und fortschrittliche Gehäuse, was eine dichte Leiterbahnführung erforderlich macht. Um die Effizienz der Leiterbahnführung zu verbessern, werden häufig HDI-Technologien wie Mikro-Vias, Blind-Vias, Buried-Vias und sequentielle Laminierung eingesetzt, um komplexere Leiterplattendesigns zu ermöglichen.
Minimierung der Via-Stub-Effekte
Um eine zuverlässige Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung in KI-Serveranwendungen zu gewährleisten, ist es wichtig, die Länge der Via-Stubs zu reduzieren. Techniken wie beispielsweise Hinterbohren und optimierte Via-Strukturen werden häufig für diesen Zweck verwendet.
Design für Zuverlässigkeit
Von KI-Serverplattformen wird erwartet, dass sie über lange Zeiträume kontinuierlich betrieben werden. Materialauswahl, Wärmedesign und Fertigungsqualität müssen daher langfristige Zuverlässigkeit und einen stabilen Betrieb gewährleisten.
Die KI-Server-PCB-Fähigkeiten von MOKO Technology
Bei der Auswahl von Leiterplattenherstellern für KI-Server ist es entscheidend, einen professionellen, erfahrenen und kompetenten Partner zu finden. MOKO Technology, mit 20 Jahren Erfahrung in der Leiterplattenindustrie, bietet Leiterplattenfertigung und -bereitstellung an. PCB-Bestückungsdienstleistungen für anspruchsvolle Computer- und KI-Serveranwendungen. Unsere Kompetenzen umfassen:
- Fertigung von Leiterplatten mit hoher Lagenzahl (bis zu 40 Lagen), die komplexes Multilayer-Routing für KI-Serverarchitekturen unterstützen.
- HDI PCBFertigung mit präzise lasergebohrten Mikrovias
- Materialverarbeitung mit geringen Verlusten für die Signalintegrität bei hohen Frequenzen und hohen Geschwindigkeiten
- Kontrollierte Impedanzproduktion, verifiziert durch TDR-Messung
- BGA-Montagemit mehr als 1000 Lötstellen
- Umfassende Qualitätssicherung einschließlich AOI, 3D-AXI-Röntgeninspektion, ICT und Funktionstests
Ob Prototyp oder Serienfertigung – MOKO Technology bietet umfassende Leiterplattenlösungen, die speziell für die Leistungs-, Zuverlässigkeits- und Signalintegritätsanforderungen von KI-Serveranwendungen entwickelt wurden. Jetzt Kontakt aufnehmen um ein kostenloses Angebot zu erhalten.
Häufig gestellte Fragen zur AI Server PCB
1. Was ist eine KI-Server-Leiterplatte?
Eine KI-Server-Leiterplatte ist eine speziell für KI-Server entwickelte Leiterplatte. Im Vergleich zu Standard-Server-Leiterplatten unterstützt sie eine höhere Rechenleistung, schnellere Datenübertragung und einen höheren Stromverbrauch.
2. Wie viele Lagen hat eine typische Leiterplatte eines KI-Servers?
Typischerweise weisen Leiterplatten für KI-Server 28 bis 40 Lagen auf. Komplexere Designs können jedoch noch höhere Lagenzahlen erfordern.
3. Warum benötigen KI-Server-Leiterplatten verlustarme Materialien?
Verlustarme Materialien können die Signaldämpfung verringern und die Signalintegrität aufrechterhalten, was für KI-Server-Leiterplatten unerlässlich ist, da diese Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie PCIe 5.0, PCIe 6.0 und fortschrittliche Netzwerktechnologien unterstützen müssen.
4. Was sind die größten Herausforderungen beim PCB-Design von KI-Servern?
Zu den zentralen Herausforderungen zählen Signalintegrität, Stromversorgungsintegrität, Wärmemanagement, Routingdichte, Zuverlässigkeit und die ständig steigenden Datenübertragungsgeschwindigkeiten.
5. Welche Fertigungstechnologien werden üblicherweise bei Leiterplatten für KI-Server eingesetzt?
Bei der Herstellung von Leiterplatten für KI-Server werden üblicherweise Technologien wie HDI-Fertigung, sequentielle Laminierung, Rückbohren und Fertigung mit kontrollierter Impedanz eingesetzt.
