人工知能の急速な発展に伴い、AIサーバー基板をはじめとするAIを支えるハードウェアへの需要が大幅に増加しています。AIワークロードの増加に伴い、サーバーはより多くのデータを処理し、より高性能なアクセラレータと高速なデータ伝送をサポートする必要が生じています。そのため、AIサーバー基板はこれらの厳しい要件を満たすように設計・製造されなければなりません。本稿では、AIサーバー基板の特長、AIコンピューティングシステムで使用される様々な種類の基板、そしてAIサーバー基板の設計における重要なガイドラインについて詳しく解説します。
AIサーバー用PCBとは何ですか？
AIサーバー用PCBは、人工知能ワークロードの高性能コンピューティング要件をサポートするために特別に設計されたプリント基板です。GPU、CPU、高帯域幅メモリ（HBM）、ネットワーク機器、電源供給システムなどの重要なコンポーネントを接続し、電力を供給するための基盤となります。従来のサーバー基板と比較して、AIサーバー用PCBは、より複雑な配線構造、より強力な熱および電力制御能力、高度な材料、そしてより多くの層数を必要とします。
AIサーバー基板と標準サーバー基板：主な違い
AIサーバーは標準サーバーとシステムアーキテクチャは似ていますが、使用されるプリント基板（PCB）に対する要求水準は標準サーバーよりもはるかに高くなっています。AIサーバー用PCBは、より高精度で複雑な構造を持ち、データ処理能力も高く、当然ながら標準サーバー用PCBよりも高価です。
以下の表は、AIサーバー用PCBと標準サーバー用PCBの主な違いを比較したものです。
| 機能 | 標準サーバー基板 | AIサーバーPCB |
| レイヤー数 | 通常8～24層 | 一般的に28～46層 |
| 板厚 | 2mm-5mm | 4mm-5mm |
| アスペクト比 | 15まで：1 | 20まで：1 |
| データレート | PCIe 4.0 (16 GT/秒) | PCIe 5.0/6.0、112G/224Gネットワーク |
| 材料 | 標準FR4または中損失材料 | 低損失および超低損失材料 |
| 電力密度 | 穏健派 | 非常に高い |
| 熱要件 | 従来の冷却ソリューション | 高度な熱管理 |
| PCBの複雑さ | 技法 | すごく高い |
AIサーバーでよく見られる7種類の主要なPCBタイプ
AIサーバーには通常、数種類のプリント基板（PCB）が搭載されており、それぞれがコンピューティング、通信、ストレージ、電力供給、システム管理といった特定の機能を果たします。AIサーバーに搭載されている主な7種類のPCBは以下のとおりです。
1. GPUベースボード（ユニットベースボード／UBB）
GPUベースボードは、GPUモジュールのマウント、高速NVLink接続のルーティング、およびPCIeホストインターフェースの提供を行うプラットフォームとしての役割を果たします。通常、このようなPCBは、Megtron 7などの超低損失ラミネート材（24～32層）で構成され、112G/224G PAM4 AIワークロードの極めて高い信号完全性要件を満たすために、厳密なインピーダンス制御が求められます。
2. GPUアクセラレータモジュール基板（OAM/SXM）
このボードには、GPUパッケージ、HBMメモリスタック、およびオンボード電源管理（VRM）が統合されています。モジュール基板には、超高密度な16～20層のHDI構造と、極めて細い配線幅と間隔が求められます。
3. サーバーマザーボード（CPUホストボード）
AIサーバーで使用されるサーバーマザーボードは、ホストCPU、システムメモリ、PCIeインターフェース、およびBMCを接続する中心的なハブです。この種のPCBは通常16層から24層で構成され、高密度DDR5メモリチャネルと高速な場合において、強力な信号完全性を提供する必要があります。 PCIe Gen5第6世代バス。
4. 電源基板／PSU基板
これらのボードは、AC-DC変換処理を行い、高効率48V電源供給ネットワーク（PDN）を介して電力を供給するために使用されます。厚い銅層（通常2～3オンス以上）、高電圧絶縁、優れた熱管理機能を備え、プロセッサアレイに数千ワットの電力を安定して供給します。
5. NVSwitchボード（ファブリックトレイ）
NVSwitchボードは、ラック規模のシステムにおいて、GPU間フルメッシュNVLinkルーティングを管理するために使用されます。通常32層から40層、あるいはそれ以上の非常に多くの層数を持つことが特徴です。Any-Layer HDI/ELIC構造と超低損失の高品質材料を採用することで、大規模かつ高密度な相互接続ファブリック全体で信号品質を維持できます。
6. ネットワークインターフェースカード（NIC/DPU）
これは、ConnectXまたはBlueFieldアーキテクチャに基づく超高速クラスタネットワークをサポートするために使用されます。これらの回路基板は、PCIe Gen5/Gen6インターフェースと400G～800Gのデータ転送に対応するように設計されており、AIサーバーが大量のデータを高速で送受信することを可能にします。
7. 経営委員会（BMC）
他のAIサーバー用PCBと比較して、この管理基板は層数が少なく、通常6～10層で、ほとんどが標準的なFR4素材で作られています。しかし、帯域外サーバー管理機能を提供するため、管理者はメインCPUとは独立してハードウェアの状態、電力特性、温度を監視することができます。
AIサーバー基板の主な特徴
AIサーバー用プリント基板は、さまざまな高度な技術要件を満たすように設計されています。以下に、標準的なサーバー基板と異なる主な特徴を示します。
- 高層数
AIサーバー用プリント基板は、より高い配線密度、より複雑な配電ネットワークの処理、およびより高速なデータ伝送に対応する必要があるため、標準的なサーバー用プリント基板よりも多くの層を備えています。これらの要件を満たすには、多層構造が不可欠です。
- 高速信号伝送
AIサーバーは、CPU、GPU、メモリ、ネットワーク機器間で膨大な量のデータを転送する必要があります。そのため、AIサーバー用プリント基板は、高速かつ信頼性の高いシステム性能を確保するために、高速信号伝送に対応していなければなりません。
- 低損失材料
データ量が増加するにつれて、挿入損失はより深刻な問題となります。そのため、AIサーバーのプリント基板は通常、Megtron 6、Megtron 7、Tachyon 100Gなどの低損失材料や、その他の超低損失積層板で作られています。
- 高出力供給要件
AIアクセラレータは、従来のサーバーコンポーネントよりも大幅に多くの電力を消費します。そのため、AIサーバーのプリント基板は通常、安定した効率的なシステム動作をサポートするために、堅牢な電力供給機能を備えて製造されています。
- 高度な熱管理
AIサーバー用プリント基板は、高度な熱管理機能を備えています。最適な放熱を実現するため、これらの回路基板は、サーマルビア、広範囲にわたる銅プレーン、および最適化された部品配置によって設計されています。
- HDI構造
多くのAIサーバーアプリケーションでは、微細ピッチパッケージと高密度配線に対応するためにHDI技術が求められます。マイクロビア、ブラインドビア、埋め込みビア、シーケンシャルラミネーションなどの技術は、最新のGPUおよびアクセラレータ設計で必要とされる配線密度を実現するために一般的に使用されています。
参考文献： ブラインドビアと埋め込みビア: 違いは何ですか?
AIサーバー基板設計ガイドライン
AIサーバー用プリント基板の設計は、従来のサーバー基板の設計よりもはるかに複雑です。開発プロセス全体を通して、いくつかの重要な設計原則を考慮する必要があります。
早めにスタックアップを計画しましょう
AIサーバーのプリント基板は、多数の高速インターフェースと複雑な電源分配システムを備えているため、設計段階の早い段階から積層構造の計画を開始する必要があります。高速信号は内層に配置し、バランスの取れた層構造を維持し、電源プレーンとグランドプレーンを戦略的に配置することで、信号品質を向上させ、干渉を低減します。
高速ルーティングを最適化する
PCIe、DDRメモリ、高速ネットワークチャネルの配線は慎重に行う必要があります。システム全体で最高の信号品質を維持するためには、PCB設計者はインピーダンス制御、長さ整合、クロストーク低減など、さまざまな側面を考慮しなければなりません。
低インピーダンス配電ネットワークを構築する
GPUやAIアクセラレータの電力需要は増大の一途を辿っており、電力の安定性は設計上の重要な課題となっています。この目標を達成するためには、AIサーバーのPCB設計プロセスにおいて、最適化された電源プレーン、適切なデカップリングコンデンサの配置、そして効率的な電流経路が必要となります。
熱管理を最適化する
AIサーバーのプリント基板を設計する際に考慮すべきもう一つの重要な要素は、高性能GPUやAIアクセラレータによって発生する熱です。放熱性を向上させ、熱によるホットスポットを低減するために、サーマルビア、銅プレーン、および部品配置を工夫することができます。
HDIテクノロジーを使用する
最新のAIサーバー用プリント基板（PCB）は、通常、多数のピンを持つデバイスと高度なパッケージを使用するため、高密度な配線が必要となります。配線効率を向上させるために、マイクロビア、ブラインドビア、埋め込みビア、シーケンシャルラミネーションなどのHDI技術が、より複雑なPCB設計をサポートするために頻繁に用いられています。
スタブ効果による最小化
AIサーバーアプリケーションで信頼性の高い高速データ伝送を維持するには、ビアスタブの長さを短くすることが重要です。 バックドリル そして、最適化されたビア構造が、この目的のために一般的に使用される。
信頼性を考慮した設計
AIサーバープラットフォームは、長期間にわたって連続稼働することが求められる。そのため、材料選定、熱設計、製造品質のすべてが、長期的な信頼性と安定稼働を支えるものでなければならない。
MOKO TechnologyのAIサーバー用PCB製造能力
AIサーバーのPCBメーカーを選ぶ際には、プロフェッショナルで経験豊富で有能なメーカーを見つけることが重要です。MOKO Technologyは、PCB業界で20年の経験を持ち、PCB製造と PCBアセンブリサービス 高度なコンピューティングおよびAIサーバーアプリケーション向け。当社の機能は以下のとおりです。
- 最大40層の多層基板製造に対応し、AIサーバーアーキテクチャ向けの複雑な多層配線をサポート。
- HDI PCB精密なレーザー加工によるマイクロビアを用いた製造
- 高周波・高速信号の完全性を確保するための低損失材料加工
- TDRテストによりインピーダンス制御が検証済み
- BGAアセンブリ1000以上の半田接合部
- AOI、3D AXI X線検査、ICT、機能テストを含む包括的な品質保証
試作品であろうと大量生産であろうと、MOKO TechnologyはAIサーバーアプリケーションの性能、信頼性、信号完全性に関する要件を満たすように設計されたエンドツーエンドのPCBソリューションを提供します。 今すぐお問い合わせください。 無料の見積もりを取得します。
AIサーバー基板に関するよくある質問
1. AIサーバーPCBとは何ですか？
AIサーバー用プリント基板は、AIサーバー専用に設計されたプリント基板です。標準的なサーバー用プリント基板と比較して、より高い演算能力、より高速なデータ伝送、そしてより大きな消費電力に対応しています。
2. AIサーバーのプリント基板は通常、何層構造になっていますか？
一般的に、AIサーバーのプリント基板は28層から40層の範囲で層数が多い。しかし、より高度な設計では、さらに多くの層数が必要となる場合もある。
3. AIサーバーのプリント基板には、なぜ低損失材料が必要なのでしょうか？
低損失材料は信号減衰を低減し、信号の完全性を維持することができるため、PCIe 5.0、PCIe 6.0、および高度なネットワーク技術などの高速インターフェースをサポートする必要があるAIサーバーのプリント基板にとって不可欠です。
4. AIサーバーのPCB設計における主な課題は何ですか？
主な課題としては、信号完全性、電源完全性、熱管理、ルーティング密度、信頼性、そしてますます高速化するデータ伝送速度などが挙げられる。
5. AIサーバーのプリント基板には、どのような製造技術が一般的に使用されていますか？
AIサーバー用PCBの製造工程では、HDI製造、シーケンシャルラミネーション、バックドリル加工、インピーダンス制御製造などの技術が一般的に用いられます。
