PCIe-Karte — PCB-Layout und Wärmeanalyse

Hohe Komponentendichte und wenig Platz

Der Markt für FPGA-basierte PCIe-Karten für Serveranwendungen wächst mit immenser Geschwindigkeit.  

Unser Kunde, der sich mit der Entwicklung von SW/FW für handelsübliche PCIe-Karten gut auskennt, stellte fest, dass der Markt nicht allen erforderlichen Hochgeschwindigkeitsfunktionen entspricht. Zur gleichen Zeit brachte Xilinx neue Ultra-Scale-FPGAs auf den Markt, die als erste die magische Grenze von 100 Gbit/s pro Transceiver durchbrachen.

Um sich einen Marktvorteil zu verschaffen, entschied sich der Kunde, eine maßgeschneiderte Karte zu entwickeln.

Im HW-Design fühlte sich der Kunde sicher, doch das Layout und das Wärmemanagement einer solchen Karte stellen selbst für erfahrene Teams eine Herausforderung dar.

Consilia verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung mehrlagiger Hochgeschwindigkeits-Digitalkarten.

Diese Tatsache führte dazu, dass wir als Partner angesprochen wurden, der das jeweilige Produkt durch den Industrialisierungsprozess bis zum laufenden Montageband bringen kann.

Das Layout und das Kühlkörpermanagement stellten das Entwicklungsteam vor mehrere Herausforderungen.  

Da das Board mehrere Marktsegmente abdecken sollte, war die Komponentendichte hoch, und das FPGA befand sich in einem der umfangreichsten Gehäuse für diese Familie.

Der Kühlkörper musste mehrere Komponenten mit unterschiedlichen Höhen und Profilen kühlen und fast 63 W Wärme abführen.  

Die Montage des Kühlkörpers unter Beibehaltung eines guten Kontakts zu den gekühlten Bauteilen und der Begrenzung der Befestigungselemente, die kostbaren Platz auf der Platine beanspruchen, erwies sich als eine weitere mechanische Herausforderung.

Der Erfolg basierte auf der engen Zusammenarbeit von HW-Design-, Layout-Team und Wärmetechniker.

Das HW-Team identifizierte zunächst die Komponenten mit der höchsten Wärmeabgabe und ermittelte deren erwartete Verlustleistung.

Eine Liste dieser Komponenten diente zusammen mit dem erwarteten Luftstrom im Server als Input für die Wärmeanalyse.

Bei der Platzierung gibt es viele, meist widersprüchliche Anforderungen von HW-Designern, Layoutern und Wärmetechnikern. Es braucht Zeit und viel Erfahrung, um Kompromisse zu finden, indem man abwägt, welche Anforderungen "must have" und welche "should have" sind.

Das Consilia-Team baut dieses Fachwissen über Jahrzehnte hinweg auf und ist ein zuverlässiger und qualifizierter Partner für das Design von komplexen, mehrlagigen digitalen Hochgeschwindigkeitsplatinen.

Nach wochenlangen Entwürfen und Simulationen und mehreren Iterationen der Platzierung entwickelten wir ein Design, das die Anforderungen aller beteiligten Parteien erfüllte, wählten das richtige Material für die Wärmeübertragung von den Gehäusen zum Kühlkörper aus und entwarfen den Kühlkörper und seine Montage. Das Design des Kühlkörpers war einzigartig, da die Kühlung von SFP-Käfigen mit Standardrippen nicht möglich war, so dass das thermische Design diese Einschränkung berücksichtigen musste.

Kompakte PCIe-Karte mit erweiterten Funktionen

Im Netzwerksegment ist es wichtig, Serverplatz zu sparen und Ausfälle zu minimieren, indem keine beweglichen Komponenten verwendet werden. Wir entwickelten eine Low-Profile-Single-Slot-PCIe-2 x 100Gbps-Kommunikationskarte mit einem passiven Kühlkörper.

Komplette Hardware und mechanisches Design

Die erste Herausforderung, als wir das betreffende Projekt gewannen, war die Auswahl des Materials für die Leiterplatte. Obwohl sich die Situation seit dem Abschluss dieses Projekts verbesserte, ist es immer noch schwierig, einen Leiterplattenhersteller zu finden, der für 100-Gbit/s-Transceiver ausgelegte Leiterplatten herstellen kann. Die zweite Herausforderung bestand in der Platzierung von Komponenten, da die Abdeckungsdichte der Leiterplatte an die physikalischen Grenzen stieß.

Das Ergebnis war eine Low-Profile-PCIe-Karte mit den folgenden Parametern:

• PCB-Kern von Megtron 6.
• 16-Lagen-Leiterplatte.
• Verwendung von Blind Vias.
• Pakete von Schlüsselkomponenten: 2106 Pin BGA und 324 Pin BGA.
• Bedeckungsgrad der Leiterplatte von mehr als 65 % auf beiden Seiten.
• Transceiver-Paare, die mit 25 Gbit/s arbeiten.
• Kupferkühlkörper mit schwarzer Oxidation und kundenspezifischen Kühlrippen.

Innovativer Produzent im Bereich Infrastruktur

Unser Kunde betreibt und entwickelt die nationale e-Infrastruktur für Wissenschaft, Forschung und Bildung, die ein Computernetz, Berechnungsnetze, Datenspeicherung und eine Umgebung für die Zusammenarbeit umfasst. Sie bietet den angeschlossenen Organisationen eine Vielzahl von Dienstleistungen.