Karta PCIe - rozložení PCB a tepelná analýza

Vysoká hustota komponent a malý prostor

Trh karet PCIe na bázi FPGA pro serverové aplikace roste obrovským tempem.

Náš zákazník, který se dobře orientuje v navrhování SW/FW pro běžné PCIe karty, si uvědomil, že trh nevyhovuje všem požadovaným vysokorychlostním funkcím. Současně společnost Xilinx vydala nové Ultra-Scale FPGA, které jako první prolomily magickou bariéru 100 Gbps na transceiver.

Aby zákazník získal výhodu na trhu, rozhodl se navrhnout kartu na míru.  

V HW návrhu se cítili jistě, rozložení a tepelná správa takové karty je však výzvou i pro zkušené týmy.

Společnost Consilia má dlouholeté zkušenosti s konstrukcí vícevrstvých vysokorychlostních digitálních karet.

Tato skutečnost vedla k tomu, že jsme byli osloveni jako partner, který může výrobek provést procesem industrializace až na běžící montážní linku.

Rozložení a správa chladiče představovaly pro tým konstruktérů několik výzev.  

Vzhledem k tomu, že deska byla navržena tak, aby pokryla několik segmentů trhu, byla hustota komponent vysoká a FPGA byl v jednom z nejrozsáhlejších balení pro tuto rodinu.

Chladič musel chladit několik komponent s různými výškami a profily a odvádět téměř 63 W tepla.  

Montáž chladiče při zachování dobrého kontaktu s chlazenými součástkami a omezení upevňovacích prvků, které zabírají drahocenné místo na desce, se ukázala jako další mechanická výzva.

Nezbytná byla úzká spolupráce mezi týmem pro návrh HW, týmem pro rozvržení a tepelným inženýrem

HW tým nejprve identifikoval komponenty s nejvyšším rozptylem tepla a určil jejich očekávaný ztrátový výkon.

Seznam těchto komponent spolu s předpokládaným prouděním vzduchu v serveru sloužil jako vstupní data pro tepelnou analýzu.

Pokud jde o umístění, existuje mnoho, obvykle protichůdných, požadavků návrhářů HW, rozvrhovačů a tepelných inženýrů. Najít kompromisy zvážením toho, které požadavky jsou "must have" a které "should have", vyžaduje čas a mnoho zkušeností.

Tým společnosti Consilia buduje tuto odbornost již desítky let a je spolehlivým a kvalifikovaným partnerem pro návrh velmi rychlých, složitých a vícevrstvých digitálních desek.

Po týdnech návrhu a simulací a několika iteracích umístění jsme vytvořili umístění, které splňovalo požadavky všech zúčastněných stran, vybrali jsme vhodný materiál pro přenos tepla z obalů do chladiče a navrhli chladič a jeho montáž. Návrh chladiče byl jedinečný, protože chlazení klecí SFP nebylo možné pomocí standardních žeber, takže tepelný návrh musel toto omezení zohlednit.

Kompaktní karta PCIe s pokročilými funkcemi

V síťovém segmentu je nezbytné šetřit prostory serveru a minimalizovat poruchy tím, že se nepoužívají pohyblivé komponenty. Navrhli jsme nízkoprofilovou jednoslotovou komunikační kartu PCIe 2 x 100 Gb/s s pasivním chladičem.

Kompletní hardwarový a mechanický design

První výzvou, když jsme projekt vyhráli, byl výběr materiálu pro PCB. Přestože se situace od dokončení tohoto projektu zlepšila, najít výrobce desek plošných spojů, který dokáže vyrábět desky určené pro vysílače 100 Gbps, je stále náročné. Druhou výzvou bylo umístění komponent, protože hustota pokrytí desky se blížila fyzickým limitům.

Výsledkem byla nízkoprofilová karta PCIe s následujícími parametry:

• Jádro PCB od Megtron 6,
• 16-vrstvá deska plošných spojů,
• použité slepé průchodky,
• balíčky klíčových komponent: 2106 pinů BGA a 324 pinů BGA,
• poměr pokrytí desky součástkami přesahující 65 % na obou stranách,
• páry transceiverů běžící rychlostí 25 Gb/s,
• měděný chladič s černou oxidací s žebry na míru.

Inovativní výrobce v oblasti infrastruktury

Náš klient provozuje a vyvíjí národní elektronickou infrastrukturu pro vědu, výzkum a vzdělávání, která zahrnuje počítačovou síť, výpočetní sítě, ukládání dat a prostředí pro spolupráci. Nabízí bohatou sadu služeb propojeným organizacím.