PCIe-Karte - PCB-Layout und thermische Analyse

Für unseren bedeutenden Partner im Netzwerkbereich haben wir ein Layout erstellt und einen passiven Kühlkörper für eine serverbasierte PCIe-Karte entworfen.

Die Karte wird in drei Segmenten eingesetzt: als Prozessorbeschleuniger, Netzwerksicherheitskarte, Deep Packet Inspection-Karte und Handelskarte für die Börse.

PCIe-Karte - PCB-Layout und thermische Analyse

Unsere Aufgabe und Herausforderung

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 auskannte, erkannte, dass der Markt nicht alle erforderlichen Hochgeschwindigkeitsfunktionen bot. 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, beschloss der Kunde, eine maßgeschneiderte Karte zu entwerfen.  

Sie waren vom HW-Design überzeugt, aber das Layout und das Wärmemanagement einer solchen Karte ist selbst für erfahrene Teams eine Herausforderung. 

Consilia kann auf eine lange Erfolgsgeschichte bei der Entwicklung von mehrschichtigen digitalen Hochgeschwindigkeitskarten zurückblicken. 

Diese Tatsache hat dazu geführt, dass man sich an uns als Partner wendet, der das Produkt durch den Industrialisierungsprozess bis zum laufenden Fließband 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.

Lösung

Enge Zusammenarbeit zwischen HW-Design-Team, Layout-Team und Wärmetechniker war erforderlich

Das HW-Team ermittelte 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 thermische Analyse.

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 hat dieses Fachwissen über Jahrzehnte hinweg aufgebaut und ist ein zuverlässiger und qualifizierter Partner für das Design von komplexen, mehrschichtigen digitalen Hochgeschwindigkeitsplatinen. 

Nach wochenlangen Entwürfen und Simulationen und mehreren Iterationen der Platzierung haben wir eine Platzierung geschaffen, die die Anforderungen aller beteiligten Parteien erfüllte, das richtige Material für die Wärmeübertragung von den Gehäusen zum Kühlkörper ausgewählt und den Kühlkörper und seine Befestigung entworfen. 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.

Kundennutzen

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 haben eine flache Single-Slot-PCIe-2 x 100Gbps-Kommunikationskarte mit einem passiven Kühlkörper entwickelt.

Wie es hergestellt wird

Komplette Hardware und mechanisches Design 

Die erste Herausforderung, als wir das Projekt gewannen, war die Auswahl des Materials für die Leiterplatte. Obwohl sich die Situation seit dem Abschluss dieses Projekts verbessert hat, ist es immer noch schwierig, einen Leiterplattenhersteller zu finden, der für 100-Gbit/s-Transceiver ausgelegte Leiterplatten herstellen kann. Die zweite Herausforderung war die Platzierung der 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,  
  • Blind Vias verwendet, 
  • Schlüsselkomponenten-Gehäuse: 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.

Kunde

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.

Durchführungszeitraum: 2016-2017

In den Jahren 2016-2017 arbeiteten wir am Schaltplanentwurf mit und erstellten ein PCB-Layout für die Low-Profile-PCIe-Karte. Außerdem haben wir eine Wärmeanalyse durchgeführt und einen passiven Kühlkörper für diese Karte entworfen.

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Weitere Lösungen

Seit der Gründung von Consilia im Jahr 2004 haben wir Dutzende von Projekten abgeschlossen und unterstützt.

400 Gbit Ethernet Vollprofil PCIe x16 Karte

Hauptbeleuchtungssysteme für Kraftfahrzeuge

Basisstation für TETRA-Netz

Datensteuerung und Datenerfassung PCIe-Karten

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FPGA P4 IP-Blöcke

Nackenbügel-Kopfhörer für Gehörschutz

Smart Data Collecting Badge

Funkstationen für die Luftverkehrskontrolle

Gateway für persönliche Sicherheit

Einbezogene Dienstleistungen

PCB-Design

Dies ist eine wichtige Tätigkeit, die wir im Rahmen der kompletten Produktentwicklung oder als On-Demand-Service übernehmen. Wir können Sie mit unserer beträchtlichen Erfahrung und unserem technischen Hintergrund unterstützen, einschließlich Know-how in der Schaltungsentwicklung, Fertigungsdienstleistungen und einem professionellen PCB-Layout-Team.

Hardware-Design

Wir sind in allen Bereichen des Hardware-Designs und in allen Entwicklungsphasen tätig.

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Anwendungsbereiche

IT-Infrastruktur

Unsere Module erreichen einen Datendurchsatz von 400 Gbps.

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