AI 服务器 PCB：高算力场景下如何解决多 GPU 互联与高功耗散热难题？

AI 服务器是人工智能训练与推理的 “算力核心”，单台设备常集成 4-8 颗高性能 GPU（如 NVIDIA H100），需通过 PCIe 5.0/6.0 或 NVLink 实现多 GPU 高速互联，同时承载每颗 GPU 300W 以上的功耗。这种高密集、高功耗的运行环境，对 PCB 提出两大核心挑战：一是多 GPU 互联的高速信号完整性（PCIe 6.0 传输速率达 64GB/s，信号衰减与串扰容限极小），二是高功耗导致的 PCB 局部过热（热点温度超 100℃易引发基材老化）。某 AI 实验室曾因服务器 PCB 未优化多 GPU 互联布线，导致 PCIe 5.0 信号误码率达 10^-5，训练任务频繁中断；另一案例中，因散热设计不足，GPU 周边 PCB 基材在高温下软化，使服务器无故障运行时间从 1 万小时缩短至 3000 小时。要突破这些瓶颈，AI 服务器 PCB 需从高速信号优化、高功耗散热、多模块兼容三方面系统设计。

 

首先是多 GPU 高速互联的信号完整性设计。PCIe 6.0 与 NVLink 信号对阻抗偏差、串扰极为敏感：阻抗偏差超过 ±5% 会导致信号反射，串扰噪声超 20mV 会引发数据误码。需采用三大关键技术：一是 “高频低损耗基材”，选用罗杰斯 RO4835 或生益 S1000-2 等专用基材（介质损耗角正切 tanδ≤0.004@10GHz），将 64GB/s 信号的衰减率控制在 0.8dB/in 以内，远优于普通 FR-4 的 1.5dB/in；二是 “精准阻抗控制”，通过 Polar SI9000 软件计算布线参数 —— 以 RO4835 基材（介电常数 3.48）为例，PCIe 6.0 差分对需设计为线宽 0.25mm、线距 0.18mm，阻抗严格控制在 85Ω±3%，生产中用安捷伦 E5071C 阻抗分析仪逐板校准；三是 “串扰抑制”，多组差分对之间保留≥0.5mm 隔离间距，关键区域采用 “地线隔离带”（宽度≥0.3mm，厚度 1oz），同时在差分对末端并联匹配电阻（如 85Ω 高精度电阻），减少信号反射。某测试显示，优化后的 PCB，PCIe 6.0 信号眼图高度≥0.9V，抖动≤80ps，误码率降至 10^-12 以下，完全满足多 GPU 互联需求。

 

 

其次是高功耗散热的 PCB 结构优化。单颗 GPU 通过 PCB 供电的电流超 25A，周边供电线路与散热路径设计不当，会导致局部温度超 120℃。需从三方面强化散热：一是 “加厚铜箔供电线路”，GPU 供电回路采用 3oz（105μm）加厚铜箔，线宽≥5mm，将电流密度控制在 15A/mm² 以内，减少线路发热；二是 “散热过孔阵列”，在 GPU 封装下方布置孔径 0.3mm、间距 1.5mm 的过孔阵列，过孔内壁镀铜厚度≥30μm，将 GPU 热量快速传导至 PCB 背面的铝制散热片（导热系数≥4W/m?K）；三是 “局部金属基板”，在 GPU、电源模块等高热流密度区域，采用 “FR-4 + 铝基板” 复合结构，铝基板厚度 1mm，通过导热胶（导热系数≥3W/m?K）与 PCB 贴合，进一步降低热点温度。某 AI 服务器厂商测试显示，采用该设计后，GPU 周边 PCB 热点温度从 125℃降至 78℃，基材老化速度减缓 60%。

 

 

最后是多模块兼容的布局设计。AI 服务器 PCB 需同时集成 GPU、CPU、内存（DDR5）、存储（NVMe）等模块，各模块信号特性差异大：CPU 与内存的 DDR5 信号（速率 4800Mbps）为低频同步信号，GPU 与 PCIe 的信号为高频差分信号，若混合布局易引发串扰。需将 PCB 划分为 “高频互联区”（GPU+PCIe/NVLink）、“低频控制区”（CPU+DDR5）、“电源区”（12VHPWR 供电模块）三大独立区域，区域间用 “接地隔离槽”（宽度≥2mm）分隔，且高频区域远离电源模块（间距≥10mm），避免电源噪声耦合。某服务器设计中，通过分区布局，DDR5 信号的串扰噪声从 30mV 降至 10mV，内存读写错误率从 10^-6 降至 10^-9。

 

 

针对 AI 服务器 PCB 的 “高速互联、高散热、多兼容” 需求，捷配推出算力级解决方案：高频信号采用罗杰斯 RO4835 / 生益 S1000-2 基材，PCIe 6.0/NVLink 阻抗控制 85Ω±3%，衰减率≤0.8dB/in；散热设计含 3oz 加厚铜箔、散热过孔阵列与局部铝基板，热点温度≤80℃；布局支持三大区域划分 + 2mm 接地隔离槽，串扰噪声≤10mV。同时，捷配的 AI 服务器 PCB 通过 PCI-SIG PCIe 6.0 认证、NVLink 兼容性测试，适配 4-8GPU 服务器架构。此外，捷配支持 1-12 层服务器 PCB 免费打样，48 小时交付样品，批量订单可提供信号完整性测试报告（眼图、误码率）与热仿真报告，助力 AI 硬件厂商研发高稳定、高算力的服务器设备，避免训练任务中断与硬件损耗。