NVIDIA, hat es auf Teflon abgesehen?

Das Wettrüsten um KI-Server hat inzwischen auch die PCB-Materialien erreicht.

Berichten zufolge prüft NVIDIA den Einsatz von PTFE (Polytetrafluorethylen) für die Hochgeschwindigkeits-PCBs der nächsten Generation von KI-Servern, wobei der mögliche Anwendungsbereich auf die NVSwitch-Switchplatine von Rubin Ultra entfällt. Der Name PTFE mag vielen unbekannt vorkommen, unter einem anderen Namen ist er jedoch vertraut: Teflon, der Stoff, aus dem die Beschichtungen von Antihaftpfannen bestehen. Was NVIDIA anspricht, ist natürlich nicht die Antihaft-Eigenschaft, sondern die geringe Dämpfung bei der Übertragung hochfrequenter Hochgeschwindigkeitssignale.

Die Materialstrategie von Rubin Ultra hat kürzlich eine weitere Änderung erfahren. Am 20. August veröffentlichte SemiAnalysis den Bericht mit dem Titel „PTFE Pushing Copper Further“, in dem erwähnt wird, dass NVIDIA weiterhin PTFE auf der NVSwitch-Platine einsetzen möchte – allerdings nicht mehr nach dem zuvor am Markt viel diskutierten Konzept der „vollständigen Ersetzung von Glasgewebe“, sondern nach einer hybriden Architektur aus PTFE-Core + M9-Prepreg.

Der Rückzug von der vollständigen Ersetzung hin zu einer hybriden Lösung zeigt, dass die Herausforderungen nicht nur in den Materialeigenschaften liegen. Es gilt nicht nur, die Signaldämpfung zu senken, sondern auch hochlagige PCBs zuverlässig herzustellen und in großen Mengen zu produzieren – das ist die eigentliche Hürde auf diesem Weg.

Warum Teflon verwenden?

KI-Cluster werden immer größer, die Datenmengen, die zwischen GPUs ausgetauscht werden, steigen stetig, und die Geschwindigkeit von Hochgeschwindigkeitsverbindungen wie NVLink nimmt ebenfalls zu. Selbst wenn Chips extrem schnell rechnen, kann die Effizienz des gesamten Systems nicht gesteigert werden, wenn die Datenübertragung zwischen GPUs, Switch-Chips und anderer Hardware instabil ist. Bei einer Geschwindigkeit von 200 Gbit/s pro Kanal ist die Signaldämpfung auf den PCB-Leitungen nicht mehr zu vernachlässigen.

Wie hoch ist die Frequenz konkret? Ein 200-Gbit/s-Kanal verwendet in der Regel die PAM4-Modulation, wobei die Nyquist-Frequenz bei etwa 50 GHz liegt. Je höher die Signalfrequenz, desto größer ist die Dämpfung auf der PCB, und desto entscheidender wird die Auswahl des Plattenmaterials.

Die Dämpfung auf PCBs stammt hauptsächlich aus zwei Quellen. Die eine ist die Leiterdämpfung: Bei hohen Frequenzen drängt der Strom an die Oberfläche der Kupferdrähte – das ist der Skin-Effekt. Bei 50 GHz beträgt die Eindringtiefe nur wenige Zehntel Mikrometer, sodass die Oberflächenrauheit der Kupferfolie direkt die Dämpfung beeinflusst. Das ist der Grund, warum niedrigrauhe Kupferfolien (HVLP) immer stärker an Bedeutung gewinnen. Die andere Quelle ist die dielektrische Dämpfung: Das Isolationsmedium, das die Kupferdrähte umgibt, absorbiert einen Teil der elektromagnetischen Energie, wobei dieser Effekt mit steigender Frequenz deutlicher wird. Die PCB-Leitungen in KI-Servern werden immer komplexer, die Anzahl der Lagen steigt, und die Wege, die die Signale zurücklegen, werden länger – da werden die elektrischen Eigenschaften des Plattenmaterials zu einer unvermeidlichen Variablen im Design.

In den letzten Jahren entwickeln sich Hochgeschwindigkeits-Kupferkaschierte Platten stetig in Richtung niedriger Dielektrizitätskonstante und geringer dielektrischer Dämpfung: Von herkömmlichem Epoxidharz über PPO/PPE und Kohlenwasserstoffe bis hin zu hochwertigen Materialien wie M8 und M9 – das Ziel ist es, Hochgeschwindigkeitssignalen einen reibungsloseren Verlauf zu ermöglichen. PTFE rückt in den Fokus, weil seine Vorteile bei der geringen Dämpfung noch ausgeprägter sind.

Laut Daten von SemiAnalysis beträgt die Dielektrizitätskonstante Dk von PTFE bei 10 GHz etwa 2,1, und der dielektrische Verlustfaktor Df liegt bei etwa 0,0003 – also niedriger als bei herkömmlichen PPO/PPE- und Kohlenwasserstoffharzen. Dk beschreibt das Antwortverhalten des Materials auf ein elektrisches Feld, Df gibt an, wie viel elektromagnetische Energie im Medium verloren geht. Für Hochgeschwindigkeits-PCBs gilt: Je niedriger der Df-Wert, desto mehr Energie bleibt nach der Signalübertragung übrig. Hinzu kommt, dass dies Werte bei 10 GHz sind, während der tatsächliche Betriebsbereich deutlich höher liegt. Eine Eigenschaft von PTFE ist, dass sich der Df-Wert nur sehr wenig mit der Frequenz ändert und auch bei mehreren zehn GHz auf einem sehr niedrigen Niveau bleibt – daher sind seine Vorteile im Hochfrequenzbereich noch ausgeprägter als bei 10 GHz.

Ein weiterer Vorteil von PTFE hängt mit dem Glasgewebe zusammen. Herkömmliche PCB-Substrate bestehen aus Harz und Glasgewebe. Die Dielektrizitätskonstanten von Glas und Harz unterscheiden sich, und da die Webstruktur des Glases ungleichmäßig ist, variiert der lokale Df-Wert je nachdem, ob die Signalleitung genau auf einem Glasfaserbündel oder auf dem Harzbereich liegt – das ist der sogenannte Glasgewebeeffekt. Wenn die beiden Leitungen eines Differenzpaars unterschiedliche Bereiche durchlaufen, entsteht eine Differenz in der Ausbreitungsgeschwindigkeit, die zu Zeitabweichungen (Skew) führt – ein Problem, das mit steigender Geschwindigkeit immer gravierender wird. Die PTFE-Kernschicht enthält nur sehr wenig oder gar kein Glasgewebe, sodass dieses Problem von Natur aus deutlich geringer ausfällt. Die vorher am Markt verbreitete Annahme einer „vollständigen Ersetzung von Glasgewebe“ ergab sich also nicht nur aus dem niedrigen Df-Wert.

Aus genau diesem Grund möchte NVIDIA PTFE auf der NVSwitch-Platine einsetzen. Bei Rubin Ultra soll der Umfang der GPU-Verbindungen weiter ausgebaut werden, die Switch-Chips müssen große Datenmengen verarbeiten, und die Übertragungsgeschwindigkeiten auf Switchplatinen und Zwischenplatinen steigen weiter. Wccftech erwähnt, dass die Anzahl der Lagen einiger hochwertiger PCBs bereits über 70 liegt – selbst mit dem erstklassigen M9-Material reicht dies möglicherweise nicht aus, um die zukünftigen Signalanforderungen zu erfüllen. Da das vorhandene Materialsystem nicht unbedingt ausreicht, müssen zwangsläufig Materialien mit noch geringerer dielektrischer Dämpfung gefunden werden.

Herausforderungen bei der Herstellung

Nicht die elektrischen Eigenschaften von PTFE stellen das größte Problem dar, sondern die Fertigung.

Die vorher verbreitete Annahme, dass Rubin Ultra PTFE zur vollständigen Ersetzung von Glasgewebe verwenden könnte, übersieht ein sehr praktisches Problem: Selbst die besten elektrischen Eigenschaften eines Materials nützen nichts, wenn es die Fertigungsprozesse wie Bohren, Pressen und Galvanisieren nicht übersteht und am Ende keine zuverlässige mehrlagige Platine entsteht.

PTFE hat eine sehr stabile chemische Struktur und eine geringe Oberflächenenergie, sodass es nur sehr schwer mit anderen Materialien verklebt werden kann. Das macht es zu einem hervorragenden Niedrigdämpfungs-Medium, bereitet PCB-Herstellern aber große Kopfschmerzen.

Zuerst zum Bohren: PTFE ist relativ weich und thermoplastisch. Beim Bohren führt Reibungswärme leicht zu Erweichung, sodass Rückstände und Grate an den Bohrlochwänden entstehen. Wenn das Material zusätzlich mit Glasfasern oder anderen Füllstoffen versetzt ist, ergibt sich ein uneinheitliches Härteprofil, das das Bohren weiter erschwert und die Qualität der Bohrlochwände sowie die Maßgenauigkeit beeinträchtigt. Bei hochlagigen Platinen wird zudem ein Rückbohrvorgang (Back-Drilling) durchgeführt, um den überflüssigen Teil des Kupferstutzens (Stub) im Durchgangsloch zu entfernen – damit dieser keine Signalreflexionen bei hohen Frequenzen verursacht. Das Back-Drilling erfordert eine sehr hohe Genauigkeit bei Tiefe und Position; ist die Bohrqualität nicht stabil, wird auch das Back-Drilling beeinträchtigt.

Nach dem Bohren gestaltet sich die Metallisierung noch schwieriger. Bei herkömmlichen PCBs werden nach dem Bohren zunächst Harzrückstände entfernt, dann chemisch verkupfert und galvanisiert, um alle Lagen zuverlässig miteinander zu verbinden. Da die Oberfläche von PTFE aber so stabil ist, dass das übliche Permanganat-Verfahren zur Entfernung von Harzrückständen bei herkömmlichen PCBs kaum Wirkung zeigt, kann Kupfer kaum direkt haften. Die Hersteller müssen spezielle chemische Behandlungen oder Plasmabehandlungen einsetzen, um die Oberfläche zu aktivieren und die Oberflächenenergie zu erhöhen – nur so kann die Kupferschicht ausreichend gut haften.

Als Nächstes kommt das Mehrlagenpressen. Der Schmelzpunkt von PTFE liegt bei etwa 327 °C – deutlich höher als die üblicherweise verwendeten Presstemperaturen für Epoxidharzsysteme. Die Verarbeitungsbedingungen unterscheiden sich stark, sodass der Pressprozess neu abgestimmt werden muss, wenn verschiedene Materialien in derselben Platine kombiniert werden. Die Haftung zwischen PTFE und anderen Materialien ist an sich schon eine Herausforderung, die in der Regel mit speziellen Klebefolien gelöst werden muss. Darüber hinaus ist PTFE relativ weich und verformt sich unter Druck langsam (Kaltfluss), sodass die Steuerung von Druck und Schichtdicke während des Pressvorgangs schwieriger wird.

Hinzu kommt das Problem der Wärmeausdehnung. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von reinem PTFE entlang der Z-Achse ist sehr hoch und liegt weit über dem Wert von Kupfer (ca. 17 ppm/°C). Durch die Zugabe von Füllstoffen lässt sich dieser Wert senken, aber es verbleibt eine Differenz. Bei Hochtemperatur-Pressvorgängen und wiederholten Wärmezyklen beeinflussen Dimensionsänderungen zwischen den Lagen die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen – im schlimmsten Fall kommt es zu Ermüdungsrissen in der Kupferschicht. Je dicker die Platine und je höher die Anzahl der Lagen, desto deutlicher tritt dieses Problem auf.

Diese Probleme sind bereits bei herkömmlichen Hochfrequenz-PCBs schwer zu lösen – bei Switchplatinen für KI-Server mit mehreren Dutzend Lagen, die langfristig stabil laufen müssen, werden sie noch deutlich anspruchsvoller.

Daher erscheint das von SemiAnalysis offengelegte hybride Konzept deutlich sinnvoller. Anders als das zuvor propagierte Konzept ohne jegliches Glasgewebe wird bei der Architektur aus PTFE-Core + M9-Prepreg PTFE nur in einigen zentralen Lagen verwendet, während die übrigen Lagen aus halbhärtbarem Material der M9-Klasse bestehen. PTFE senkt die dielektrische Dämpfung auf den kritischen Hochgeschwindigkeits-Signalpfaden, während M9 für die mechanische Stabilität sorgt – da das Herstellungsverfahren relativ ausgereift ist, sinkt der Fertigungsaufwand für die gesamte Platine.

Bei einer hochlagigen PCB muss nicht jede Lage die gleiche Hochgeschwindigkeitsübertragungsaufgabe übernehmen. PTFE wird in den kritischen Lagen platziert, die die höchsten Anforderungen an eine geringe Dämpfung stellen, während für die übrigen Bereiche das ausgereiftere M9-Material verwendet wird. Auf diese Weise werden die elektrischen Vorteile von PTFE genutzt, ohne die Fertigungsprobleme zu bewältigen, die bei einer vollständigen Verwendung von PTFE für die gesamte Platine entstehen würden. Natürlich hat die hybride Schichtstruktur auch Nachteile: Da sich die Wärmeausdehnung und das Schrumpfverhalten der beiden Materialien unterscheiden, neigt die Platine zu Verzug, wenn das Schichtdesign asymmetrisch ist – ein Punkt, der bei der Konstruktion speziell kontrolliert werden muss.

Daher wirkt diese Anpassung der Materialstrategie von Rubin Ultra nicht wie ein Rückschlag für das PTFE-Konzept, sondern eher wie eine pragmatischere Herangehensweise: Statt nur ein einziges Material für die gesamte Platine zu verwenden, werden die Materialien entsprechend der Funktion und den Signalanforderungen jeder einzelnen Lage ausgewählt.

Kupferverbindungen weiter vorantreiben

Die Bedeutung von PTFE geht über die bloße Auswahl eines neuen PCB-Materials hinaus. Der Titel des SemiAnalysis-Berichts „PTFE Pushing Copper Further“ weist bereits auf die größere industrielle Logik dahinter hin: Während die optische Verbindungstechnik Fortschritte macht, möchte die Branche den Einsatzbereich von Kupferverbindungen so weit wie möglich ausweiten.

Die Verbindungen innerhalb von KI-Clustern verändern sich. Mit steigender Anzahl von GPUs und wachsender Clustergröße steigt der Druck auf herkömmliche Kupferverbindungen in Bezug auf Übertragungsdistanz, Signaldämpfung und Bandbreite. Daher rückt die optische Verbindungstechnik zunehmend in den Fokus, und CPO gilt als wichtige Richtung für zukünftige Hochgeschwindigkeitsverbindungen.

Kupfer und Licht stehen aber nicht in einem einfachen Substitutionsverhältnis zueinander.

Das von NVIDIA vorgestellte Vera Rubin Ultra NVL576-System fasst 8 Racks zu einer NVLink-Domäne mit 576 GPUs zusammen, wobei jedes Rack mit 72 Rubin Ultra-GPUs ausgestattet ist – es werden sowohl Kupferverbindungen als auch direkte optische Verbindungen eingesetzt. Es ist offensichtlich, dass das zukünftige KI-Scale-up-Netzwerk nicht nur auf eine einzige Übertragungstechnik setzen wird, sondern Kupfer und Licht entsprechend den Anforderungen an Distanz, Bandbreite und Leistungsaufnahme jeweils für ihre passenden Einsatzzwecke nutzen wird.

Bei Kurzstreckenverbindungen hat Kupfer nach wie vor Vorteile bei Kosten, Leistungsaufnahme und Fertigungsreife. Solange die Signaldämpfung weiter gesenkt werden kann, besteht noch Potenzial zur Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit von Kupferleitungen. Genau hier liegt der Wert von PTFE: Es soll die optische Verbindungstechnik nicht ersetzen, sondern die dielektrischen Eigenschaften der PCB verbessern, sodass Hochgeschwindigkeits-Elektrosignale auf Kupferleitungen weiter und stabiler übertragen werden können.

PTFE, M9/M10, Low-Dk-Glasgewebe, Q-Gewebe und niedrigrauhe Kupferfolien – sie alle haben unterschiedliche Materialeigenschaften, zielen aber auf dasselbe Ziel ab: die Dämpfung bei der Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen zu senken. Die zuvor erläuterte dielektrische Dämpfung und Leiterdämpfung entsprechen genau diesen beiden Materialgruppen: PTFE, M9/M10, Low-Dk-Glasgewebe und Q-Gewebe senken die dielektrische Dämpfung, während niedrigrauhe Kupferfolien die Leiterdämpfung reduzieren.

Das bedeutet auch, dass der zukünftige Wettbewerb um Materialien für hochwertige PCBs kaum von einem einzigen Material bestimmt wird. Stattdessen werden die Materialien passend nach Platinentyp und den Signalanforderungen der einzelnen Lagen kombiniert. Hochgeschwindigkeits-Switchplatinen und Zwischenplatinen erhalten möglicherweise eine zusätzliche Option mit PTFE, während für andere Rechenplatinen und allgemeine Hochgeschwindigkeits-PCBs nach wie vor ausgereifte Niedrigdämpfungs-Materialien ihre Berechtigung haben.

Ob PTFE tatsächlich in das Seriendesign von Rubin Ultra aufgenommen wird, hängt noch von der abschließenden Validierung ab. Es reicht nicht aus, dass die optischen und elektrischen Eigenschaften gut sind – Bohrprozesse, Pressvorgänge, Metallisierung, Zuverlässigkeit bei Wärmezyklen und die Gesamte Ausbeute müssen alle den Anforderungen entsprechen.

Von GPUs und HBM über Switch-Chips bis hin zu den heutigen PCB-Substraten reicht die Modernisierung der KI-Infrastruktur immer tiefer in die untersten Ebenen vor. Dass NVIDIA auf Teflon setzt, bedeutet oberflächlich betrachtet nur, ein neues Niedrigdämpfungs-Material zu finden – in Wirklichkeit geht es darum, mehr Spielraum für die nächste Generation von Hochgeschwindigkeitsverbindungen zu schaffen. Der Datenaustausch zwischen Chips wird immer wichtiger, und selbst die Leiterpl