أسرار تصميم ASIC المخصص بالكامل لتعدين البيتكوين والعملات المشفرة

[ ]

تان شواي
[email protected]
tanshuai.com

---

الملخص

في عالم تعدين العملات المشفرة التنافسي، تعد الكفاءة في استخدام الطاقة، وأداء معدل التجزئة، والموثوقية أمورًا بالغة الأهمية. يتناول هذا البحث تصميم ASIC (الدائرة المتكاملة المخصصة لتطبيق معين) المتقدم بالكامل، كاشفًا عن أسرار الصناعة والمنهجيات الخبيرة التي تدفع بأداء تعدين البيتكوين والعملات المشفرة عالية الأداء. كتب هذا البحث خبير تقني من إحدى أفضل شركات تعدين ASIC، ويستفيد من تقنيات التصميم المتقدمة، والتخطيط المادي الدقيق، وعمليات التحقق الشاملة لعرض القدرات الاستثنائية لـ ASIC المخصصة بالكامل في زيادة كفاءة التعدين وربحيته.

المقدمة

شهد تطور تعدين العملات المشفرة، وخصوصًا تعدين البيتكوين، تحولًا من استخدام وحدات المعالجة المركزية العامة (CPU) ووحدات المعالجة الميدانية (FPGA) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) إلى ASICs المتخصصة. تقدم هذه ASICs أداءً وكفاءةً في استخدام الطاقة لا مثيل لهما. يمثل تصميم ASIC المخصص بالكامل قمة هذا التطور، مما يسمح بحلول مخصصة تلبي المطالب المحددة لعمليات التعدين.

يأتي الكثير من الأدبيات الموجودة حول تصميم ASIC لتعدين العملات المشفرة من الأوساط الأكاديمية أو الشركات غير المتخصصة في التعدين، مما يفتقر غالبًا إلى التطبيق العملي في العالم الحقيقي. حتى الآن، لم تنجح سوى حفنة من الشركات، معظمها صينية (مثل MicroBT وBitmain)، في تطوير ASICs لتعدين البيتكوين بنجاح في السوق. يسعى هذا البحث إلى سد هذه الفجوة من خلال تقديم رؤى مستمدة من الممارسة الفعلية في الصناعة، وتقديم منظور قائم على حقائق قطاع التعدين.

كمحترف يمتلك أكثر من عشر سنوات من الخبرة في صناعة التكنولوجيا، قام مؤلف هذا البحث بتطوير أفضل جهاز تعدين ASIC للبيتكوين في العالم (WhatsMiner)، ومعدني LTC/DOGE وETH، ولعب دورًا رئيسيًا في شركات مثل MicroBT وBTC.COM وغيرها من الشركات العامة الخالية من التصنيع. وقد شغل مناصب رئيسية في شركات مدرجة في ناسداك وبورصة هونغ كونغ ونيويورك. ومع خبرة واسعة في إقامة شراكات مع TSMC وTexas Instruments وARM وIntel، يقدم ثروة من المعرفة والخبرة العملية في مجال تصميم ASIC المخصصة لتعدين البيتكوين والعملات المشفرة.

المنهجية وتدفق التصميم

فلسفة التصميم

ينبع نهجنا في تصميم ASIC المخصص بالكامل من التركيز على تحقيق أقصى قدر من PPA (الطاقة، والأداء، والمساحة)، خاصة في ظل ظروف التشغيل ذات الجهد المنخفض. سيصف هذا القسم فلسفة التصميم ومنهجيتنا:

1. بنية خط الأنابيب: الاستفادة من الفوائد الكامنة في هياكل خطوط الأنابيب للخوارزميات التعدينية، التي تتميز بالسجلات ومراحل المنطق التوافقي. من خلال استخدام بنية خط الأنابيب، يمكننا التعامل بكفاءة مع العمليات عالية التردد المطلوبة لتعدين العملات المشفرة.
2. قائمة الشبكات اليدوية والتخطيط اليدوي: كتابة النصوص التفصيلية لإنشاء قائمة الشبكات ووضع الخلايا يدويًا لتحسين المسارات الحرجة. يتيح ذلك التحكم الدقيق في التوقيت وتقليل التأثيرات الطفيلية.
3. مكتبات الخلايا المخصصة: تطوير خلايا متخصصة بعدد الترانزستورات الأمثل وميزات توفير الطاقة الديناميكية. تم تصميم الخلايا المخصصة للعمل عند أدنى جهد ممكن، مما يضمن استهلاك الطاقة الأدنى.

تحقيق فوائد PPA

استراتيجيات مفصلة لتحقيق فوائد PPA من خلال التصميم المخصص:

1. تصميم المسجلات المخصصة: استخدام مسجلات متعددة البتات وتصميمات قائمة على اللاتش لتقليل طاقة الساعة وتحسين اقتراض التوقيت. تقلل المسجلات متعددة البتات من استهلاك طاقة شجرة الساعة وتقلل المساحة الإجمالية.
2. التوضع اليدوي: تقليل طول الأسلاك وموازنة أوقات الإعداد والإمساك لتعزيز الأداء العام. يتيح التوضع اليدوي تحكمًا أفضل في تأخيرات التوصيل والتداخل، مما يحسن من تكامل الإشارة ويقلل من استهلاك الطاقة.
3. تصميم الخلايا المحسنة: يتم تصميم الخلايا المخصصة لتعمل عند جهد منخفض، مما يقلل من استهلاك الطاقة الديناميكية ويزيد من الكفاءة. من خلال تصميم الخلايا وفقًا لاحتياجات خوارزميات التعدين المحددة، يمكننا تحقيق تحسينات كبيرة في الأداء.

الموثوقية تحت الجهد المنخفض

ضمان موثوقية منطق التوقيت المخصص عند الجهود المنخفضة يشمل:

1. المحاكاة الدقيقة: محاكاة على مستوى الدائرة للتحقق من سلوك الخلايا المخصصة تحت ظروف محددة. تُستخدم أدوات مثل SPICE للمحاكاة الكهربائية التفصيلية لضمان عمل الخلايا بشكل صحيح تحت جميع زوايا PVT (العملية، الجهد، الحرارة).
2. التوضع اليدوي المتسق: التوضع اليدوي لضمان التناسق وتقليل التباين. من خلال التحكم في التخطيط الفيزيائي، يمكننا تقليل تأثير التغيرات في العملية وضمان الأداء المستمر.
3. المعايرة الدقيقة للـ PVT: التحقق من التغيرات في العملية، الجهد، ودرجة الحرارة. يتم إجراء اختبارات ومعايرات مكثفة لضمان متانة التصميم عبر ظروف التشغيل المختلفة.

دراسات حالة ونتائج

عرض بيانات حقيقية ودراسات حالة من شريط القناع الكامل:

المشروع	عقدة العملية	كفاءة الجهد/الطاقة	الخوارزمية
SC	TSMC 28nm	0.45V، 257J/T	Blake2b
DCR	TSMC 28nm	0.45V، 150J/T	Blake256
DASH	TSMC 16nm	0.38V، 6.2J/G	X11
BTC	TSMC 16nm	0.38V، 65J/T	SHA-256d
BTC	TSMC 7nm	0.30V، 37J/T	SHA-256d
BTC	Samsung 8nm	0.31V، 45J/T	SHA-256d
BTC	SMIC N+1	0.30V، 35J/T	SHA-256d

تظهر هذه النتائج المكاسب الكبيرة في الكفاءة والأداء الممكن تحقيقها من خلال نهج التصميم المخصص لدينا.

التكامل والتحقق

التوقيع على الخلايا المختلطة

• تكامل الخلايا المخصصة: يتم دمج الخلايا المخصصة مع الخلايا القياسية من TSMC ومصانع أخرى، مما يضمن التوافق والأداء. يتم توصيف الخلايا المخصصة والتحقق منها لتتناسب مع متطلبات مكتبة الخلايا القياسية، مما يمكن من التكامل السلس.
• استراتيجيات التوقيع: تشمل استراتيجيات ضمان التوافق والأداء السلس إجراء فحوصات DRC (فحص قواعد التصميم) و LVS (التخطيط مقابل المخطط) التفصيلية، بالإضافة إلى تحليل التوقيت والطاقة باستخدام أدوات EDA (أتمتة التصميم الإلكتروني) القياسية في الصناعة.

التصميم المشترك الرقمي والتناظري

• تقنيات الدمج: دمج المكونات الرقمية والتناظرية لتحسين أداء الرقاقة الكلي. تُستخدم تقنيات مثل التحقق المختلط للإشارات والمحاكاة المشتركة لضمان التكامل والوظائف الصحيحة.
• منهجيات التحقق: تشمل المنهجيات لضمان المتانة عبر ظروف التشغيل المختلفة تحليل الزوايا، ومحاكاة مونت كارلو، والتحقق من الموثوقية لمعالجة الشيخوخة والهجرة الكهرومغناطيسية.

الخاتمة

يوفر تصميم ASIC المخصص بالكامل مزايا كبيرة لتعدين البيتكوين والعملات المشفرة، مما يوفر أداءً لا مثيل له وكفاءة في الطاقة وموثوقية. من خلال الكشف عن أسرار تصميم ASIC المخصص من الدرجة الأولى، تبرز هذه الورقة المنهجيات والابتكارات التي تميز قادة الصناعة. ومع استمرار تطور تعدين العملات المشفرة، سيلعب ASIC المخصص دورًا حيويًا في دفع الجيل التالي من أجهزة التعدين عالية الكفاءة والأداء العالي.

نسخة PDF من الورقة