Secrets de Conception ASIC Personnalisée Complète pour le Minage de Bitcoin et de Cryptomonnaie

Tan Shuai
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Résumé

Dans le monde compétitif du minage de cryptomonnaies, l'efficacité énergétique, la performance du hashrate et la fiabilité sont primordiales. Cet article explore la conception ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) entièrement personnalisée de premier plan, révélant les secrets de l'industrie et les méthodologies expertes qui conduisent à des performances élevées dans le minage de Bitcoin et de cryptomonnaies. Écrit par un expert technologique d'une des principales entreprises de mineurs ASIC, cet article s'appuie sur des techniques de conception avancées, une disposition physique minutieuse et des processus de vérification complets pour démontrer les capacités exceptionnelles des ASIC entièrement personnalisés à maximiser l'efficacité et la rentabilité du minage.

Introduction

L'évolution du minage de cryptomonnaies, en particulier du minage de Bitcoin, a vu une transition de l'utilisation des CPU, FPGA et GPU à usage général vers des ASIC spécialisés. Ces ASIC offrent des performances et une efficacité énergétique inégalées. La conception ASIC entièrement personnalisée représente le summum de cette évolution, permettant des solutions sur mesure qui répondent aux exigences spécifiques des opérations de minage.

Une grande partie de la littérature existante sur la conception d'ASIC pour le minage de cryptomonnaies provient du milieu universitaire ou d'entreprises non spécialisées dans le minage, ce qui manque souvent d'applicabilité réelle. À ce jour, seules quelques entreprises, principalement chinoises (par exemple, MicroBT, Bitmain), ont réussi à développer des ASIC de minage de Bitcoin commercialisables. Cet article vise à combler cette lacune en fournissant des informations tirées de la pratique industrielle réelle, offrant une perspective ancrée dans les réalités du secteur minier.

En tant que professionnel avec plus de dix ans d'expérience dans l'industrie technologique, l'auteur de cet article a développé le meilleur mineur ASIC de Bitcoin au monde (WhatsMiner), des mineurs LTC/DOGE et ETH, et a joué un rôle clé dans des entreprises comme MicroBT, BTC.COM et d'autres entreprises fabless cotées en bourse. Il a occupé des postes clés dans des entreprises cotées au NASDAQ, HKSE et NYSE. Avec une vaste expérience dans l'établissement de partenariats avec TSMC, Texas Instruments, ARM et Intel, il apporte une richesse de connaissances et une expertise pratique dans le domaine de la conception d'ASIC sur mesure pour le minage de Bitcoin et de cryptomonnaies.

Méthodologie et Flux de Conception

Philosophie de Conception

Notre approche de la conception ASIC entièrement personnalisée est guidée par un focus sur la maximisation du PPA (Power, Performance, and Area), en particulier dans des conditions de fonctionnement à basse tension. Cette section décrira notre philosophie de conception et notre méthodologie :

1. Architecture Pipeline : Exploiter les avantages inhérents des structures de pipeline pour les algorithmes de minage, caractérisés par des registres et des étapes logiques combinatoires. En utilisant une architecture pipeline, nous pouvons gérer efficacement les opérations haute fréquence requises pour le minage de cryptomonnaies.
2. Netlist et Placement Manuel : Script détaillé pour la création de netlist et placement manuel des cellules pour optimiser les chemins critiques. Cela permet un contrôle précis du timing et réduit les effets parasites.
3. Bibliothèques de Cellules Personnalisées : Développement de cellules spécialisées avec des nombres de transistors optimisés et des fonctionnalités d'économie d'énergie dynamique. Les cellules personnalisées sont conçues pour fonctionner aux tensions les plus basses possibles, garantissant une consommation d'énergie minimale.

Réalisation des avantages du PPA

Stratégies détaillées pour réaliser les avantages du PPA par le biais de conceptions personnalisées :

1. Conception de registre personnalisée : Utiliser des registres multi-bits et des conceptions basées sur des verrous pour réduire la puissance de l'horloge et améliorer l'emprunt de temps. Les registres multi-bits minimisent la consommation d'énergie de l'arbre d'horloge et réduisent la surface globale.
2. Placement manuel : Réduire la longueur des fils et équilibrer les temps de configuration et de maintien pour améliorer les performances globales. Le placement manuel permet un meilleur contrôle des délais d'interconnexion et des diaphonies, améliorant l'intégrité du signal et réduisant la consommation d'énergie.
3. Conception de cellules optimisée : Les cellules personnalisées sont conçues pour fonctionner à des tensions plus faibles, minimisant la consommation d'énergie dynamique et maximisant l'efficacité. En adaptant les conceptions de cellules aux besoins spécifiques des algorithmes de minage, nous pouvons réaliser des améliorations significatives des performances.

Fiabilité sous basse tension

Assurer la fiabilité de la logique temporelle conçue sur mesure à basse tension implique :

1. Simulation précise : Simulations au niveau des circuits pour valider le comportement des cellules personnalisées dans des conditions spécifiques. Des outils tels que SPICE sont utilisés pour des simulations électriques détaillées afin de garantir le bon fonctionnement des cellules dans tous les coins PVT (Processus, Tension, Température).
2. Cohérence dans le placement : Placement manuel pour assurer l'uniformité et réduire la variabilité. En contrôlant la disposition physique, nous pouvons minimiser l'impact des variations de processus et garantir des performances constantes.
3. Calibration précise PVT : Vérification par rapport aux variations de processus, de tension et de température. Des tests et des calibrations approfondis sont effectués pour assurer la robustesse de la conception dans différentes conditions de fonctionnement.

Études de cas et résultats

Présentation de données réelles et d'études de cas de tape-outs complets :

Projet	Nœud de processus	Efficacité de tension/puissance	Algorithme
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

Ces résultats démontrent les gains substantiels en efficacité et en performance réalisables grâce à notre approche de conception personnalisée.

Intégration et vérification

Validation des cellules mixtes

• Intégration des cellules personnalisées : Les cellules personnalisées sont intégrées aux cellules standard de TSMC et d'autres fonderies, garantissant compatibilité et performance. Les cellules personnalisées sont caractérisées et validées pour correspondre aux exigences de la bibliothèque de cellules standard, permettant une intégration transparente.
• Stratégies de validation : Les stratégies pour garantir une compatibilité et des performances sans faille incluent des contrôles DRC (Design Rule Check) et LVS (Layout Versus Schematic) détaillés, ainsi qu'une analyse du temps et de la puissance à l'aide d'outils EDA (Electronic Design Automation) standards de l'industrie.

Conception Conjointe Numérique et Analogique

• Techniques d'Intégration : Intégration des composants numériques et analogiques pour optimiser les performances globales de la puce. Des techniques telles que la vérification mixte et la co-simulation sont utilisées pour garantir une intégration et une fonctionnalité appropriées.
• Méthodologies de Vérification : Les méthodologies pour assurer la robustesse dans différentes conditions opérationnelles incluent l'analyse des coins, les simulations de Monte Carlo et la vérification de la fiabilité pour aborder le vieillissement et l'électromigration.

Conclusion

La conception ASIC entièrement personnalisée offre des avantages significatifs pour l'exploitation minière de Bitcoin et de cryptomonnaie, offrant des performances, une efficacité énergétique et une fiabilité inégalées. En dévoilant les secrets de la conception ASIC personnalisée de haut niveau, cet article met en lumière les méthodologies et les innovations qui distinguent les leaders de l'industrie. À mesure que l'exploitation minière de cryptomonnaie continue d'évoluer, les ASIC personnalisés joueront un rôle crucial dans la conduite de la prochaine génération de matériel minier à haute efficacité et haute performance.

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