Segreti della Progettazione ASIC Personalizzata per il Mining di Bitcoin e Criptovalute

Tan Shuai
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Abstract

Nel competitivo mondo del mining di criptovalute, l'efficienza energetica, le prestazioni di hashrate e l'affidabilità sono fondamentali. Questo documento esplora il design ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) full custom di alto livello, rivelando segreti del settore e metodologie esperte che guidano il mining ad alte prestazioni di Bitcoin e criptovalute. Scritto da un esperto di tecnologia di una delle principali aziende produttrici di ASIC miner, questo documento sfrutta tecniche di design avanzate, layout fisico meticoloso e processi di verifica completi per mostrare le eccezionali capacità degli ASIC full custom nel massimizzare l'efficienza e la redditività del mining.

Introduzione

L'evoluzione del mining di criptovalute, in particolare del mining di Bitcoin, ha visto un passaggio dall'uso di CPU generiche, FPGA e GPU agli ASIC specializzati. Questi ASIC offrono prestazioni e efficienza energetica senza pari. Il design ASIC full custom rappresenta il culmine di questa evoluzione, consentendo soluzioni su misura che soddisfano le specifiche esigenze delle operazioni di mining.

Gran parte della letteratura esistente sul design ASIC per il mining di criptovalute proviene dal mondo accademico o da imprese non minerarie, che spesso manca di applicabilità nel mondo reale. Fino ad oggi, solo un ristretto numero di aziende, principalmente cinesi (es. MicroBT, Bitmain), ha sviluppato con successo ASIC per il mining di Bitcoin commercializzabili. Questo documento mira a colmare questa lacuna fornendo approfondimenti tratti dalla pratica industriale reale, offrendo una prospettiva ancorata alle realtà del settore minerario.

Come professionista con oltre dieci anni di esperienza nel settore tecnologico, l'autore di questo documento ha sviluppato il miglior ASIC Miner per Bitcoin del mondo (WhatsMiner), LTC/DOGE ed ETH Miners, e ha giocato un ruolo chiave in aziende come MicroBT, BTC.COM e altre fabless quotate in borsa. Ha ricoperto posizioni chiave in aziende quotate su NASDAQ, HKSE e NYSE. Con una vasta esperienza nella creazione di partnership con TSMC, Texas Instruments, ARM e Intel, porta una ricchezza di conoscenze e competenze pratiche nel campo del design ASIC custom per il mining di Bitcoin e criptovalute.

Metodologia e Flusso di Design

Filosofia del Design

Il nostro approccio al design ASIC full custom è guidato da un focus sulla massimizzazione di PPA (Power, Performance, and Area), in particolare in condizioni di funzionamento a bassa tensione. Questa sezione descriverà la nostra filosofia di design e metodologia:

1. Architettura Pipeline: Sfruttando i benefici intrinseci delle strutture pipeline per gli algoritmi di mining, caratterizzate da registri e fasi di logica combinatoria. Utilizzando un'architettura pipeline, possiamo gestire efficacemente le operazioni ad alta frequenza richieste per il mining di criptovalute.
2. Netlist e Posizionamento Manuale: Script dettagliati per la creazione del netlist e il posizionamento manuale delle celle per ottimizzare i percorsi critici. Questo consente un controllo preciso del timing e riduce gli effetti parassitari.
3. Librerie di Celle Custom: Sviluppo di celle specializzate con conteggi di transistor ottimizzati e caratteristiche dinamiche di risparmio energetico. Le celle custom sono progettate per operare alle tensioni più basse possibili, garantendo un consumo energetico minimo.

Raggiungere i Benefici del PPA

Strategie dettagliate per ottenere i benefici del PPA tramite design personalizzato:

1. Progettazione Personalizzata dei Registri: Utilizzare registri multi-bit e design basati su latch per ridurre la potenza del clock e migliorare il timing borrowing. I registri multi-bit minimizzano il consumo di potenza dell'albero del clock e riducono l'area complessiva.
2. Posizionamento Manuale: Ridurre la lunghezza dei cavi e bilanciare i tempi di setup e hold per migliorare le prestazioni complessive. Il posizionamento manuale consente un miglior controllo sui ritardi di interconnessione e sul crosstalk, migliorando l'integrità del segnale e riducendo il consumo di potenza.
3. Progettazione Ottimizzata delle Celle: Le celle personalizzate sono progettate per operare a tensioni più basse, minimizzando il consumo di potenza dinamica e massimizzando l'efficienza. Adattando i design delle celle alle esigenze specifiche degli algoritmi di mining, possiamo ottenere miglioramenti significativi nelle prestazioni.

Affidabilità a Bassa Tensione

Garantire l'affidabilità della logica temporale personalizzata a basse tensioni comporta:

1. Simulazione Accurata: Simulazioni a livello di circuito per convalidare il comportamento delle celle personalizzate in condizioni specifiche. Strumenti come SPICE sono utilizzati per simulazioni elettriche dettagliate per garantire che le celle funzionino correttamente in tutte le condizioni PVT (Processo, Tensione, Temperatura).
2. Coerenza nel Posizionamento: Posizionamento manuale per garantire uniformità e ridurre la variabilità. Controllando il layout fisico, possiamo minimizzare l'impatto delle variazioni di processo e garantire prestazioni costanti.
3. Calibrazione PVT Precisa: Verifica contro le variazioni di processo, tensione e temperatura. Test e calibrazioni estese vengono eseguiti per garantire la robustezza del design in diverse condizioni operative.

Studi di Caso e Risultati

Presentazione di dati reali e studi di caso da tape-out completi:

Progetto	Nodo di Processo	Efficienza Tensione/Potenza	Algoritmo
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

Questi risultati dimostrano i notevoli guadagni in efficienza e prestazioni ottenibili attraverso il nostro approccio di design personalizzato.

Integrazione e Verifica

Signoff di Celle Miste

• Integrazione delle Celle Personalizzate: Le celle personalizzate sono integrate con celle standard di TSMC e altri foundries, garantendo compatibilità e prestazioni. Le celle personalizzate sono caratterizzate e validate per corrispondere ai requisiti della libreria di celle standard, consentendo un'integrazione senza soluzione di continuità.
• Strategie di Signoff: Le strategie per garantire compatibilità e prestazioni senza interruzioni includono controlli dettagliati DRC (Design Rule Check) e LVS (Layout Versus Schematic), nonché analisi di temporizzazione e potenza utilizzando strumenti EDA (Electronic Design Automation) standard del settore.

Progettazione Co-Design Digitale e Analogico

• Tecniche di Integrazione: Integrazione dei componenti digitali e analogici per ottimizzare le prestazioni complessive del chip. Tecniche come la verifica mixed-signal e la co-simulazione vengono utilizzate per garantire una corretta integrazione e funzionalità.
• Metodologie di Verifica: Le metodologie per garantire la robustezza in diverse condizioni operative includono l'analisi corner, le simulazioni Monte Carlo e la verifica dell'affidabilità per affrontare l'invecchiamento e l'elettromigrazione.

Conclusione

La progettazione ASIC full custom offre significativi vantaggi per il mining di Bitcoin e criptovalute, fornendo prestazioni, efficienza energetica e affidabilità senza pari. Svelando i segreti della progettazione ASIC custom di alto livello, questo documento evidenzia le metodologie e le innovazioni che distinguono i leader del settore. Man mano che il mining di criptovalute continua ad evolversi, gli ASIC custom giocheranno un ruolo cruciale nel guidare la prossima generazione di hardware di mining ad alta efficienza e alte prestazioni.

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