Hemmeligheter om Full Custom ASIC-design for Bitcoin og Kryptovalutautvinning

Tan Shuai
[email protected]
tanshuai.com

---

Sammendrag

I den konkurransepregede verden av kryptovalutamining er energieffektivitet, hashrate-ytelse og pålitelighet avgjørende. Dette dokumentet dykker ned i toppsjiktet av fulltilpasset ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) design, og avslører bransjehemmeligheter og ekspertmetoder som driver høyytelses Bitcoin- og kryptovalutamining. Skrevet av en teknologiekspert fra et av de ledende ASIC-minekompaniene, utnytter dette dokumentet avanserte designteknikker, nøye fysisk layout og omfattende verifiseringsprosesser for å vise frem de eksepsjonelle evnene til fulltilpassede ASIC-er i å maksimere miningeffektivitet og lønnsomhet.

Introduksjon

Utviklingen av kryptovalutamining, spesielt Bitcoin-mining, har sett en overgang fra bruk av generelle CPU-er, FPGA-er og GPU-er til spesialiserte ASIC-er. Disse ASIC-ene tilbyr enestående ytelse og energieffektivitet. Fulltilpasset ASIC-design representerer høydepunktet av denne utviklingen, og gir skreddersydde løsninger som møter de spesifikke kravene til miningoperasjoner.

Mye av den eksisterende litteraturen om ASIC-design for kryptovalutamining kommer fra akademia eller ikke-miningbedrifter, som ofte mangler anvendbarhet i virkeligheten. Til dags dato er det bare noen få selskaper, hovedsakelig kinesiske (f.eks. MicroBT, Bitmain), som har lykkes med å utvikle markedsførbare Bitcoin-mining ASIC-er. Dette dokumentet søker å fylle dette gapet ved å tilby innsikt hentet fra faktisk bransjepraksis, og gi et perspektiv forankret i realitetene i miningsektoren.

Som en profesjonell med over ti års erfaring i teknologibransjen, har forfatteren av dette dokumentet utviklet verdens beste Bitcoin ASIC Miner (WhatsMiner), LTC/DOGE og ETH Miners, og spilt en nøkkelrolle i selskaper som MicroBT, BTC.COM og andre offentlige fablesses. Han har hatt nøkkelposisjoner i selskaper notert på NASDAQ, HKSE og NYSE. Med omfattende erfaring i å etablere partnerskap med TSMC, Texas Instruments, ARM og Intel, bringer han en rikdom av kunnskap og praktisk ekspertise til feltet av tilpasset ASIC-design for Bitcoin og kryptovalutamining.

Metodikk og Designflyt

Designfilosofi

Vår tilnærming til fulltilpasset ASIC-design drives av et fokus på å maksimere PPA (Power, Performance, and Area), spesielt under lavspenningsdriftsforhold. Denne delen vil beskrive vår designfilosofi og metodikk:

1. Pipeline-arkitektur: Utnytte de iboende fordelene med pipeline-strukturer for mining-algoritmer, karakterisert av registre og kombinatoriske logikkstadier. Ved å bruke en pipeline-arkitektur kan vi effektivt håndtere høyfrekvente operasjoner som kreves for kryptovalutamining.
2. Manuell Netlist og Plassering: Detaljert skripting for netlist-oppretting og manuell celleplassering for å optimalisere kritiske stier. Dette gir presis kontroll over timing og reduserer parasittiske effekter.
3. Tilpassede Cellebiblioteker: Utvikling av spesialiserte celler med optimaliserte transistortall og dynamiske strømsparingsfunksjoner. Tilpassede celler er designet for å operere ved lavest mulig spenninger, og sikrer minimal strømforbruk.

Oppnåelse av PPA-fordeler

Detaljerte strategier for å oppnå PPA-fordeler gjennom tilpasset design:

1. Tilpasset registerdesign: Bruke multi-bit registre og låsbaserte design for å redusere klokkeeffekt og forbedre timing borrowing. Multi-bit registre minimerer klokketrærnes strømforbruk og reduserer totalområdet.
2. Manuell plassering: Redusere ledningslengde og balansere oppsett- og holdetider for å forbedre totalytelsen. Manuell plassering gir bedre kontroll over interconnect-forsinkelser og crosstalk, forbedrer signalintegritet og reduserer strømforbruket.
3. Optimalisert celledesign: Tilpassede celler er designet for å operere ved lavere spenninger, minimere dynamisk strømforbruk og maksimere effektiviteten. Ved å skreddersy celledesignene til de spesifikke behovene til gruvealgoritmene, kan vi oppnå betydelige forbedringer i ytelse.

Pålitelighet ved lav spenning

Sikre påliteligheten til tilpasset tidslogikk ved lave spenninger involverer:

1. Nøyaktig simulering: Kretssimuleringer for å validere tilpasset celleatferd under spesifikke forhold. Verktøy som SPICE brukes for detaljerte elektriske simuleringer for å sikre at cellene fungerer riktig under alle PVT (Prosess, Spenning, Temperatur) hjørner.
2. Konsistens i plassering: Manuell plassering for å sikre ensartethet og redusere variasjoner. Ved å kontrollere den fysiske layouten kan vi minimere effekten av prosessvariasjoner og sikre konsistent ytelse.
3. Presis PVT-kalibrering: Verifikasjon mot prosess-, spennings- og temperaturvariasjoner. Omfattende testing og kalibrering utføres for å sikre designets robusthet under forskjellige driftsforhold.

Casestudier og resultater

Presentasjon av virkelige data og casestudier fra full mask-tape-outs:

Prosjekt	Prosessnode	Spenning/Strømeffektivitet	Algoritme
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

Disse resultatene demonstrerer de betydelige gevinstene i effektivitet og ytelse som kan oppnås gjennom vår tilpassede designmetode.

Integrasjon og verifikasjon

Signoff av blandede celler

• Integrasjon av tilpassede celler: Tilpassede celler integreres med standardceller fra TSMC og andre fabrikker for å sikre kompatibilitet og ytelse. Tilpassede celler er karakterisert og validert for å matche standardcellebibliotekets krav, noe som muliggjør sømløs integrasjon.
• Signoff-strategier: Strategier for å sikre sømløs kompatibilitet og ytelse inkluderer detaljerte DRC (Design Rule Check) og LVS (Layout Versus Schematic) sjekker, samt tids- og strømanalyser ved hjelp av bransjestandard EDA (Electronic Design Automation) verktøy.

Digital og Analog Samskaping

• Teknikker for integrasjon: Integrering av digitale og analoge komponenter for å optimalisere total ytelse av brikken. Teknikker som mixed-signal verifikasjon og samsimulering brukes for å sikre riktig integrasjon og funksjonalitet.
• Verifikasjonsmetodologier: Metodologier for å sikre robusthet under ulike driftsforhold inkluderer hjørneanalyse, Monte Carlo-simuleringer og pålitelighetsverifikasjon for å håndtere aldring og elektromigrasjon.

Konklusjon

Fullt tilpasset ASIC-design tilbyr betydelige fordeler for Bitcoin og kryptovalutamining, og gir enestående ytelse, energieffektivitet og pålitelighet. Ved å avdekke hemmelighetene bak førsteklasses tilpasset ASIC-design, fremhever denne artikkelen metodologiene og innovasjonene som skiller industriledere. Etter hvert som kryptovalutamining fortsetter å utvikle seg, vil tilpassede ASIC-er spille en avgjørende rolle i å drive neste generasjon av høy-effektive, høy-ytelses mining-maskinvare.

PDF-versjon av artikkelen