Segredos do Design ASIC Personalizado para Mineração de Bitcoin e Criptomoedas

Tan Shuai
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Resumo

No competitivo mundo da mineração de criptomoedas, eficiência energética, desempenho de hashrate e confiabilidade são fundamentais. Este artigo explora o design ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) full custom de alto nível, revelando segredos da indústria e metodologias especializadas que impulsionam a mineração de Bitcoin e criptomoedas de alto desempenho. Escrito por um especialista em tecnologia de uma das principais empresas de mineradores ASIC, este artigo utiliza técnicas avançadas de design, layout físico meticuloso e processos de verificação abrangentes para demonstrar as capacidades excepcionais dos ASICs full custom na maximização da eficiência e rentabilidade da mineração.

Introdução

A evolução da mineração de criptomoedas, particularmente a mineração de Bitcoin, viu uma mudança do uso de CPUs de propósito geral, FPGAs e GPUs para ASICs especializados. Esses ASICs oferecem desempenho e eficiência energética incomparáveis. O design full custom de ASIC representa o auge dessa evolução, permitindo soluções personalizadas que atendem às demandas específicas das operações de mineração.

Grande parte da literatura existente sobre design de ASIC para mineração de criptomoedas vem da academia ou de empresas não relacionadas à mineração, que muitas vezes carecem de aplicabilidade no mundo real. Até hoje, apenas um punhado de empresas, principalmente chinesas (por exemplo, MicroBT, Bitmain), desenvolveram com sucesso ASICs de mineração de Bitcoin comercializáveis. Este artigo busca preencher essa lacuna fornecendo insights extraídos da prática real da indústria, oferecendo uma perspectiva baseada nas realidades do setor de mineração.

Como um profissional com mais de dez anos de experiência na indústria de tecnologia, o autor deste artigo desenvolveu o principal minerador ASIC de Bitcoin do mundo (WhatsMiner), mineradores de LTC/DOGE e ETH, e desempenhou um papel fundamental em empresas como MicroBT, BTC.COM e outras fablesses públicas. Ele ocupou posições-chave em empresas listadas na NASDAQ, HKSE e NYSE. Com ampla experiência em estabelecer parcerias com TSMC, Texas Instruments, ARM e Intel, ele traz um vasto conhecimento e expertise prática para o campo do design de ASICs customizados para mineração de Bitcoin e criptomoedas.

Metodologia e Fluxo de Design

Filosofia de Design

Nossa abordagem ao design de ASIC full custom é guiada pelo foco na maximização do PPA (Potência, Desempenho e Área), particularmente sob condições de operação em baixa tensão. Esta seção descreverá nossa filosofia e metodologia de design:

1. Arquitetura Pipeline: Aproveitando os benefícios inerentes das estruturas de pipeline para algoritmos de mineração, caracterizados por registros e estágios de lógica combinacional. Ao usar uma arquitetura pipeline, podemos lidar de forma eficiente com as operações de alta frequência necessárias para a mineração de criptomoedas.
2. Netlist e Colocação Manual: Script detalhado para criação de netlist e colocação manual de células para otimizar caminhos críticos. Isso permite um controle preciso sobre o tempo e reduz efeitos parasitas.
3. Bibliotecas de Células Customizadas: Desenvolvimento de células especializadas com contagens de transistores otimizadas e recursos dinâmicos de economia de energia. As células personalizadas são projetadas para operar nas menores voltagens possíveis, garantindo consumo mínimo de energia.

Alcançando Benefícios de PPA

Estratégias detalhadas para alcançar benefícios de PPA através de design personalizado:

1. Design de Registrador Personalizado: Utilizando registradores de múltiplos bits e designs baseados em latch para reduzir o consumo de energia do clock e melhorar o empréstimo de tempo. Registradores de múltiplos bits minimizam o consumo de energia da árvore de clock e reduzem a área total.
2. Posicionamento Manual: Reduzindo o comprimento dos fios e equilibrando os tempos de setup e hold para melhorar o desempenho geral. O posicionamento manual permite um melhor controle sobre os atrasos de interconexão e a diafonia, melhorando a integridade do sinal e reduzindo o consumo de energia.
3. Design Otimizado de Células: Células personalizadas são projetadas para operar em tensões mais baixas, minimizando o consumo dinâmico de energia e maximizando a eficiência. Ao adaptar os designs das células às necessidades específicas dos algoritmos de mineração, podemos obter melhorias significativas no desempenho.

Confiabilidade em Baixa Tensão

Garantir a confiabilidade da lógica de temporização projetada sob medida em baixas tensões envolve:

1. Simulação Precisa: Simulações a nível de circuito para validar o comportamento das células personalizadas sob condições específicas. Ferramentas como SPICE são usadas para simulações elétricas detalhadas para garantir que as células operem corretamente em todos os cantos PVT (Processo, Tensão, Temperatura).
2. Consistência no Posicionamento: Posicionamento manual para garantir uniformidade e reduzir variabilidade. Controlando o layout físico, podemos minimizar o impacto das variações de processo e garantir um desempenho consistente.
3. Calibração PVT Precisa: Verificação contra variações de processo, tensão e temperatura. Testes e calibrações extensivos são realizados para garantir a robustez do design em diferentes condições operacionais.

Estudos de Caso e Resultados

Apresentando dados reais e estudos de caso de tape-outs completos:

Projeto	Nó de Processo	Eficiência de Tensão/Energia	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

Esses resultados demonstram os ganhos substanciais em eficiência e desempenho alcançáveis através de nossa abordagem de design personalizado.

Integração e Verificação

Signoff de Células Mistas

• Integração de Células Personalizadas: Células personalizadas são integradas com células padrão da TSMC e outras foundries, garantindo compatibilidade e desempenho. Células personalizadas são caracterizadas e validadas para corresponder aos requisitos da biblioteca de células padrão, permitindo uma integração perfeita.
• Estratégias de Signoff: Estratégias para garantir compatibilidade e desempenho incluem verificações detalhadas de DRC (Design Rule Check) e LVS (Layout Versus Schematic), bem como análises de temporização e energia usando ferramentas EDA (Electronic Design Automation) padrão da indústria.

Co-Projeto Digital e Analógico

• Técnicas de Integração: Integração de componentes digitais e analógicos para otimizar o desempenho geral do chip. Técnicas como verificação de sinal misto e co-simulação são usadas para garantir a integração e funcionalidade adequadas.
• Metodologias de Verificação: Metodologias para garantir a robustez em diferentes condições operacionais incluem análise de canto, simulações de Monte Carlo e verificação de confiabilidade para abordar envelhecimento e electromigração.

Conclusão

O design ASIC totalmente customizado oferece vantagens significativas para mineração de Bitcoin e criptomoedas, proporcionando desempenho, eficiência energética e confiabilidade incomparáveis. Ao desvendar os segredos do design ASIC customizado de primeira linha, este artigo destaca as metodologias e inovações que diferenciam os líderes da indústria. À medida que a mineração de criptomoedas continua a evoluir, os ASICs customizados desempenharão um papel crucial na condução da próxima geração de hardware de mineração de alta eficiência e alto desempenho.

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