Full Custom ASIC Design Hemligheter för Bitcoin och Kryptovaluta Brytning

Tan Shuai
[email protected]
tanshuai.com

---

Sammanfattning

I den konkurrensutsatta världen av kryptovalutagruvdrift är energieffektivitet, hashrate-prestanda och tillförlitlighet avgörande. Denna artikel fördjupar sig i toppklassens fulla anpassade ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) design och avslöjar branschens hemligheter och expertmetoder som driver högpresterande Bitcoin- och kryptovalutagruvdrift. Skriven av en teknisk expert från ett av de främsta ASIC-gruvföretagen, utnyttjar denna artikel avancerade designtekniker, noggrann fysisk layout och omfattande verifieringsprocesser för att visa de exceptionella kapaciteterna hos fulla anpassade ASIC:er i att maximera gruvdriftens effektivitet och lönsamhet.

Introduktion

Utvecklingen av kryptovalutagruvdrift, särskilt Bitcoin-gruvdrift, har sett en övergång från användning av allmänna CPU:er, FPGA:er och GPU:er till specialiserade ASIC:er. Dessa ASIC:er erbjuder oöverträffad prestanda och energieffektivitet. Full anpassad ASIC-design representerar höjdpunkten av denna utveckling, vilket möjliggör skräddarsydda lösningar som uppfyller de specifika kraven för gruvdriftsoperationer.

Mycket av den befintliga litteraturen om ASIC-design för kryptovalutagruvdrift kommer från akademin eller icke-gruvföretag, som ofta saknar verklig tillämplighet. Hittills har endast ett fåtal företag, främst kinesiska (t.ex. MicroBT, Bitmain), framgångsrikt utvecklat marknadsförbara Bitcoin-gruv-ASIC:er. Denna artikel syftar till att fylla denna lucka genom att tillhandahålla insikter hämtade från faktisk branschpraxis och erbjuda ett perspektiv baserat på verkligheten i gruvsektorn.

Som en professionell med över tio års erfarenhet i teknologibranschen har författaren av denna artikel utvecklat världens bästa Bitcoin ASIC Miner (WhatsMiner), LTC/DOGE och ETH Miners, och spelat en nyckelroll i företag som MicroBT, BTC.COM och andra offentliga fablesses. Han har innehaft nyckelpositioner i företag noterade på NASDAQ, HKSE och NYSE. Med omfattande erfarenhet av att etablera partnerskap med TSMC, Texas Instruments, ARM och Intel, medför han en mängd kunskap och praktisk expertis till området för anpassad ASIC-design för Bitcoin- och kryptovalutagruvdrift.

Metodik och Designflöde

Designfilosofi

Vår inställning till full anpassad ASIC-design drivs av ett fokus på att maximera PPA (Power, Performance, and Area), särskilt under låga spänningsförhållanden. Detta avsnitt kommer att beskriva vår designfilosofi och metodik:

1. Pipeline-arkitektur: Utnyttja de inneboende fördelarna med pipeline-strukturer för gruvdriftsalgoritmer, kännetecknade av register och kombinationslogiksteg. Genom att använda en pipeline-arkitektur kan vi effektivt hantera de högfrekventa operationerna som krävs för kryptovalutagruvdrift.
2. Manuell Netlist och Placering: Detaljerad skriptning för netlist-skapande och manuell cellplacering för att optimera kritiska vägar. Detta möjliggör exakt kontroll över tidtagning och minskar parasitära effekter.
3. Anpassade Cellbibliotek: Utveckling av specialiserade celler med optimerade transistorräkningar och dynamiska strömsparfunktioner. Anpassade celler är designade för att fungera vid lägsta möjliga spänningar, vilket säkerställer minimal strömförbrukning.

Uppnå fördelar med PPA

Detaljerade strategier för att uppnå fördelar med PPA genom anpassad design:

1. Anpassad registerdesign: Användning av flerbitsregister och latch-baserade designer för att minska klockkraft och förbättra tidsutlåning. Flerbitsregister minimerar klockträdets strömförbrukning och minskar den totala ytan.
2. Manuell placering: Minska ledningslängden och balansera uppställnings- och hålltider för att förbättra den övergripande prestandan. Manuell placering möjliggör bättre kontroll över förbindelsedröjsmål och crosstalk, vilket förbättrar signalintegriteten och minskar strömförbrukningen.
3. Optimerad celldesign: Anpassade celler är designade för att fungera vid lägre spänningar, vilket minimerar dynamisk strömförbrukning och maximerar effektiviteten. Genom att skräddarsy celldesignerna efter de specifika behoven hos gruvalgoritmerna kan vi uppnå betydande prestandaförbättringar.

Tillförlitlighet vid låg spänning

Att säkerställa tillförlitligheten hos anpassad timinglogik vid låga spänningar innebär:

1. Noggrann simulering: Kretsnivåsimuleringar för att validera anpassat celldbeteende under specifika förhållanden. Verktyg som SPICE används för detaljerade elektriska simuleringar för att säkerställa att cellerna fungerar korrekt under alla PVT (Process, Voltage, Temperature) hörn.
2. Konsekvent placering: Manuell placering för att säkerställa enhetlighet och minska variabilitet. Genom att kontrollera den fysiska layouten kan vi minimera inverkan av processvariationer och säkerställa konsekvent prestanda.
3. Precis PVT-kalibrering: Verifiering mot process-, spännings- och temperaturvariationer. Omfattande tester och kalibrering utförs för att säkerställa designens robusthet under olika driftsförhållanden.

Fallstudier och resultat

Presentera verkliga data och fallstudier från fullmaskstape-outs:

Projekt	Processnod	Spänning/Energieffektivitet	Algoritm
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

Dessa resultat visar på de betydande vinster i effektivitet och prestanda som kan uppnås genom vår anpassade designmetod.

Integration och verifiering

Signoff med blandade celler

• Integration av anpassade celler: Anpassade celler integreras med standardceller från TSMC och andra foundries för att säkerställa kompatibilitet och prestanda. Anpassade celler karakteriseras och valideras för att matcha kraven i standardcellbiblioteket, vilket möjliggör sömlös integration.
• Signoff-strategier: Strategier för att säkerställa sömlös kompatibilitet och prestanda inkluderar detaljerade DRC (Design Rule Check) och LVS (Layout Versus Schematic) kontroller, samt tids- och strömanalys med industristandard EDA (Electronic Design Automation) verktyg.

Digital och analog samdesign

• Tekniker för integration: Integrering av digitala och analoga komponenter för att optimera chipets totala prestanda. Tekniker som blandad signalverifiering och samsimulering används för att säkerställa korrekt integration och funktionalitet.
• Verifieringsmetodologier: Metodologier för att säkerställa robusthet under olika driftförhållanden inkluderar hörnanalyser, Monte Carlo-simuleringar och tillförlitlighetsverifiering för att hantera åldrande och elektromigration.

Slutsats

Fullt kundanpassad ASIC-design erbjuder betydande fördelar för Bitcoin- och kryptovalutagruvdrift, med oöverträffad prestanda, energieffektivitet och tillförlitlighet. Genom att avslöja hemligheterna bakom förstklassig kundanpassad ASIC-design, framhäver denna artikel de metodologier och innovationer som skiljer branschledare åt. När kryptovalutagruvdrift fortsätter att utvecklas, kommer kundanpassade ASIC:er att spela en avgörande roll för att driva nästa generation av högpresterande, hög effektivitets gruvhårdvara.

PDF-version av artikeln