ความลับในการออกแบบ ASIC แบบกำหนดเองเต็มรูปแบบสำหรับการขุด Bitcoin และสกุลเงินดิจิทัล
- Tan Shuai
- เซมิคอนดักเตอร์, Bitcoin, สกุลเงินดิจิทัล, บล็อกเชน
- 30 May, 2022
- 02 Aug, 2024
Tan Shuai
[email protected]
tanshuai.com
บทคัดย่อ
ในโลกที่แข่งขันกันอย่างดุเดือดของการขุดคริปโตเคอร์เรนซี ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ประสิทธิภาพของอัตราแฮช และความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง บทความนี้เจาะลึกการออกแบบ ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) แบบกำหนดเองเต็มรูปแบบชั้นนำ โดยเปิดเผยความลับในอุตสาหกรรมและวิธีการของผู้เชี่ยวชาญที่ขับเคลื่อนการขุด Bitcoin และคริปโตเคอร์เรนซีที่มีประสิทธิภาพสูง เขียนโดยผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีจากหนึ่งในบริษัทผู้ผลิต ASIC ชั้นนำ บทความนี้ใช้เทคนิคการออกแบบขั้นสูง การวางผังทางกายภาพที่พิถีพิถัน และกระบวนการตรวจสอบที่ครอบคลุมเพื่อแสดงความสามารถพิเศษของ ASIC แบบกำหนดเองเต็มรูปแบบในการเพิ่มประสิทธิภาพและความสามารถในการทำกำไรของการขุด
บทนำ
วิวัฒนาการของการขุดคริปโตเคอร์เรนซี โดยเฉพาะการขุด Bitcoin ได้เห็นการเปลี่ยนแปลงจากการใช้ CPU, FPGA, และ GPU ที่มีวัตถุประสงค์ทั่วไปไปเป็น ASIC เฉพาะทาง ASIC เหล่านี้มีประสิทธิภาพและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ไม่มีใครเทียบได้ การออกแบบ ASIC แบบกำหนดเองเต็มรูปแบบเป็นจุดสูงสุดของวิวัฒนาการนี้ ทำให้สามารถแก้ปัญหาได้อย่างตรงเป้าหมายตามความต้องการเฉพาะของการดำเนินการขุด
เอกสารจำนวนมากที่มีอยู่เกี่ยวกับการออกแบบ ASIC สำหรับการขุดคริปโตเคอร์เรนซีมาจากวงการวิชาการหรือองค์กรที่ไม่ใช่การขุด ซึ่งมักขาดการประยุกต์ใช้ในโลกแห่งความเป็นจริง จนถึงปัจจุบันมีเพียงไม่กี่บริษัท ส่วนใหญ่เป็นบริษัทจีน (เช่น MicroBT, Bitmain) ที่พัฒนา ASIC สำหรับการขุด Bitcoin ที่สามารถทำการตลาดได้สำเร็จ บทความนี้พยายามเติมเต็มช่องว่างนั้นโดยให้ข้อมูลเชิงลึกที่ได้จากการปฏิบัติจริงในอุตสาหกรรม นำเสนอข้อมูลที่มีพื้นฐานจากความเป็นจริงของภาคการขุด
ในฐานะผู้เชี่ยวชาญที่มีประสบการณ์มากกว่าสิบปีในอุตสาหกรรมเทคโนโลยี ผู้เขียนบทความนี้ได้พัฒนาเครื่องขุด Bitcoin ASIC ชั้นนำของโลก (WhatsMiner), เครื่องขุด LTC/DOGE และ ETH และมีบทบาทสำคัญในบริษัทเช่น MicroBT, BTC.COM และบริษัทอื่นๆ ที่ไม่มีโรงงานเป็นของตนเอง เขาดำรงตำแหน่งสำคัญในบริษัทที่จดทะเบียนใน NASDAQ, HKSE และ NYSE ด้วยประสบการณ์กว้างขวางในการสร้างพันธมิตรกับ TSMC, Texas Instruments, ARM และ Intel เขานำความรู้และความเชี่ยวชาญเชิงปฏิบัติมาสู่วงการออกแบบ ASIC แบบกำหนดเองสำหรับการขุด Bitcoin และคริปโตเคอร์เรนซี
วิธีการและขั้นตอนการออกแบบ
ปรัชญาการออกแบบ
แนวทางของเราในการออกแบบ ASIC แบบกำหนดเองเต็มรูปแบบถูกขับเคลื่อนโดยมุ่งเน้นไปที่การเพิ่ม PPA (พลังงาน, ประสิทธิภาพ, และพื้นที่) ให้สูงสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะการใช้งานแรงดันไฟฟ้าต่ำ ส่วนนี้จะอธิบายปรัชญาและวิธีการออกแบบของเรา:
- สถาปัตยกรรม Pipeline: ใช้ประโยชน์จากโครงสร้าง Pipeline สำหรับอัลกอริธึมการขุด ซึ่งประกอบด้วยขั้นตอนของการลงทะเบียนและตรรกะผสมผสาน ด้วยการใช้สถาปัตยกรรม Pipeline เราสามารถจัดการกับการดำเนินการความถี่สูงที่จำเป็นสำหรับการขุดคริปโตเคอร์เรนซีได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- Netlist และการวางตำแหน่งแบบ Manual: การเขียนสคริปต์อย่างละเอียดสำหรับการสร้าง Netlist และการวางเซลล์แบบ Manual เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเส้นทางที่สำคัญ สิ่งนี้ช่วยให้สามารถควบคุมเวลาได้อย่างแม่นยำและลดผลกระทบจากการสูญเสียที่ไม่พึงประสงค์
- ห้องสมุดเซลล์แบบกำหนดเอง: การพัฒนาเซลล์เฉพาะที่มีจำนวนทรานซิสเตอร์ที่เหมาะสมและมีคุณสมบัติประหยัดพลังงานแบบไดนามิก เซลล์ที่กำหนดเองถูกออกแบบมาให้ทำงานที่
การบรรลุประโยชน์ของ PPA
กลยุทธ์ที่มีรายละเอียดในการบรรลุประโยชน์ของ PPA ผ่านการออกแบบตามความต้องการ:
- การออกแบบรีจิสเตอร์ตามความต้องการ: ใช้รีจิสเตอร์แบบหลายบิตและการออกแบบแบบแลตช์เพื่อลดพลังงานนาฬิกาและปรับปรุงการยืมเวลา รีจิสเตอร์แบบหลายบิตช่วยลดการใช้พลังงานของต้นไม้ของนาฬิกาและลดพื้นที่ทั้งหมด
- การวางตำแหน่งแบบแมนนวล: ลดความยาวของสายไฟและสมดุลเวลาตั้งค่าและเวลาถือเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม การวางตำแหน่งแบบแมนนวลช่วยให้ควบคุมความล่าช้าของการเชื่อมต่อและการรบกวนข้ามได้ดีขึ้น ปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณและลดการใช้พลังงาน
- การออกแบบเซลล์ที่เหมาะสม: เซลล์ที่ออกแบบตามความต้องการเพื่อทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ ลดการใช้พลังงานแบบไดนามิกและเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด ด้วยการปรับแต่งการออกแบบเซลล์ตามความต้องการเฉพาะของอัลกอริธึมการขุด เราสามารถบรรลุการปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างมาก
ความน่าเชื่อถือภายใต้แรงดันไฟฟ้าต่ำ
การประกันความน่าเชื่อถือของตรรกะเวลาแบบกำหนดเองที่ออกแบบไว้ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำมีดังนี้:
- การจำลองที่แม่นยำ: การจำลองในระดับวงจรเพื่อยืนยันพฤติกรรมของเซลล์แบบกำหนดเองภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ เครื่องมือเช่น SPICE ถูกใช้ในการจำลองไฟฟ้าที่มีรายละเอียดเพื่อให้แน่ใจว่าเซลล์ทำงานได้อย่างถูกต้องภายใต้มุม PVT (กระบวนการ, แรงดันไฟฟ้า, อุณหภูมิ) ทุกมุม
- ความสม่ำเสมอในการวางตำแหน่ง: การวางตำแหน่งแบบแมนนวลเพื่อให้แน่ใจถึงความสม่ำเสมอและลดความแปรปรวน ด้วยการควบคุมเค้าโครงทางกายภาพ เราสามารถลดผลกระทบของความแปรปรวนในกระบวนการและรับรองประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอ
- การสอบเทียบ PVT ที่แม่นยำ: การตรวจสอบกับความแปรปรวนของกระบวนการ, แรงดันไฟฟ้า และอุณหภูมิ มีการทดสอบและการสอบเทียบที่กว้างขวางเพื่อให้แน่ใจถึงความแข็งแกร่งของการออกแบบในสภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน
กรณีศึกษาและผลลัพธ์
การนำเสนอข้อมูลจริงและกรณีศึกษาจากการออกแบบเต็มมาสก์:
| โครงการ | โหนดกระบวนการ | ประสิทธิภาพแรงดัน/พลังงาน | อัลกอริธึม |
|---|---|---|---|
| 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 |
ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพและประสิทธิภาพที่สำคัญที่สามารถทำได้ผ่านการออกแบบตามความต้องการของเรา
การผสานรวมและการตรวจสอบ
การเซ็นออกเซลล์แบบผสม
- การผสานรวมเซลล์ตามความต้องการ: เซลล์ตามความต้องการจะถูกรวมเข้ากับเซลล์มาตรฐานจาก TSMC และโรงงานอื่น ๆ เพื่อให้แน่ใจถึงความเข้ากันได้และประสิทธิภาพ เซลล์ตามความต้องการจะถูกกำหนดลักษณะและตรวจสอบให้ตรงกับความต้องการของห้องสมุดเซลล์มาตรฐาน ทำให้การผสานรวมเป็นไปอย่างราบรื่น
- กลยุทธ์การเซ็นออก: กลยุทธ์เพื่อให้แน่ใจถึงความเข้ากันได้และประสิทธิภาพที่ราบรื่นรวมถึงการตรวจสอบ DRC (Design Rule Check) และ LVS (Layout Versus Schematic) อย่างละเอียด รวมถึงการวิเคราะห์เวลาและพลังงานโดยใช้เครื่องมือ EDA (Electronic Design Automation) มาตรฐานอุตสาหกรรม
การออกแบบร่วมกันแบบดิจิทัลและอนาล็อก
- เทคนิคสำหรับการบูรณาการ: การรวมส่วนประกอบดิจิทัลและอนาล็อกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของชิป ใช้เทคนิคเช่นการตรวจสอบแบบผสมสัญญาณและการจำลองร่วมเพื่อให้มั่นใจถึงการบูรณาการและการทำงานที่เหมาะสม
- วิธีการตรวจสอบความถูกต้อง: วิธีการเพื่อให้แน่ใจถึงความทนทานในสภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน ได้แก่ การวิเคราะห์มุม, การจำลองมอนติคาร์โล และการตรวจสอบความน่าเชื่อถือเพื่อแก้ปัญหาการเสื่อมสภาพและการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน
สรุป
การออกแบบ ASIC แบบสั่งทำพิเศษมีข้อได้เปรียบอย่างมากสำหรับการขุด Bitcoin และสกุลเงินดิจิทัล ให้ประสิทธิภาพที่ไม่มีใครเทียบได้ ความสามารถในการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือ ด้วยการเปิดเผยความลับของการออกแบบ ASIC แบบสั่งทำพิเศษระดับสูง บทความนี้ได้เน้นถึงวิธีการและนวัตกรรมที่ทำให้ผู้นำอุตสาหกรรมแตกต่าง ในขณะที่การขุดสกุลเงินดิจิทัลยังคงพัฒนา ASIC แบบสั่งทำพิเศษจะมีบทบาทสำคัญในการผลักดันให้เกิดฮาร์ดแวร์การขุดที่มีประสิทธิภาพสูงและประสิทธิภาพสูงในรุ่นต่อไป