Bí Mật Thiết Kế ASIC Tùy Chỉnh Hoàn Toàn cho Khai Thác Bitcoin và Tiền Điện Tử
- Tan Shuai
- Bán Dẫn, Bitcoin, Tiền Điện Tử, Chuỗi Khối
- 30 May, 2022
- 02 Aug, 2024
Tan Shuai
[email protected]
tanshuai.com
Tóm tắt
Trong thế giới cạnh tranh của khai thác tiền điện tử, hiệu suất năng lượng, hiệu suất hashrate và độ tin cậy là rất quan trọng. Bài báo này khám phá thiết kế ASIC (Mạch tích hợp chuyên dụng) tùy chỉnh hoàn toàn hàng đầu, tiết lộ các bí mật ngành và phương pháp chuyên gia thúc đẩy khai thác Bitcoin và tiền điện tử hiệu suất cao. Được viết bởi một chuyên gia công nghệ từ một trong những công ty khai thác ASIC hàng đầu, bài báo này tận dụng các kỹ thuật thiết kế tiên tiến, bố trí vật lý tỉ mỉ và quy trình xác minh toàn diện để giới thiệu khả năng vượt trội của ASIC tùy chỉnh trong việc tối đa hóa hiệu quả và lợi nhuận khai thác.
Giới thiệu
Sự phát triển của khai thác tiền điện tử, đặc biệt là khai thác Bitcoin, đã chứng kiến sự chuyển đổi từ việc sử dụng CPU đa dụng, FPGA và GPU sang ASIC chuyên dụng. Những ASIC này mang lại hiệu suất và hiệu quả năng lượng vượt trội. Thiết kế ASIC tùy chỉnh hoàn toàn đại diện cho đỉnh cao của sự phát triển này, cho phép các giải pháp tùy chỉnh đáp ứng nhu cầu cụ thể của các hoạt động khai thác.
Phần lớn tài liệu hiện có về thiết kế ASIC cho khai thác tiền điện tử đến từ học viện hoặc các doanh nghiệp không chuyên về khai thác, thường thiếu tính ứng dụng thực tế. Cho đến nay, chỉ có một số ít công ty, chủ yếu là các công ty Trung Quốc (ví dụ, MicroBT, Bitmain), đã phát triển thành công ASIC khai thác Bitcoin có thể tiếp thị. Bài báo này nhằm lấp đầy khoảng trống đó bằng cách cung cấp những hiểu biết được rút ra từ thực tiễn ngành, mang đến một góc nhìn dựa trên thực tế của ngành khai thác.
Là một chuyên gia với hơn mười năm kinh nghiệm trong ngành công nghệ, tác giả của bài báo này đã phát triển ASIC Miner Bitcoin hàng đầu thế giới (WhatsMiner), LTC/DOGE và ETH Miners, và đóng vai trò quan trọng trong các công ty như MicroBT, BTC.COM và các công ty không fabless công khai khác. Ông đã giữ các vị trí quan trọng trong các công ty niêm yết trên NASDAQ, HKSE và NYSE. Với kinh nghiệm phong phú trong việc thiết lập quan hệ đối tác với TSMC, Texas Instruments, ARM và Intel, ông mang lại kiến thức sâu rộng và chuyên môn thực tiễn cho lĩnh vực thiết kế ASIC tùy chỉnh cho khai thác Bitcoin và tiền điện tử.
Phương pháp luận và Quy trình Thiết kế
Triết lý Thiết kế
Cách tiếp cận của chúng tôi đối với thiết kế ASIC tùy chỉnh hoàn toàn được thúc đẩy bởi tập trung vào việc tối đa hóa PPA (Năng lượng, Hiệu suất và Diện tích), đặc biệt là trong điều kiện vận hành điện áp thấp. Phần này sẽ mô tả triết lý và phương pháp thiết kế của chúng tôi:
- Kiến trúc Đường ống: Tận dụng các lợi ích vốn có của cấu trúc đường ống cho các thuật toán khai thác, được đặc trưng bởi các giai đoạn logic tổ hợp và thanh ghi. Bằng cách sử dụng kiến trúc đường ống, chúng tôi có thể xử lý hiệu quả các hoạt động tần số cao cần thiết cho khai thác tiền điện tử.
- Netlist và Đặt vị trí Thủ công: Viết kịch bản chi tiết cho việc tạo netlist và đặt vị trí cell thủ công để tối ưu hóa các đường dẫn quan trọng. Điều này cho phép kiểm soát chính xác thời gian và giảm thiểu các hiệu ứng ký sinh.
- Thư viện Cell Tùy chỉnh: Phát triển các cell chuyên dụng với số lượng transistor tối ưu và các tính năng tiết kiệm năng lượng động. Các cell tùy chỉnh được thiết kế để hoạt động ở điện áp thấp nhất có thể, đảm bảo tiêu thụ năng lượng tối thiểu.
Đạt được lợi ích PPA
Chiến lược chi tiết để đạt được lợi ích PPA thông qua thiết kế tùy chỉnh:
- Thiết kế Thanh ghi Tùy chỉnh: Sử dụng các thanh ghi đa bit và thiết kế dựa trên chốt để giảm công suất xung nhịp và cải thiện thời gian vay mượn. Các thanh ghi đa bit giảm tiêu thụ điện năng của cây xung nhịp và giảm diện tích tổng thể.
- Đặt thủ công: Giảm độ dài dây dẫn và cân bằng thời gian thiết lập và giữ để nâng cao hiệu suất tổng thể. Việc đặt thủ công cho phép kiểm soát tốt hơn các độ trễ liên kết và nhiễu xuyên âm, cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu và giảm tiêu thụ điện năng.
- Thiết kế Ô tối ưu: Các ô tùy chỉnh được thiết kế để hoạt động ở điện áp thấp hơn, giảm thiểu tiêu thụ điện động và tối đa hóa hiệu quả. Bằng cách điều chỉnh thiết kế ô theo nhu cầu cụ thể của các thuật toán khai thác, chúng ta có thể đạt được sự cải thiện đáng kể về hiệu suất.
Độ tin cậy dưới điện áp thấp
Đảm bảo độ tin cậy của logic thời gian tùy chỉnh ở điện áp thấp bao gồm:
- Mô phỏng chính xác: Mô phỏng cấp độ mạch để xác nhận hành vi ô tùy chỉnh dưới các điều kiện cụ thể. Các công cụ như SPICE được sử dụng cho các mô phỏng điện chi tiết để đảm bảo các ô hoạt động chính xác dưới mọi góc PVT (Quá trình, Điện áp, Nhiệt độ).
- Tính nhất quán trong đặt: Đặt thủ công để đảm bảo tính đồng đều và giảm biến đổi. Bằng cách kiểm soát bố trí vật lý, chúng ta có thể giảm thiểu tác động của các biến đổi quá trình và đảm bảo hiệu suất nhất quán.
- Hiệu chuẩn PVT chính xác: Xác minh đối với các biến đổi quá trình, điện áp và nhiệt độ. Thử nghiệm và hiệu chuẩn rộng rãi được thực hiện để đảm bảo độ bền của thiết kế qua các điều kiện hoạt động khác nhau.
Các nghiên cứu điển hình và kết quả
Trình bày dữ liệu thực tế và các nghiên cứu điển hình từ các lần băng che toàn bộ:
| Dự án | Nút quy trình | Hiệu suất Điện áp/Công suất | Thuật toán |
|---|---|---|---|
| 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 |
Những kết quả này chứng minh những cải tiến đáng kể về hiệu quả và hiệu suất đạt được thông qua phương pháp thiết kế tùy chỉnh của chúng tôi.
Tích hợp và xác minh
Ký hiệu ô hỗn hợp
- Tích hợp các ô tùy chỉnh: Các ô tùy chỉnh được tích hợp với các ô tiêu chuẩn từ TSMC và các xưởng đúc khác, đảm bảo khả năng tương thích và hiệu suất. Các ô tùy chỉnh được đặc trưng và xác nhận để phù hợp với yêu cầu của thư viện ô tiêu chuẩn, cho phép tích hợp liền mạch.
- Chiến lược ký hiệu: Chiến lược đảm bảo khả năng tương thích và hiệu suất liền mạch bao gồm kiểm tra DRC (Design Rule Check) và LVS (Layout Versus Schematic) chi tiết, cũng như phân tích thời gian và công suất bằng các công cụ EDA (Electronic Design Automation) tiêu chuẩn ngành.
Thiết Kế Đồng Thời Số Và Tương Tự
- Kỹ Thuật Tích Hợp: Tích hợp các thành phần số và tương tự để tối ưu hóa hiệu suất tổng thể của chip. Các kỹ thuật như xác minh tín hiệu hỗn hợp và đồng mô phỏng được sử dụng để đảm bảo tích hợp và chức năng đúng cách.
- Phương Pháp Xác Minh: Các phương pháp để đảm bảo độ bền vững trong các điều kiện hoạt động khác nhau bao gồm phân tích góc, mô phỏng Monte Carlo, và xác minh độ tin cậy để giải quyết vấn đề lão hóa và di cư điện.
Kết Luận
Thiết kế ASIC tùy chỉnh hoàn toàn mang lại những lợi thế đáng kể cho việc khai thác Bitcoin và tiền điện tử, cung cấp hiệu suất, hiệu quả năng lượng và độ tin cậy vô song. Bằng cách tiết lộ những bí mật của thiết kế ASIC tùy chỉnh hàng đầu, bài viết này nêu bật các phương pháp và sáng tạo mà các nhà lãnh đạo ngành sử dụng. Khi việc khai thác tiền điện tử tiếp tục phát triển, các ASIC tùy chỉnh sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy thế hệ phần cứng khai thác hiệu suất cao và hiệu quả năng lượng cao tiếp theo.