比特幣和加密貨幣挖礦的全定制ASIC設計秘訣
譚帥
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摘要
在競爭激烈的加密貨幣挖礦世界中，電力效率、哈希率性能和可靠性至關重要。本文深入探討了頂級全自定義ASIC（專用集成電路）設計，揭示了驅動高性能比特幣和加密貨幣挖礦的行業秘密和專家方法。本文由頂級ASIC礦機公司的一位技術專家撰寫，利用先進的設計技術、精心的物理佈局和全面的驗證流程，展示了全自定義ASIC在最大化挖礦效率和盈利能力方面的卓越能力。
介紹
加密貨幣挖礦，尤其是比特幣挖礦的發展，已從使用通用CPU、FPGA和GPU轉向專用ASIC。這些ASIC提供了無與倫比的性能和能源效率。全自定義ASIC設計代表了這一演變的頂峰，允許提供滿足挖礦作業特定需求的定制解決方案。
現有關於加密貨幣挖礦ASIC設計的大部分文獻來自學術界或非挖礦企業，通常缺乏現實應用性。迄今為止，只有少數公司，主要是中國公司（如MicroBT、比特大陸），成功開發出可上市的比特幣挖礦ASIC。本文旨在填補這一空白，提供來自實際行業實踐的見解，提供基於挖礦行業現實的視角。
作為一名在科技行業擁有超過十年經驗的專業人士，本文作者開發了世界頂級的比特幣ASIC礦機（WhatsMiner）、LTC/DOGE和ETH礦機，並在MicroBT、BTC.COM和其他無廠公司的發展中發揮了關鍵作用。他曾在納斯達克、港交所和紐交所上市公司擔任重要職位。與台積電、德州儀器、ARM和英特爾建立合作關係的豐富經驗，使他為比特幣和加密貨幣挖礦的定制ASIC設計領域帶來了豐富的知識和實際專業知識。
方法論與設計流程
設計理念
我們的全自定義ASIC設計方法注重在低電壓操作條件下最大化PPA（功率、性能和面積）。本節將描述我們的設計理念和方法：
- 流水線架構：利用流水線結構對挖礦算法的固有優勢，其特點是寄存器和組合邏輯階段。通過使用流水線架構，我們可以有效地處理加密貨幣挖礦所需的高頻操作。
- 手動網表和佈局：詳細腳本編寫網表並手動佈置單元，以優化關鍵路徑。這允許對時序進行精確控制並減少寄生效應。
- 定制單元庫：開發具有優化晶體管數量和動態節能功能的專用單元。定制單元設計在盡可能低的電壓下運行，確保最低功耗。
達成 PPA 效益
通過定制設計實現 PPA 效益的詳細策略：
- 定制寄存器設計：利用多位寄存器和鎖存器設計來減少時鐘功耗並改進時序借用。多位寄存器可以最大限度地減少時鐘樹的功耗並降低整體面積。
- 手動布局：減少導線長度和平衡設置和保持時間以提升整體性能。手動布局允許更好地控制互連延遲和串擾，改善信號完整性並降低功耗。
- 優化單元設計：定制單元設計在較低電壓下運行，將動態功耗降至最低並最大化效率。通過針對挖礦算法的特定需求定制單元設計，我們可以顯著提升性能。
低電壓下的可靠性
確保低電壓下定制設計的時序邏輯的可靠性涉及：
- 精確模擬：電路級模擬以驗證特定條件下的定制單元行為。使用 SPICE 等工具進行詳細的電氣模擬，以確保單元在所有 PVT（工藝、電壓、溫度）角下正常運行。
- 一致性布局：手動布局以確保均勻性並減少變異性。通過控制物理布局，我們可以將工藝變異的影響降到最低，確保一致的性能。
- 精確 PVT 校準：針對工藝、電壓和溫度變化進行驗證。進行廣泛的測試和校準，以確保設計在不同操作條件下的穩健性。
案例研究和結果
展示來自全掩膜投片的實際數據和案例研究：
| 項目 | 工藝節點 | 電壓/功效 | 算法 |
|---|---|---|---|
| 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 |
這些結果展示了通過我們的定制設計方法可以實現的顯著效率和性能提升。
集成和驗證
混合單元簽核
- 定制單元的集成：將定制單元與來自 TSMC 和其他代工廠的標準單元集成，確保兼容性和性能。定制單元經過表徵和驗證，以匹配標準單元庫的要求，實現無縫集成。
- 簽核策略：確保無縫兼容性和性能的策略包括詳細的 DRC（設計規則檢查）和 LVS（版圖對電路圖）檢查，以及使用行業標準 EDA（電子設計自動化）工具進行時序和功耗分析。
數位與類比協同設計
- 整合技術：整合數位與類比元件以優化整體晶片性能。使用混合信號驗證和協同模擬等技術來確保正確的整合與功能性。
- 驗證方法：確保在不同操作條件下的穩健性的方法包括角落分析、蒙地卡羅模擬和針對老化與電遷移的可靠性驗證。
結論
全自訂 ASIC 設計在比特幣和加密貨幣挖礦中提供了顯著優勢，展現出無與倫比的性能、能效和可靠性。本文揭示了頂級自訂 ASIC 設計的秘密，強調了使行業領袖脫穎而出的設計方法和創新。隨著加密貨幣挖礦的不斷發展，自訂 ASIC 將在推動新一代高效能、高性能的挖礦硬體中發揮關鍵作用。