比特币和加密货币挖矿的全定制ASIC设计秘密
谭帅
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摘要
在竞争激烈的加密货币挖矿领域，电源效率、算力表现和可靠性至关重要。本文深入探讨了顶级全定制ASIC（专用集成电路）设计，揭示了驱动高性能比特币和加密货币挖矿的行业秘密和专家方法。由顶级ASIC矿机公司的一位技术专家撰写，本文利用先进的设计技术、精细的物理布局和全面的验证过程，展示了全定制ASIC在最大化挖矿效率和盈利能力方面的卓越能力。
引言
加密货币挖矿，特别是比特币挖矿的发展，已经从使用通用CPU、FPGA和GPU转向了专用ASIC。这些ASIC提供了无与伦比的性能和能源效率。全定制ASIC设计代表了这一演变的顶峰，允许提供满足挖矿操作特定需求的定制解决方案。
现有的大部分关于加密货币挖矿ASIC设计的文献来自学术界或非挖矿企业，通常缺乏实际应用性。迄今为止，只有少数公司，主要是中国公司（如MicroBT、比特大陆），成功开发出了可投放市场的比特币挖矿ASIC。本文旨在通过提供实际行业实践的见解，填补这一空白，提供基于挖矿行业实际情况的视角。
作为在技术行业拥有超过十年经验的专业人士，本文作者开发了全球顶级的比特币ASIC矿机（WhatsMiner）、LTC/DOGE和ETH矿机，并在MicroBT、BTC.COM等无晶圆厂上市公司中发挥了关键作用。他在纳斯达克、香港证券交易所和纽约证券交易所上市公司中担任过重要职位，并在与台积电、德州仪器、ARM和英特尔建立合作伙伴关系方面拥有丰富经验，为比特币和加密货币挖矿的定制ASIC设计领域带来了丰富的知识和实践经验。
方法和设计流程
设计理念
我们的全定制ASIC设计方法以最大化PPA（功率、性能和面积）为核心，特别是在低电压操作条件下。此部分将描述我们的设计理念和方法：
- 流水线架构：利用流水线结构在挖矿算法中的固有优势，其特征是寄存器和组合逻辑阶段。通过使用流水线架构，我们可以高效处理加密货币挖矿所需的高频操作。
- 手动网表和布局：通过详细的脚本编写网表和手动单元布局来优化关键路径。这允许对时序进行精确控制并减少寄生效应。
- 定制单元库：开发具有优化晶体管数量和动态节能功能的专用单元。定制单元设计为在尽可能低的电压下运行，确保最低的功耗。
实现 PPA 效益
通过定制设计实现 PPA 效益的详细策略：
- 定制寄存器设计：利用多位寄存器和基于锁存器的设计来减少时钟功耗并提高时间借用。多位寄存器可以最小化时钟树的功耗并减少整体面积。
- 手动布局：减少线长和平衡设置和保持时间，以提高整体性能。手动布局可以更好地控制互连延迟和串扰，改善信号完整性并减少功耗。
- 优化单元设计：定制单元设计在较低电压下运行，最大限度地减少动态功耗并提高效率。通过根据挖矿算法的具体需求定制单元设计，我们可以显著提升性能。
低电压下的可靠性
确保定制设计的时序逻辑在低电压下的可靠性包括：
- 精确模拟：电路级模拟以验证定制单元在特定条件下的行为。使用诸如SPICE等工具进行详细的电气模拟，以确保单元在所有PVT（工艺、电压、温度）角下都能正常工作。
- 布局一致性：手动布局以确保一致性并减少变异。通过控制物理布局，可以最小化工艺变异的影响，确保性能的一致性。
- 精确的PVT校准：针对工艺、电压和温度变化进行验证。进行广泛的测试和校准，以确保设计在不同操作条件下的稳健性。
案例研究和结果
展示从完整掩膜流片中获取的实际数据和案例研究：
| 项目 | 工艺节点 | 电压/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 |
这些结果展示了通过我们的定制设计方法在效率和性能方面取得的显著提升。
集成与验证
混合单元签核
- 定制单元的集成：定制单元与TSMC及其他晶圆厂的标准单元集成，确保兼容性和性能。定制单元经过表征和验证，以匹配标准单元库的要求，实现无缝集成。
- 签核策略：确保无缝兼容性和性能的策略包括详细的DRC（设计规则检查）和LVS（版图与原理图一致性检查）检查，以及使用行业标准EDA（电子设计自动化）工具进行的时序和功耗分析。
数字和模拟协同设计
- 集成技术: 集成数字和模拟组件以优化整体芯片性能。使用混合信号验证和协同仿真等技术确保正确的集成和功能。
- 验证方法: 确保在不同操作条件下的稳健性的方法包括角落分析、蒙特卡洛模拟和可靠性验证，以应对老化和电迁移。
结论
全定制ASIC设计为比特币和加密货币挖矿提供了显著优势，提供无与伦比的性能、能效和可靠性。通过揭示顶级定制ASIC设计的秘密，本文强调了使行业领导者脱颖而出的方法和创新。随着加密货币挖矿的不断发展，定制ASIC将在推动下一代高效能、高性能挖矿硬件方面发挥关键作用。