Hemmelige Designhemmeligheder for Fuldt Tilpassede ASIC'er til Bitcoin og Kryptovaluta Mining

[ Tan Shuai
tanshuai@btc.com
tanshuai.com ]

---

Resumé

I den konkurrenceprægede verden af kryptovalutamining er energieffektivitet, hashrate-ydeevne og pålidelighed altafgørende. Dette dokument dykker ned i den førsteklasses fuldtilpassede ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) design, og afslører branchens hemmeligheder og ekspertmetoder, der driver højtydende Bitcoin og kryptovalutamining. Skrevet af en teknisk ekspert fra et af de bedste ASIC-minerselskaber, udnytter dette dokument avancerede designteknikker, omhyggelig fysisk layout og omfattende verificeringsprocesser for at fremvise de enestående egenskaber ved fuldtilpassede ASIC'er i at maksimere miningeffektivitet og rentabilitet.

Introduktion

Udviklingen af kryptovalutamining, især Bitcoin mining, har set en overgang fra brugen af generelle CPU'er, FPGA'er og GPU'er til specialiserede ASIC'er. Disse ASIC'er tilbyder enestående ydeevne og energieffektivitet. Fuldtilpasset ASIC-design repræsenterer højdepunktet af denne udvikling og muliggør skræddersyede løsninger, der opfylder de specifikke krav fra miningoperationer.

Meget af den eksisterende litteratur om ASIC-design til kryptovalutamining stammer fra akademia eller ikke-minende virksomheder, som ofte mangler reel anvendelighed. Til dato har kun en håndfuld virksomheder, primært kinesiske (f.eks. MicroBT, Bitmain), med succes udviklet markedsførbare Bitcoin-mining ASIC'er. Dette dokument søger at udfylde dette hul ved at give indsigt trukket fra faktisk industri praksis og tilbyde et perspektiv forankret i miningsektorens realiteter.

Som professionel med over ti års erfaring i teknologibranchen har forfatteren af dette dokument udviklet verdens bedste Bitcoin ASIC Miner (WhatsMiner), LTC/DOGE og ETH Miners og spillet en nøglerolle i virksomheder som MicroBT, BTC.COM og andre offentlige fablesses. Han har haft nøglepositioner i virksomheder noteret på NASDAQ, HKSE og NYSE. Med omfattende erfaring i etablering af partnerskaber med TSMC, Texas Instruments, ARM og Intel, bringer han en enorm viden og praktisk ekspertise til feltet af tilpasset ASIC-design til Bitcoin og kryptovalutamining.

Metodologi og Design Flow

Designfilosofi

Vores tilgang til fuldtilpasset ASIC-design er drevet af et fokus på at maksimere PPA (Power, Performance, and Area), især under lavspændingsdriftsbetingelser. Dette afsnit vil beskrive vores designfilosofi og metodologi:

1. Pipeline-arkitektur: Udnyttelse af de iboende fordele ved pipeline-strukturer til mining-algoritmer, kendetegnet ved registre og kombinationslogiktrin. Ved at bruge en pipeline-arkitektur kan vi effektivt håndtere de højfrekvente operationer, der kræves til kryptovalutamining.
2. Manuel netliste og placering: Detaljeret scripting til netlisteoprettelse og manuel celleplacering for at optimere kritiske stier. Dette muliggør præcis kontrol over timing og reducerer parasitiske effekter.
3. Tilpassede cellebiblioteker: Udvikling af specialiserede celler med optimerede transistorantal og dynamiske strømbesparende funktioner. Tilpassede celler er designet til at fungere ved de lavest mulige spændinger, hvilket sikrer minimalt strømforbrug.

Opnå PPA-fordele

Detaljerede strategier for at opnå PPA-fordele gennem specialdesign:

1. Specialdesignet Register: Udnyttelse af multi-bit registre og latch-baserede designs for at reducere urkraft og forbedre timing. Multi-bit registre minimerer urtræets strømforbrug og reducerer det samlede areal.
2. Manuel Placering: Reduktion af ledningslængde og balance mellem setup- og holdetider for at forbedre den samlede ydeevne. Manuel placering giver bedre kontrol over forbindelsesforsinkelser og krydstale, forbedrer signalintegriteten og reducerer strømforbruget.
3. Optimeret Celledesign: Specialdesignede celler, der opererer ved lavere spændinger, minimerer dynamisk strømforbrug og maksimerer effektiviteten. Ved at tilpasse celledesign til de specifikke behov i minealgoritmer kan vi opnå betydelige forbedringer i ydeevne.

Pålidelighed ved Lav Spænding

Sikring af pålideligheden af specialdesignet timinglogik ved lave spændinger involverer:

1. Nøjagtig Simulation: Kredsløbssimuleringer til at validere specialcellers opførsel under specifikke forhold. Værktøjer som SPICE bruges til detaljerede elektriske simuleringer for at sikre, at cellerne fungerer korrekt under alle PVT (Proces, Spænding, Temperatur) hjørner.
2. Konsistens i Placering: Manuel placering for at sikre ensartethed og reducere variabilitet. Ved at kontrollere den fysiske layout kan vi minimere påvirkningen af procesvariationer og sikre ensartet ydeevne.
3. Præcis PVT-kalibrering: Verifikation mod proces-, spændings- og temperaturvariationer. Omfattende testning og kalibrering udføres for at sikre designets robusthed under forskellige driftsforhold.

Case Studies og Resultater

Præsentation af data og casestudier fra fulde masketape-outs:

Projekt	Procesnode	Spænding/Strømeffektivitet	Algoritme
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

Disse resultater viser de betydelige gevinster i effektivitet og ydeevne, der kan opnås gennem vores specialdesignede tilgang.

Integration og Verifikation

Mixed-Cell Signoff

• Integration af Specialceller: Specialceller integreres med standardceller fra TSMC og andre foundries for at sikre kompatibilitet og ydeevne. Specialceller karakteriseres og valideres for at matche standardcellebibliotekets krav, hvilket muliggør problemfri integration.
• Signoff Strategier: Strategier for at sikre problemfri kompatibilitet og ydeevne inkluderer detaljerede DRC (Design Rule Check) og LVS (Layout Versus Schematic) checks, samt timing- og strømanalyser ved hjælp af industristandard EDA (Electronic Design Automation) værktøjer.

Digital og Analog Co-Design

• Teknikker til Integration: Integration af digitale og analoge komponenter for at optimere den samlede chipydelse. Teknikker som mixed-signal verifikation og co-simulering anvendes for at sikre korrekt integration og funktionalitet.
• Verifikationsmetodologier: Metodologier til at sikre robusthed på tværs af forskellige driftsbetingelser omfatter hjørneanalyse, Monte Carlo-simuleringer og pålidelighedsverifikation for at imødegå ældning og elektromigration.

Konklusion

Fuldt tilpasset ASIC-design tilbyder betydelige fordele for Bitcoin- og kryptovalutamining, hvilket giver enestående ydeevne, energieffektivitet og pålidelighed. Ved at afsløre hemmelighederne bag topklasse tilpasset ASIC-design fremhæver dette papir de metodologier og innovationer, der adskiller industriens førende aktører. Efterhånden som kryptovalutamining fortsætter med at udvikle sig, vil tilpassede ASIC'er spille en afgørende rolle i at drive næste generation af højeffektiv, højtydende mininghardware.

PDF Version of the Paper