Geheimnisse des vollständigen kundenspezifischen ASIC-Designs für Bitcoin- und Kryptowährungs-Mining

\ntan Shuai
tanshuai@btc.com
tanshuai.com

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Zusammenfassung

Im wettbewerbsintensiven Bereich des Kryptowährungs-Minings sind Energieeffizienz, Hashrate-Performance und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung. Dieses Papier befasst sich mit dem erstklassigen Full-Custom-ASIC-Design (Application-Specific Integrated Circuit) und enthüllt Branchengeheimnisse und Expertenmethoden, die das Hochleistungs-Bitcoin- und Kryptowährungs-Mining vorantreiben. Geschrieben von einem Technologieexperten eines der führenden ASIC-Miner-Unternehmen, nutzt dieses Papier fortschrittliche Designtechniken, akribische physische Layouts und umfassende Verifizierungsprozesse, um die außergewöhnlichen Fähigkeiten von Full-Custom-ASICs zur Maximierung der Mining-Effizienz und -Rentabilität zu demonstrieren.

Einleitung

Die Entwicklung des Kryptowährungs-Minings, insbesondere des Bitcoin-Minings, hat einen Wandel von der Nutzung allgemeiner CPUs, FPGAs und GPUs hin zu spezialisierten ASICs erlebt. Diese ASICs bieten unvergleichliche Leistung und Energieeffizienz. Full-Custom-ASIC-Design stellt den Höhepunkt dieser Entwicklung dar und ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen, die den spezifischen Anforderungen von Mining-Betrieben gerecht werden.

Ein Großteil der bestehenden Literatur über ASIC-Design für das Kryptowährungs-Mining stammt aus der Wissenschaft oder von nicht im Mining tätigen Unternehmen und ist oft wenig praxisnah. Bisher haben nur eine Handvoll Unternehmen, hauptsächlich chinesische (z.B. MicroBT, Bitmain), erfolgreich marktfähige Bitcoin-Mining-ASICs entwickelt. Dieses Papier zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem es Einblicke aus der tatsächlichen Praxis der Branche bietet und eine Perspektive vermittelt, die in den Realitäten des Mining-Sektors verankert ist.

Als Profi mit über zehn Jahren Erfahrung in der Technologiebranche hat der Autor dieses Papiers den weltweit besten Bitcoin-ASIC-Miner (WhatsMiner), LTC/DOGE- und ETH-Miner entwickelt und eine Schlüsselrolle bei Unternehmen wie MicroBT, BTC.COM und anderen fablesses gespielt. Er hat Schlüsselpositionen in an der NASDAQ, HKSE und NYSE notierten Unternehmen innegehabt. Mit umfangreicher Erfahrung in der Zusammenarbeit mit TSMC, Texas Instruments, ARM und Intel bringt er ein reichhaltiges Wissen und praktische Expertise im Bereich des Custom-ASIC-Designs für Bitcoin- und Kryptowährungs-Mining mit.

Methodik und Designablauf

Designphilosophie

Unser Ansatz für das vollständige kundenspezifische ASIC-Design basiert auf einem Fokus auf die Maximierung von PPA (Power, Performance und Area), insbesondere unter Niederspannungsbedingungen. In diesem Abschnitt werden unsere Designphilosophie und Methodik beschrieben:

1. Pipeline-Architektur: Nutzung der inhärenten Vorteile von Pipeline-Strukturen für Mining-Algorithmen, die durch Register und kombinatorische Logikstufen gekennzeichnet sind. Durch den Einsatz einer Pipeline-Architektur können wir effizient die hochfrequenten Operationen bewältigen, die für das Kryptowährungs-Mining erforderlich sind.
2. Manuelles Netlist und Platzierung: Detaillierte Skripterstellung für die Netlist-Erstellung und manuelle Zellplatzierung zur Optimierung kritischer Pfade. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung der Zeitgebung und reduziert parasitäre Effekte.
3. Kundenspezifische Zellbibliotheken: Entwicklung spezialisierter Zellen mit optimierter Transistoranzahl und dynamischen Energiesparfunktionen. Kundenspezifische Zellen sind darauf ausgelegt, bei den niedrigsten möglichen Spannungen zu arbeiten und so den Energieverbrauch zu minimieren.

Erreichen von PPA-Vorteilen

Detaillierte Strategien zur Erreichung von PPA-Vorteilen durch kundenspezifisches Design:

1. Kundenspezifisches Registerdesign: Einsatz von Mehrbit-Register und latchbasierten Designs zur Reduzierung der Taktleistung und Verbesserung des Timing-Borrowings. Mehrbit-Register minimieren den Stromverbrauch des Taktbaums und reduzieren die gesamte Fläche.
2. Manuelle Platzierung: Reduzierung der Leitungslängen und Ausgleich der Setup- und Haltezeiten zur Verbesserung der Gesamtleistung. Die manuelle Platzierung ermöglicht eine bessere Kontrolle über Interconnect-Verzögerungen und Übersprechen, was die Signalintegrität verbessert und den Energieverbrauch reduziert.
3. Optimiertes Zelldesign: Kundenspezifische Zellen sind so konzipiert, dass sie bei niedrigeren Spannungen arbeiten und so den dynamischen Energieverbrauch minimieren und die Effizienz maximieren. Durch die Anpassung der Zelldesigns an die spezifischen Anforderungen der Mining-Algorithmen können wir signifikante Leistungsverbesserungen erzielen.

Zuverlässigkeit unter Niederspannung

Sicherstellung der Zuverlässigkeit von kundenspezifisch entworfener Timing-Logik bei Niederspannungen umfasst:

1. Akkurate Simulation: Schaltungssimulationen zur Validierung des Verhaltens kundenspezifischer Zellen unter spezifischen Bedingungen. Werkzeuge wie SPICE werden für detaillierte elektrische Simulationen verwendet, um sicherzustellen, dass die Zellen unter allen PVT (Prozess, Spannung, Temperatur)-Ecken korrekt arbeiten.
2. Konsistenz in der Platzierung: Manuelle Platzierung zur Sicherstellung der Uniformität und Reduzierung der Variabilität. Durch die Steuerung des physischen Layouts können wir den Einfluss von Prozessvariationen minimieren und eine konsistente Leistung gewährleisten.
3. Präzise PVT-Kalibrierung: Verifikation gegen Prozess-, Spannungs- und Temperaturvariationen. Umfangreiche Tests und Kalibrierungen werden durchgeführt, um die Robustheit des Designs unter verschiedenen Betriebsbedingungen sicherzustellen.

Fallstudien und Ergebnisse

Vorstellung von realen Daten und Fallstudien aus Full-Mask-Tape-Outs:

Projekt	Prozessknoten	Spannungs-/Leistungs-Effizienz	Algorithmus
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

Diese Ergebnisse demonstrieren die erheblichen Effizienz- und Leistungssteigerungen, die durch unseren kundenspezifischen Designansatz erzielt werden können.

Integration und Verifikation

Mixed-Cell-Abschluss

• Integration von kundenspezifischen Zellen: Kundenspezifische Zellen werden mit Standardzellen von TSMC und anderen Foundries integriert, um Kompatibilität und Leistung zu gewährleisten. Kundenspezifische Zellen werden charakterisiert und validiert, um den Anforderungen der Standardzellenbibliothek zu entsprechen und eine nahtlose Integration zu ermöglichen.
• Abschlussstrategien: Strategien zur Sicherstellung nahtloser Kompatibilität und Leistung umfassen detaillierte DRC (Design Rule Check) und LVS (Layout Versus Schematic) Prüfungen sowie Timing- und Leistungsanalysen mit branchenüblichen EDA (Electronic Design Automation) Tools.

Digital- und Analog-Co-Design

• Techniken zur Integration: Integration von digitalen und analogen Komponenten zur Optimierung der Gesamtchip-Leistung. Techniken wie Mixed-Signal-Verifikation und Co-Simulation werden eingesetzt, um eine ordnungsgemäße Integration und Funktionalität sicherzustellen.
• Verifikationsmethodologien: Methodologien zur Sicherstellung der Robustheit unter verschiedenen Betriebsbedingungen umfassen Eckwertanalysen, Monte-Carlo-Simulationen und Zuverlässigkeitsprüfungen zur Berücksichtigung von Alterung und Elektromigration.

Schlussfolgerung

Full-Custom-ASIC-Design bietet erhebliche Vorteile für das Bitcoin- und Kryptowährungs-Mining und gewährleistet unvergleichliche Leistung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Durch die Enthüllung der Geheimnisse erstklassiger kundenspezifischer ASIC-Designs hebt dieses Papier die Methoden und Innovationen hervor, die Branchenführer auszeichnen. Während sich das Kryptowährungs-Mining weiterentwickelt, werden kundenspezifische ASICs eine entscheidende Rolle bei der nächsten Generation von hocheffizienter, leistungsstarker Mining-Hardware spielen.

PDF-Version des Papiers