Secretos del Diseño ASIC Personalizado Completo para la Minería de Bitcoin y Criptomonedas

Tan Shuai
Semiconductores, Bitcoin, Criptomonedas, Blockchain
30 May, 2022

Resumen

En el competitivo mundo de la minería de criptomonedas, la eficiencia energética, el rendimiento del hashrate y la fiabilidad son primordiales. Este documento explora el diseño ASIC (Circuito Integrado de Aplicación Específica) completamente personalizado de primera categoría, revelando secretos de la industria y metodologías expertas que impulsan la minería de Bitcoin y criptomonedas de alto rendimiento. Escrito por un experto tecnológico de una de las principales empresas de mineros ASIC, este documento aprovecha técnicas avanzadas de diseño, una disposición física meticulosa y procesos de verificación completos para mostrar las capacidades excepcionales de los ASIC personalizados en la maximización de la eficiencia y la rentabilidad de la minería.

Introducción

La evolución de la minería de criptomonedas, en particular la minería de Bitcoin, ha experimentado una transición del uso de CPU, FPGA y GPU de propósito general a ASIC especializados. Estos ASIC ofrecen un rendimiento y una eficiencia energética sin igual. El diseño de ASIC completamente personalizado representa el pináculo de esta evolución, permitiendo soluciones adaptadas que satisfacen las demandas específicas de las operaciones mineras.

Gran parte de la literatura existente sobre el diseño de ASIC para la minería de criptomonedas proviene del ámbito académico o de empresas no mineras, lo que a menudo carece de aplicabilidad en el mundo real. Hasta la fecha, solo un puñado de empresas, principalmente chinas (e.g., MicroBT, Bitmain), han desarrollado con éxito ASIC de minería de Bitcoin comercializables. Este documento busca llenar ese vacío proporcionando conocimientos extraídos de la práctica industrial real, ofreciendo una perspectiva basada en las realidades del sector minero.

Como profesional con más de diez años de experiencia en la industria tecnológica, el autor de este documento ha desarrollado el ASIC Miner de Bitcoin más avanzado del mundo (WhatsMiner), así como mineros de LTC/DOGE y ETH, y ha desempeñado un papel clave en empresas como MicroBT, BTC.COM y otras empresas fabless públicas. Ha ocupado posiciones clave en empresas cotizadas en NASDAQ, HKSE y NYSE. Con una amplia experiencia en el establecimiento de asociaciones con TSMC, Texas Instruments, ARM e Intel, aporta un vasto conocimiento y experiencia práctica al campo del diseño de ASIC personalizados para la minería de Bitcoin y criptomonedas.

Metodología y Flujo de Diseño

Filosofía de Diseño

Nuestro enfoque para el diseño ASIC a medida se centra en maximizar PPA (Potencia, Rendimiento y Área), especialmente bajo condiciones de operación a bajo voltaje. Esta sección describirá nuestra filosofía y metodología de diseño:

Arquitectura de Pipeline: Aprovechando los beneficios inherentes de las estructuras de pipeline para algoritmos de minería, caracterizados por registros y etapas de lógica combinacional. Al usar una arquitectura de pipeline, podemos manejar eficientemente las operaciones de alta frecuencia requeridas para la minería de criptomonedas.
Lista de Redes y Colocación Manual: Scripting detallado para la creación de la lista de redes y colocación manual de celdas para optimizar rutas críticas. Esto permite un control preciso sobre el tiempo y reduce los efectos parásitos.
Bibliotecas de Celdas Personalizadas: Desarrollo de celdas especializadas con recuentos de transistores optimizados y características de ahorro dinámico de energía. Las celdas personalizadas están diseñadas para operar al menor voltaje posible, asegurando un consumo mínimo de energía.

Logro de Beneficios PPA

Estrategias detalladas para lograr beneficios PPA a través del diseño personalizado:

Diseño de Registro Personalizado: Utilización de registros multibit y diseños basados en latches para reducir el consumo de energía del reloj y mejorar el préstamo de tiempo. Los registros multibit minimizan el consumo de energía del árbol de reloj y reducen el área total.
Colocación Manual: Reducción de la longitud de los cables y balanceo de los tiempos de configuración y retención para mejorar el rendimiento general. La colocación manual permite un mejor control sobre los retrasos de interconexión y la diafonía, mejorando la integridad de la señal y reduciendo el consumo de energía.
Diseño Optimizado de Celdas: Las celdas personalizadas están diseñadas para operar a voltajes más bajos, minimizando el consumo de energía dinámica y maximizando la eficiencia. Al adaptar los diseños de celdas a las necesidades específicas de los algoritmos de minería, podemos lograr mejoras significativas en el rendimiento.

Fiabilidad Bajo Bajo Voltaje

Asegurar la fiabilidad de la lógica de temporización diseñada a medida a bajos voltajes implica:

Simulación Precisa: Simulaciones a nivel de circuito para validar el comportamiento de las celdas personalizadas bajo condiciones específicas. Se utilizan herramientas como SPICE para simulaciones eléctricas detalladas para asegurar que las celdas operen correctamente bajo todas las esquinas PVT (Proceso, Voltaje, Temperatura).
Consistencia en la Colocación: Colocación manual para asegurar uniformidad y reducir la variabilidad. Al controlar el diseño físico, podemos minimizar el impacto de las variaciones de proceso y asegurar un rendimiento consistente.
Calibración Precisa de PVT: Verificación contra variaciones de proceso, voltaje y temperatura. Se realizan pruebas y calibraciones exhaustivas para asegurar la robustez del diseño en diferentes condiciones de operación.

Estudios de Casos y Resultados

Presentación de datos del mundo real y estudios de casos de tape-outs de máscara completa:

Proyecto	Nodo de Proceso	Eficiencia de Voltaje/Potencia	Algoritmo
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

Estos resultados demuestran las ganancias sustanciales en eficiencia y rendimiento alcanzables a través de nuestro enfoque de diseño personalizado.

Integración y Verificación

Signoff de Celdas Mixtas

Integración de Celdas Personalizadas: Las celdas personalizadas se integran con celdas estándar de TSMC y otras fundiciones, garantizando compatibilidad y rendimiento. Las celdas personalizadas se caracterizan y validan para cumplir con los requisitos de la biblioteca de celdas estándar, permitiendo una integración sin problemas.
Estrategias de Signoff: Las estrategias para garantizar compatibilidad y rendimiento sin problemas incluyen verificaciones detalladas de DRC (Design Rule Check) y LVS (Layout Versus Schematic), así como análisis de tiempo y potencia utilizando herramientas EDA (Automatización de Diseño Electrónico) estándar de la industria.

Co-Diseño Digital y Analógico

Técnicas de Integración: Integración de componentes digitales y analógicos para optimizar el rendimiento general del chip. Se utilizan técnicas como la verificación de señales mixtas y la co-simulación para asegurar una integración y funcionalidad adecuadas.
Metodologías de Verificación: Las metodologías para asegurar la robustez en diferentes condiciones operativas incluyen análisis de esquinas, simulaciones Monte Carlo y verificación de confiabilidad para abordar el envejecimiento y la electromigración.

Conclusión

El diseño ASIC completamente personalizado ofrece ventajas significativas para la minería de Bitcoin y criptomonedas, proporcionando un rendimiento, eficiencia energética y confiabilidad incomparables. Al desvelar los secretos del diseño ASIC personalizado de primer nivel, este documento destaca las metodologías e innovaciones que distinguen a los líderes de la industria. A medida que la minería de criptomonedas continúa evolucionando, los ASIC personalizados jugarán un papel crucial en impulsar la próxima generación de hardware de minería de alta eficiencia y alto rendimiento.

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