Täysin mukautetun ASIC-suunnittelun salaisuudet Bitcoin- ja kryptovaluuttakaivostoimintaan

Tan Shuai
tanshuai@btc.com
tanshuai.com

---

Tiivistelmä

Kilpailullisessa kryptovaluutan louhinnan maailmassa energiatehokkuus, hashrate-suorituskyky ja luotettavuus ovat ensiarvoisen tärkeitä. Tämä artikkeli perehtyy huippuluokan täysin räätälöidyn ASIC (sovelluskohtainen integroitu piiri) -suunnitteluun, paljastaen alan salaisuudet ja asiantuntijoiden menetelmät, jotka edistävät korkean suorituskyvyn Bitcoin- ja kryptovaluutan louhintaa. Yhden johtavan ASIC-louhintayhtiön teknologi-asiantuntijan kirjoittama artikkeli hyödyntää edistyneitä suunnittelutekniikoita, tarkkaa fyysistä asettelua ja kattavia verifiointiprosesseja, esittelemällä täysin räätälöityjen ASIC-piirien poikkeuksellisia kykyjä maksimoida louhintatehokkuus ja kannattavuus.

Johdanto

Kryptovaluutan louhinnan, erityisesti Bitcoin-louhinnan, kehitys on siirtynyt yleiskäyttöisistä suorittimista (CPU), FPGA:ista ja grafiikkasuorittimista (GPU) erikoistuneisiin ASIC-piireihin. Nämä ASIC-piirit tarjoavat vertaansa vailla olevan suorituskyvyn ja energiatehokkuuden. Täysin räätälöity ASIC-suunnittelu edustaa tämän kehityksen huippua, mahdollistaen räätälöidyt ratkaisut, jotka vastaavat louhintatoimintojen erityisvaatimuksia.

Suurin osa olemassa olevasta kirjallisuudesta kryptovaluutan louhintaan tarkoitetusta ASIC-suunnittelusta on peräisin akateemisista tai ei-louhintayrityksistä, joilla ei usein ole käytännön sovellettavuutta. Tähän mennessä vain muutama yritys, pääasiassa kiinalaiset (esim. MicroBT, Bitmain), ovat onnistuneet kehittämään markkinoitavia Bitcoin-louhinnan ASIC-piirejä. Tämä artikkeli pyrkii täyttämään tämän aukon tarjoamalla näkemyksiä, jotka perustuvat todelliseen teollisuuden käytäntöön, tarjoten näkökulman, joka on juurtunut louhintasektorin todellisuuteen.

Teknologi-teollisuudessa yli kymmenen vuoden kokemuksen omaavana ammattilaisena tämän artikkelin kirjoittaja on kehittänyt maailman huippuluokan Bitcoin ASIC Miner (WhatsMiner), LTC/DOGE- ja ETH-louhijat, ja hän on ollut avainasemassa yrityksissä kuten MicroBT, BTC.COM ja muissa julkisissa fabless-yrityksissä. Hän on toiminut keskeisissä tehtävissä NASDAQ-, HKSE- ja NYSE-listatuissa yrityksissä. Laaja kokemus kumppanuuksien solmimisessa TSMC:n, Texas Instrumentsin, ARM:n ja Intelin kanssa tuo runsaasti tietoa ja käytännön asiantuntemusta Bitcoinin ja kryptovaluutan louhintaan tarkoitettujen räätälöityjen ASIC-piirien suunnitteluun.

Metodologia ja Suunnitteluprosessi

Suunnittelu Filosofia

Lähestymistapamme täysin räätälöityyn ASIC-suunnitteluun perustuu PPA:n (Power, Performance, and Area) maksimoimiseen, erityisesti matalajännitteisissä käyttöolosuhteissa. Tämä osio kuvaa suunnittelufilosofiamme ja -menetelmämme:

1. Pipelinerakenne: Hyödyntämällä pipelinerakenteiden luontaisia etuja louhinta-algoritmeissa, joita luonnehtivat rekisterit ja kombinaatiologian vaiheet. Pipelinerakenteen avulla voimme tehokkaasti käsitellä kryptovaluutan louhinnan vaatimukset.
2. Manuaalinen Netlist ja Sijoittelu: Yksityiskohtainen skriptaus netlistin luomiseksi ja solujen manuaalinen sijoittelu kriittisten polkujen optimoimiseksi. Tämä mahdollistaa tarkan ajoituksen hallinnan ja vähentää oheisvaikutuksia.
3. Räätälöidyt Solukirjastot: Kehitetään erikoistuneita soluja, joilla on optimoitu transistorimäärä ja dynaamiset virransäästöominaisuudet. Räätälöidyt solut on suunniteltu toimimaan mahdollisimman alhaisilla jännitteillä, varmistaen minimaalisen virrankulutuksen.

Saavuttaa PPA-hyötyjä

Yksityiskohtaiset strategiat PPA-hyötyjen saavuttamiseksi räätälöidyn suunnittelun avulla:

1. Mukautettu rekisterisuunnittelu: Monibittisten rekisterien ja läppäpohjaisten suunnitelmien hyödyntäminen kellotehon vähentämiseksi ja ajoituksen lainaamisen parantamiseksi. Monibittiset rekisterit minimoivat kellopuun tehonkulutuksen ja pienentävät kokonaispinta-alaa.
2. Manuaalinen sijoittelu: Johtimien pituuden vähentäminen ja asetusaikojen ja pitelyaikojen tasapainottaminen suorituskyvyn parantamiseksi. Manuaalinen sijoittelu mahdollistaa paremman hallinnan liitäntäviiveiden ja häiriöiden suhteen, parantaen signaalin eheyttä ja vähentäen tehonkulutusta.
3. Optimoitu solusuunnittelu: Mukautetut solut on suunniteltu toimimaan alhaisemmilla jännitteillä, mikä minimoi dynaamisen tehonkulutuksen ja maksimoi tehokkuuden. Mukauttamalla solujen suunnittelua kaivosalgoritmien erityistarpeisiin voidaan saavuttaa merkittäviä parannuksia suorituskyvyssä.

Luotettavuus alhaisilla jännitteillä

Räätälöidyn ajoituslogiikan luotettavuuden varmistaminen alhaisilla jännitteillä sisältää:

1. Tarkka simulointi: Piiritason simulaatiot mukautettujen solujen käyttäytymisen vahvistamiseksi tietyissä olosuhteissa. Työkaluja, kuten SPICE, käytetään yksityiskohtaisiin sähköisiin simulaatioihin, jotta solut toimivat oikein kaikissa PVT (Prosessi, Jännite, Lämpötila) kulmissa.
2. Johdonmukaisuus sijoittelussa: Manuaalinen sijoittelu yhtenäisyyden ja vaihtelun vähentämiseksi. Hallitsemalla fyysistä asettelua voimme minimoida prosessivaihtelujen vaikutuksen ja varmistaa johdonmukaisen suorituskyvyn.
3. Tarkka PVT-kalibrointi: Vahvistus prosessin, jännitteen ja lämpötilan vaihteluita vastaan. Laajat testit ja kalibroinnit suoritetaan suunnittelun luotettavuuden varmistamiseksi eri käyttöolosuhteissa.

Tapaustutkimukset ja tulokset

Esittelemme reaalimaailman dataa ja tapaustutkimuksia täysmaskin valmistuksista:

Projekti	Prosessisolmu	Jännite/Tehokkuus	Algoritmi
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

Nämä tulokset osoittavat merkittävät parannukset tehokkuudessa ja suorituskyvyssä, jotka ovat saavutettavissa räätälöidyn suunnittelumme avulla.

Integraatio ja verifiointi

Sekasolujen hyväksyntä

• Mukautettujen solujen integrointi: Mukautetut solut integroidaan standardisolujen kanssa TSMC:ltä ja muilta valimoilta, varmistaen yhteensopivuuden ja suorituskyvyn. Mukautetut solut karakterisoidaan ja validoidaan vastaamaan standardisolukirjastojen vaatimuksia, mahdollistamalla saumattoman integroinnin.
• Hyväksyntästrategiat: Strategiat saumattoman yhteensopivuuden ja suorituskyvyn varmistamiseksi sisältävät yksityiskohtaiset DRC (Design Rule Check) ja LVS (Layout Versus Schematic) tarkistukset sekä ajoitus- ja tehonalyysit teollisuuden standardien EDA (Electronic Design Automation) työkalujen avulla.

Digitaalinen ja analoginen yhteissuunnittelu

• Integrointitekniikat: Digitaalisten ja analogisten komponenttien integrointi optimoimaan koko sirun suorituskykyä. Integroinnin ja toiminnallisuuden varmistamiseen käytetään tekniikoita, kuten sekasignaalivarmennusta ja yhteissimulaatiota.
• Varmennusmetodologiat: Metodologiat, joilla varmistetaan kestävyys eri käyttöolosuhteissa, sisältävät nurkka-analyysin, Monte Carlo -simulaatiot ja luotettavuusvarmennuksen ikääntymisen ja elektromigraation huomioimiseksi.

Johtopäätös

Täysin mukautettu ASIC-suunnittelu tarjoaa merkittäviä etuja Bitcoinin ja kryptovaluuttojen louhintaan, tarjoten vertaansa vailla olevaa suorituskykyä, energiatehokkuutta ja luotettavuutta. Paljastamalla huippuluokan mukautetun ASIC-suunnittelun salaisuudet, tämä artikkeli korostaa metodologioita ja innovaatioita, jotka erottavat alan johtajat. Kryptovaluuttojen louhinnan kehittyessä mukautetut ASICit tulevat olemaan ratkaisevassa asemassa seuraavan sukupolven korkean tehokkuuden ja suorituskyvyn louhintalaitteiston ajureina.

Artikkelin PDF-versio