Les secrets de la conception ASIC entièrement personnalisée pour le minage de Bitcoin et de cryptomonnaies
- Tan Shuai
- Semi-conducteurs, Bitcoin, Cryptomonnaie, Blockchain
- 30 May, 2022
Tan Shuai
tanshuai@btc.com
tanshuai.com
Résumé
Dans le monde compétitif du minage de cryptomonnaies, l'efficacité énergétique, les performances de hashrate et la fiabilité sont primordiales. Cet article explore la conception ASIC (circuit intégré spécifique à une application) entièrement personnalisée de premier ordre, révélant les secrets de l'industrie et les méthodologies expertes qui propulsent le minage de Bitcoin et de cryptomonnaies à haute performance. Écrit par un expert en technologie d'une des principales entreprises de minage ASIC, cet article s'appuie sur des techniques de conception avancées, une disposition physique méticuleuse et des processus de vérification complets pour démontrer les capacités exceptionnelles des ASIC entièrement personnalisés dans l'optimisation de l'efficacité et de la rentabilité du minage.
Introduction
L'évolution du minage de cryptomonnaies, en particulier le minage de Bitcoin, a vu une transition de l'utilisation de CPU, FPGA et GPU à usage général vers des ASIC spécialisés. Ces ASIC offrent des performances et une efficacité énergétique inégalées. La conception ASIC entièrement personnalisée représente le sommet de cette évolution, permettant des solutions sur mesure qui répondent aux exigences spécifiques des opérations de minage.
Une grande partie de la littérature existante sur la conception ASIC pour le minage de cryptomonnaies provient du milieu académique ou d'entreprises non liées au minage, ce qui manque souvent de pertinence pratique. À ce jour, seules quelques entreprises, principalement chinoises (par exemple, MicroBT, Bitmain), ont réussi à développer des ASIC de minage de Bitcoin commercialisables. Cet article vise à combler cette lacune en fournissant des informations tirées de la pratique industrielle réelle, offrant une perspective ancrée dans les réalités du secteur minier.
En tant que professionnel avec plus de dix ans d'expérience dans l'industrie technologique, l'auteur de cet article a développé le meilleur ASIC Miner Bitcoin au monde (WhatsMiner), les Miners LTC/DOGE et ETH, et a joué un rôle clé dans des entreprises comme MicroBT, BTC.COM, et d'autres sociétés sans usine cotées en bourse. Il a occupé des postes clés dans des entreprises cotées au NASDAQ, HKSE et NYSE. Avec une vaste expérience dans l'établissement de partenariats avec TSMC, Texas Instruments, ARM et Intel, il apporte une richesse de connaissances et d'expertise pratique dans le domaine de la conception ASIC personnalisée pour le minage de Bitcoin et de cryptomonnaies.
Méthodologie et Flux de Conception
Philosophie de Conception
Notre approche de la conception ASIC entièrement personnalisée est guidée par un objectif de maximisation de la PPA (Puissance, Performance et Surface), en particulier dans des conditions de fonctionnement à basse tension. Cette section décrit notre philosophie et méthodologie de conception :
- Architecture Pipeline : Exploiter les avantages inhérents des structures pipeline pour les algorithmes de minage, caractérisés par des registres et des étapes de logique combinatoire. En utilisant une architecture pipeline, nous pouvons gérer efficacement les opérations à haute fréquence requises pour le minage de cryptomonnaie.
- Netlist et Placement Manuels : Script détaillé pour la création de la netlist et placement manuel des cellules afin d'optimiser les chemins critiques. Cela permet un contrôle précis du timing et réduit les effets parasites.
- Bibliothèques de Cellules Personnalisées : Développer des cellules spécialisées avec des nombres de transistors optimisés et des caractéristiques dynamiques d'économie d'énergie. Les cellules personnalisées sont conçues pour fonctionner à des tensions aussi basses que possible, garantissant une consommation d'énergie minimale.
Atteindre les Bénéfices de la PPA
Stratégies détaillées pour atteindre les bénéfices de la PPA grâce à une conception personnalisée :
- Conception de Registres Personnalisés : Utiliser des registres multi-bits et des conceptions basées sur des verrouillages pour réduire la puissance d'horloge et améliorer l'emprunt de timing. Les registres multi-bits minimisent la consommation d'énergie de l'arbre d'horloge et réduisent la surface globale.
- Placement Manuel : Réduire la longueur des fils et équilibrer les temps de configuration et de maintien pour améliorer la performance globale. Le placement manuel permet un meilleur contrôle des délais d'interconnexion et des diaphonies, améliorant l'intégrité du signal et réduisant la consommation d'énergie.
- Conception de Cellules Optimisée : Les cellules personnalisées sont conçues pour fonctionner à des tensions plus basses, minimisant la consommation d'énergie dynamique et maximisant l'efficacité. En adaptant les conceptions des cellules aux besoins spécifiques des algorithmes de minage, nous pouvons obtenir des améliorations significatives en termes de performance.
Fiabilité Sous Basse Tension
Assurer la fiabilité de la logique de timing conçue sur mesure à basse tension implique :
- Simulation Précise : Simulations au niveau du circuit pour valider le comportement des cellules personnalisées dans des conditions spécifiques. Des outils comme SPICE sont utilisés pour des simulations électriques détaillées afin de garantir que les cellules fonctionnent correctement sous tous les coins PVT (Processus, Tension, Température).
- Cohérence dans le Placement : Placement manuel pour assurer l'uniformité et réduire la variabilité. En contrôlant la disposition physique, nous pouvons minimiser l'impact des variations de processus et garantir des performances constantes.
- Calibration PVT Précise : Vérification par rapport aux variations de processus, de tension et de température. Des tests et une calibration approfondis sont effectués pour garantir la robustesse de la conception dans différentes conditions de fonctionnement.
Études de cas et résultats
Présentation de données réelles et d'études de cas provenant de tape-outs complets de masques :
| Projet | Nœud de procédé | Efficacité Tension/Puissance | Algorithme |
|---|---|---|---|
| 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 |
Ces résultats démontrent les gains substantiels en efficacité et en performance réalisables grâce à notre approche de conception personnalisée.
Intégration et vérification
Validation des cellules mixtes
- Intégration de cellules personnalisées : Les cellules personnalisées sont intégrées avec des cellules standard de TSMC et d'autres fonderies, assurant compatibilité et performance. Les cellules personnalisées sont caractérisées et validées pour correspondre aux exigences de la bibliothèque de cellules standard, permettant une intégration transparente.
- Stratégies de validation : Les stratégies pour assurer une compatibilité et une performance sans faille incluent des vérifications détaillées DRC (Design Rule Check) et LVS (Layout Versus Schematic), ainsi que des analyses de timing et de puissance à l'aide d'outils EDA (Electronic Design Automation) standard de l'industrie.
Co-conception numérique et analogique
- Techniques d'intégration : Intégration des composants numériques et analogiques pour optimiser les performances globales de la puce. Des techniques telles que la vérification mixte de signaux et la co-simulation sont utilisées pour garantir une intégration et une fonctionnalité correctes.
- Méthodologies de vérification : Les méthodologies pour assurer la robustesse dans différentes conditions opérationnelles incluent l'analyse de coin, les simulations Monte Carlo et la vérification de la fiabilité pour aborder le vieillissement et l'électromigration.
Conclusion
La conception ASIC entièrement personnalisée offre des avantages significatifs pour le minage de Bitcoin et de cryptomonnaies, fournissant des performances, une efficacité énergétique et une fiabilité inégalées. En dévoilant les secrets de la conception ASIC personnalisée de haut niveau, ce document met en lumière les méthodologies et les innovations qui distinguent les leaders de l'industrie. Alors que le minage de cryptomonnaies continue d'évoluer, les ASIC personnalisés joueront un rôle crucial dans la conduite de la prochaine génération de matériel de minage à haute efficacité et haute performance.