סודות עיצוב ASIC מותאם אישית מלא לכריית ביטקוין ומטבעות קריפטו

\nTan Shuai
tanshuai@btc.com
tanshuai.com

---

תקציר

בעולם התחרותי של כריית מטבעות קריפטוגרפיים, יעילות צריכת החשמל, ביצועי hashrate ואמינות הם חשובים ביותר. מאמר זה מתעמק בתכנון ASIC (מעגלים משולבים ייעודיים) מותאם אישית מהשורה הראשונה, וחושף סודות תעשייה ומתודולוגיות מומחים המניעים כריית ביטקוין ומטבעות קריפטוגרפיים בעלי ביצועים גבוהים. נכתב על ידי מומחה טכנולוגי מאחת מחברות הכרייה ASIC המובילות, מאמר זה משתמש בטכניקות תכנון מתקדמות, פריסה פיזית מדוקדקת ותהליכי אימות מקיפים כדי להציג את היכולות המיוחדות של ASIC מותאם אישית במקסום יעילות הכרייה והרווחיות.

מבוא

ההתפתחות של כריית מטבעות קריפטוגרפיים, במיוחד כריית ביטקוין, חוותה מעבר משימוש במעבדים כלליים (CPUs), FPGA ו-GPU ל-ASIC ייעודיים. ASIC אלה מציעים ביצועים ויעילות אנרגטית ללא תחרות. תכנון ASIC מותאם אישית מייצג את השיא של התפתחות זו, ומאפשר פתרונות מותאמים אישית שעומדים בדרישות הספציפיות של פעולות הכרייה.

רוב הספרות הקיימת על תכנון ASIC לכריית מטבעות קריפטוגרפיים מגיעה מאקדמיה או ממפעלים שאינם כרייה, ולעיתים קרובות חסרים לה יישומים בעולם האמיתי. עד כה, רק כמה חברות, בעיקר סיניות (כגון MicroBT, Bitmain), פיתחו בהצלחה ASIC לכריית ביטקוין ברי שיווק. מאמר זה מבקש למלא את הפער הזה על ידי מתן תובנות שנלקחו מהפרקטיקה התעשייתית האמיתית, ומציע נקודת מבט מבוססת על מציאות מגזר הכרייה.

כמומחה עם למעלה מעשר שנות ניסיון בתעשיית הטכנולוגיה, מחבר מאמר זה פיתח את הכורה ASIC ביטקוין המוביל בעולם (WhatsMiner), כורים LTC/DOGE ו-ETH, ושיחק תפקיד מפתח בחברות כמו MicroBT, BTC.COM ואחרות. הוא החזיק בתפקידים מרכזיים בחברות הנסחרות בנאסד"ק, הבורסה של הונג קונג (HKSE) והבורסה של ניו יורק (NYSE). עם ניסיון נרחב בהקמת שותפויות עם TSMC, Texas Instruments, ARM ו-Intel, הוא מביא עושר של ידע ומומחיות מעשית לתחום תכנון ASIC מותאם אישית לכריית ביטקוין ומטבעות קריפטוגרפיים.

מתודולוגיה ותהליך התכנון

פילוסופיית התכנון

הגישה שלנו לתכנון ASIC מותאם אישית מונעת על ידי מיקוד במקסום PPA (צריכת חשמל, ביצועים ושטח), במיוחד בתנאי הפעלה במתח נמוך. סעיף זה יתאר את פילוסופיית התכנון והמתודולוגיה שלנו:

1. ארכיטקטורת צינור: ניצול היתרונות המובנים של מבני צינור לאלגוריתמי כרייה, המאפיינים רשומות ושלבי לוגיקה קומבינטורית. באמצעות שימוש בארכיטקטורת צינור, אנו יכולים להתמודד ביעילות עם פעולות בתדירות גבוהה הנדרשות לכריית מטבעות קריפטוגרפיים.
2. רשימת רשת והצבה ידנית: כתיבת סקריפטים מפורטים ליצירת רשימת רשת והצבה ידנית של תאים על מנת לייעל מסלולים קריטיים. זה מאפשר שליטה מדויקת על התזמון ומפחית את ההשפעות הטפיליות.
3. ספריות תאים מותאמות אישית: פיתוח תאים מיוחדים עם מספר טרנזיסטורים אופטימלי ותכונות חסכון באנרגיה דינאמיות. תאים מותאמים אישית מתוכננים לפעול במתחים הנמוכים ביותר האפשריים, על מנת להבטיח צריכת חשמל מינימלית.

השגת יתרונות PPA

אסטרטגיות מפורטות להשגת יתרונות PPA דרך עיצוב מותאם אישית:

1. עיצוב רישום מותאם אישית: שימוש ברישומים מרובי ביטים ובעיצובים מבוססי latch כדי להפחית את צריכת הכוח של השעון ולשפר את זמן השאילה. רישומים מרובי ביטים מפחיתים את צריכת הכוח של עץ השעון ומקטינים את השטח הכולל.
2. מיקום ידני: הפחתת אורך החוט ואיזון זמני ההתקנה והאחיזה לשיפור הביצועים הכוללים. מיקום ידני מאפשר שליטה טובה יותר על עיכובי החיבור והפרעות הדדיות, ומשפר את שלמות האות ומפחית את צריכת הכוח.
3. עיצוב תא מותאם: תאים מותאמים אישית מעוצבים לפעול במתח נמוך יותר, להפחית את צריכת הכוח הדינמית ולהגדיל את היעילות. באמצעות התאמת עיצובי התאים לצרכים הספציפיים של אלגוריתמי הכרייה, ניתן להשיג שיפורים משמעותיים בביצועים.

אמינות במתח נמוך

הבטחת האמינות של לוגיקת התזמון המותאמת אישית במתחים נמוכים כוללת:

1. סימולציה מדויקת: סימולציות ברמת המעגל לאימות התנהגות התאים המותאמים אישית בתנאים ספציפיים. כלים כגון SPICE משמשים לסימולציות חשמליות מפורטות כדי להבטיח שהתאים פועלים כראוי בכל פינות PVT (תהליך, מתח, טמפרטורה).
2. עקביות במיקום: מיקום ידני להבטחת אחידות ולהפחתת השונות. על ידי שליטה בפריסה הפיזית, ניתן למזער את השפעת השונות בתהליך ולהבטיח ביצועים עקביים.
3. כיול PVT מדויק: אימות כנגד שונות בתהליך, במתח ובטמפרטורה. מבוצעים בדיקות וכיולים נרחבים להבטחת עמידות העיצוב בתנאי פעולה שונים.

מחקרי מקרה ותוצאות

הצגת נתונים אמיתיים ומחקרי מקרה מהפקות מסכה מלאות:

פרויקט	צומת תהליך	יעילות מתח/כוח	אלגוריתם
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

תוצאות אלו מדגימות את השיפורים המשמעותיים ביעילות ובביצועים שניתן להשיג דרך הגישה לעיצוב מותאם אישית שלנו.

אינטגרציה ואימות

סגירת תאים מעורבים

• אינטגרציה של תאים מותאמים אישית: תאים מותאמים אישית משולבים עם תאים סטנדרטיים מ-TSMC וממפעלים אחרים, להבטחת תאימות וביצועים. תאים מותאמים אישית מאופיינים ומאומתים כדי להתאים לדרישות הספרייה של תאים סטנדרטיים, מה שמאפשר אינטגרציה חלקה.
• אסטרטגיות סגירה: אסטרטגיות להבטחת תאימות וביצועים חלקים כוללות בדיקות DRC (בדיקת כללי עיצוב) ו-LVS (פריסה מול סכמטיות) מפורטות, כמו גם ניתוח תזמון וכוח באמצעות כלים תעשייתיים סטנדרטיים EDA (אוטומציה לעיצוב אלקטרוני).

\n### תכנון משולב דיגיטלי ואנלוגי\n\n- טכניקות לשילוב: שילוב רכיבים דיגיטליים ואנלוגיים כדי לייעל את ביצועי השבב הכוללים. טכניקות כמו אימות אותות מעורבים וקו-סימולציה משמשות כדי להבטיח שילוב ותפקוד נכון.\n- שיטות אימות: שיטות להבטחת עמידות בתנאי עבודה שונים כוללות ניתוח פינות, סימולציות מונטה קרלו ואימות אמינות לטיפול בהזדקנות ואלקטרומיגרציה.\n\n## מסקנה\n\nעיצוב ASIC בהתאמה אישית מלאה מציע יתרונות משמעותיים לכריית ביטקוין ומטבעות קריפטוגרפיים, ומספק ביצועים שאין דומה להם, יעילות צריכת חשמל ואמינות. על ידי חשיפת הסודות של עיצוב ASIC בהתאמה אישית ברמה הגבוהה ביותר, נייר זה מדגיש את השיטות והחידושים שמבדילים את מובילי התעשייה. ככל שכריית מטבעות קריפטוגרפיים ממשיכה להתפתח, ASIC בהתאמה אישית ישחקו תפקיד מכריע בהנעת הדור הבא של חומרת כרייה יעילה ובעלת ביצועים גבוהים.\n\nגרסת PDF של הנייר\n